摘要 強力輸送帶已廣泛應用于礦山、港口和碼頭等領域，是煤礦生產中必不可少 的運輸設備。由于其載荷的增加，被障礙物劃傷及老化，以及硫化接頭不牢靠等 原因，而產生鋼芯銹蝕、斷裂或接頭伸長等故障。一旦發生故障將會造成重大安 全事故或停產，運輸物料的損耗，設備的損壞，巨大的經濟損失和人員傷亡，嚴 重影響安全生產。因此，為了保證強力輸送帶的安全運行，需要研制一種強力輸 送帶無損檢測系統。 本文對基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統的輸送帶內部鋼絲繩芯圖像處 理與性能分析進行了研究。給出了x 光的強力輸送帶無損檢測系統設計方案：提 出了強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像處理算法，包括鋼絲繩芯圖像處理基本算法、 邊緣檢測算法、接頭伸長檢測算法和故障坐標定位等；分析了影響強力輸送帶強 度性能的因素，建立了鋼絲對x 射線吸收規律的數學模型，提出了有效承載面的 強度判斷算法；運用c # n e t 語言設計開發了圖像處理與性能分析的系統軟件， 實現了對強力輸送帶鋼絲繩芯圖像的在線檢測、處理、實時顯示和存儲，并進行 了現場調試及實驗。 該系統能夠實時檢測強力輸送帶的圖像，進行處理和分析，發現鋼芯銹蝕、 斷裂或接頭伸長等故障，及時報警，特別適用于煤礦中輸送帶的檢測，避免重大 安全事故的發生，設備的損壞，停產和人員傷亡，運輸物料的損耗和經濟損失， 提高生產效率，具有顯著的經濟和社會效益。 關鍵詞：x 光；強力輸送帶；無損檢測；圖像處理；性能分析 a b s t r a c t t h ec o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e sh a sb e e nw i d e l yu s e di nm i n e s ，p o r t s a n dd o c k s i ti so n eo ft h em a i nt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t sf o rt h ec o a lm i n ep r o d u c t i o n d u et oi t si n c r e a s e dl o a d s ，s c r a t c h i n gb yo b s t a c l e ，a g i n ga n du n r e l i a b l ec r a f t ，t h e c o n v e y e rb e l tc a l lc a u s et h es t e e lw i r er o p e sc o r r o s i o n ，f r a c t u r ea sw e l la st h ej o i n t e l o n g a t i o n i n c a s eo fa n yb r e a k d o w nc a nc a u s es i g n i f i c a n ts a f e t yi n c i d e n t o r p r o d u c t i o ns t o p p e d ，t r a n s p o r t a t i o n m a t e r i a ll o s s e s ，e q u i p m e n td e s t r u c t i o n ，h u g e e c o n o m i cl o s s e sa n dc a s u a l t i e s ，a n dw i l ls e r i o u s l yi n f l u e n c et h es a f e t yo fp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，w en e e dt od e s i g nan o n d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mo l lc o n v e y e rb e l tw i t h s t e e lw i r er o p e s ，i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f eo p e r a t i o no ft h ec o n v e y e rb e l t t h et h e s i sd o e sad e e pr e s e a r c ha b o u ti m a g e r yp r o c e s s i n ga n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i so ft h ec o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e sb a s e do nx - r a yn o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n gs y s t e m t h et h e s i sp r e s e n t sa d e t a i l e dd e s i g np r o g r a m ；p r o p o s e st h ei m a g e r y p r o c e s s i n ga l g o r i t h m o ft h ec o n v e y e rb e l t ，i n c l u d i n gp r i m a r ya l g o r i t h m ，m a r g i n a l c h e c k ，j o i n te l o n g a t i o nc h e c ka n db r e a k d o w nc o o r d i n a t el o c a l i z a t i o n ，e t c ；a n a l y s i s i n f l u e n c i n gf a c t o ra b o u tp e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e y e rb e l t ，e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a l m o d e lo nx r a va b s o r p t i o nr u l eo fs t e e lw i r er o p e s ，p r o p o s et h ei n t e n s i t yj u d g m e n t a l g o r i t h m o fe f f e c t i v el o a d i n ge n d ；b yu s i n gt h ec 撐n e tp r o g r a m m i n gd e s i g n l a n g u a g e ，t h es y s t e ms o f t w a r e w a sd e v e l o p e d ，i tr e a l i z e do n l i n ee x a m i n a t i o n ， p r o c e s s i n g ，r e a l - t i m ed i s p l a ya n ds t o r a g e ，a n dc a r r i e do nd e b u g g i n ga n d e x p e r i m e n t t h es y s t e mc a l le x a n lt h ei m a g e r yo ft h ec o n v e y e rb e l to n l i n e ，a s w e l la s p r o c e s sa n da n a l y s i s t h es y s t e mc a ni m m e d i a t e l yw a r n i n g a tt h et i m eo fd e t e c t i n gt h e s t e e lw i r er o p e sc o r r o s i o n ，f r a c t u r ea sw e l la s t h ej o i n te l o n g a t i o n t h es y s t e m e s p e c i a l l ys u i t a b l e f o rt h ec o n v e y e rb e l tu s e di nc o a lm i n e ，a n dc a na v o i da n y b r e a k d o w nc a u s e db ys i g n i f i c a n ts a f e t yi n c i d e n to rp r o d u c t i o ns t o p p e d ，t r a n s p o r t a t i o n m a t e r i a ll o s s e s e q u i p m e n td e s t r u c t i o n ，h u g ee c o n o m i cl o s s e sa n d c a s u a l t i e s ，c a l lr a i s e t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , c a nm a k er e m a r k a b l ee c o n o m ya n d t h es o c i a le f f i c i e n c y k e y w o r d s ：x - r a y ；c o n v e y e rb e l t w i t hs t e e lw i r er o p e s ；n o n 。d e s t r u c t i v et e s t i n g ；i m a g e r y p r o c e s s i n g ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 獨性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得丞洼王些太堂或其他教育機構的學位或 證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文 中作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名葉春青 簽字日期：加聽年五月釤日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解云洼王些太堂有關保留、使用學位論文的規定。 特授權云洼王些太堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行 檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學 校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 鉚虢姒 簽字同期叫年y 月形日 笙目 日 篇曲 l r 一二 月 沙 五 名 年 簽行， 利 艫 作 吐 文 期 淪 日 位 字 學 簽 學位論文的主要創新點 一、 對基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統的輸送帶內部鋼絲繩 芯圖像處理與性能分析進行了研究。給出了x 光的強力輸送帶無 損檢測系統設計方案。提出了強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像處理 算法，包括鋼絲繩芯圖像處理基本算法、邊緣檢測算法、接頭伸 長檢測算法和故障坐標定位等。 二、分析了影響強力輸送帶強度性能的因素，建立了鋼絲對x 射線 吸收規律的數學模型，提出了有效承載面的強度判斷算法。運用 c # n e t 語言設計開發了圖像處理與性能分析的系統軟件，實現了 對強力輸送帶鋼絲繩芯圖像的在線檢測、處理、實時顯示和存儲。 第一章引言 第一章引言 11 強力輸送帶無損檢測現狀 強力輸送帶( 如圖l 一1 ) 是以一定間距縱向排列在芯膠中的鋼絲繩為骨架， 上下和兩邊有一定厚度的各種性能膠層。帶體柔軟，抗張強度高，伸長率小， 成槽性好，耐曲撓、耐疲勞，特別適合裝置在長距離，高速度，大容量的大型 輸送線上，廣泛應用于礦山、港口和碼頭等領域，是我國現代化生產中主要傳 送設備之一。 嘶腔 i 圖1 1 強力輸送帶示意陶 在煤礦生產中強力輸送帶是必不可少的設各，實際工作中，由于其載荷量 增加和使用環境的惡劣【】。3 1 ，被障礙物劃傷及老化等原因而產生鋼芯銹蝕、斷裂 或接頭伸長等故障，一旦發生故障將會造成重大安全事故或停產，運輸物料的 損耗，設備的損壞，巨大的經濟損失和人員傷亡，嚴重影響安全生產。如某煤 礦曾發生一次強力輸送帶斷裂事故，導致停產一星期，造成直接經濟損失超過 1 0 0 0 多萬元。因此，需要借助現代無損檢測技術，研制一種強力輸送帶無損檢 測系統，對強力輸送帶進行實時檢測，了解其性能狀態，保證強力輸送帶的安 全運行。 在國外，許多科技工作者對強力輸送帶無損檢測技術進行了深入的研究， 比較成功的是建立在電磁感應基礎上的渦流檢測法以及采用x 射線透視的射線 檢測方法。 澳大利亞悉尼應用物理研究協會無損檢測研究組的a 哈里森研制的鋼絲繩 膠帶無損探測器( c b m ) h ，采用低頻透射型電渦流式傳感器，由分別位于被 測金屬導體兩面的發射線圈和接收線圈組成，圖1 - 2 是c b m 探測器的示意圖h 】。 發射線圈接至振蕩器后，產生磁力線穿過被測金屬體，在接收線圈兩端產生感 應電信號，其幅值大小取決于受檢段內鋼絲繩芯磁阻的太小。鋼絲繩芯因銹蝕 或斷裂則引起感應電信號相應變化，可以監測膠帶鋼絲繩芯的銹蝕斷裂等。該 天津工業大學碩士( 博士) 學位論文 方法的缺點是不能全面直觀地看到輸送帶內部的鋼絲繩芯圖像，檢測結果只能 提供一些曲線，需要有經驗的人員分析判斷，仍要用高質量的x 關照片才能進 一步精確判斷故障的情況。 下傳感器 圖1 2 c b m 探測器示意圖 d m t ( 德國蒙坦技術公司) 開發和運行研究所研制的裝置能探測出鋼絲繩 股，腐蝕破損和絞絲【6 】。探測裝置由模件組成，每個模件有兩個8 0 m m 寬的磁 道，能探測膠帶上兩個8 0 m m 寬的條帶。該裝置也不能全面直觀地看到膠帶內 的鋼絲繩芯圖像。 前蘇聯第聶伯羅彼得羅夫礦井自動化工廠生產的y k l - i 兒一1 型橡膠鋼索帶 的強度檢查裝置，也是以磁探傷原理進行工作，這種方法檢測精度差，自動化 程度低。 德國埃森的r w t u v 研究了一種利用射線對強力輸送帶鋼絲繩芯進行無損 檢測的方法，該方法將礦井膠帶輸送機的膠帶狀況用高頻圖像描記在一條3 0 c m 的紙帶上，并儲存在視頻記錄儀上。這種方法需配用實驗室的標尺器具一起進 行，屬于連續拍攝性質。 德國( m e l c o ) 的輸送帶探傷裝置借助x 射線在增強屏上成像，由攝像 機、記錄儀、電視監視器等組成一個系統。增強屏的作用是將x 光不可見圖像 轉換成可見圖像后由攝像機攝取，并產生視頻圖像信號在監視器上顯示。由于 增強屏尺寸較小，每次只能觀察到膠帶內部局部鋼絲繩芯的狀況。同時它也未 采用計算機圖像識別技術，只能靠肉眼識別鋼絲繩芯的完好狀況。 在國內，許多高校、研究所研制開發了多種強力輸送帶檢測設備，但受到 當時軟硬件水平的限制，普遍存在著準確性差、顯示不直觀、不能遠程檢測等 問題。 中國科學院力學所于1 9 9 2 年設計出了g x d 型強力輸送帶無損探傷儀，山 西礦業學院在煤礦科學技術1 9 9 8 年第5 期發表文章“鋼絲芯膠帶繩芯在線實時 檢測系統”，介紹了他們自行研制的強力輸送帶渦流檢測系統。這兩種方法與澳 大利亞a 哈里森的思想基本相同，只是前者能將探傷結果以計算機繪圖方式在 2 第一章引言 計算機顯示器上顯示出來，缺點是探測結果是一些類似心電圖的曲線，不直觀。 1 9 9 3 年中國礦業大學北京校區成功研制出“強力輸送帶橫向斷裂預報裝 置”。該系統的工作原理框圖【7 】如圖卜3 所示。 一圈 圖1 - 3 強力輸送帶橫向斷裂預報裝置工作原理框圖 該裝置采用x 射線透視技術，用x 射線透射運行的輸送帶，在系統的x 射 線探測器上連續產生輸送帶內部鋼絲繩的投影電信號，并經數字化、補償處理 后，送入圖像采集卡中，在圖像監視器上實時顯示。這套裝置可全面地觀察、 記錄輸送帶內部鋼絲繩芯的斷股、銹蝕、接頭伸長錯位等故障，并在圖像儀上 復現圖像。該系統受當時的軟硬件技術的限制，存在輸送帶圖像處理速度慢： 實時性差( 輸送帶速低于0 6 2 5 m s ，輸送帶寬小于1 2 m ) 、精度低( 分辨率為 2 5 m i n x2 5 m m ) 、不具備遠程實時檢測和防爆功能。 1 2 本課題的目的和意義 本課題的目的是對強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像處理與性能分析進行研 究。給出了基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統設計方案；提出了強力輸送帶 內部鋼絲繩芯圖像處理算法，包括鋼絲繩芯圖像的基本處理算法、邊緣檢測算 法、接頭伸長檢測算法和故障坐標定位等；分析了影響強力輸送帶強度性能的 因素，建立了鋼絲對x 射線吸收規律的數學模型，提出了有效承載面的強度判 斷算法；運用c 撐n e t 語言設計開發了圖像處理與性能分析的系統軟件，實現 了對強力輸送帶鋼絲繩芯圖像的在線檢測、處理、實時顯示和存儲。 1 3 本課題研究的主要內容 本課題組( 天津工業大學信息與通信工程學院科研團隊) 根據國內外強力 天津工業大學碩十( 博士) 學位論文 輸送帶無損檢測的研究現狀，分析研究了國內外常用的無損檢測方法，提出了 基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統的設計方案，提出了圖像處理軟件的設計 思想；利用x i l i n x 集成開發環境e d k 與x i l k e r n e l 操作系統設計了基于x 光強 力輸送帶無損檢測系統的以太網通信軟件，實現了無損探測器與上位機之間的 千兆以太網通信。 由于國內外對強力輸送帶的x 光無損檢測技術的相關研究較少 8 - 9 ，本課題 組在實驗中缺乏強力輸送帶“問題圖像”的來源，對輸送帶接頭伸長及輸送帶 強度的判斷只能靠物理方法，需進一步研究強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像處理 算法，進一步分析有效承載面的強度判斷算法，進一步完善系統軟件設計，這 構成了本課題的主體任務。 ( 1 ) 分析國內外無損檢測技術的工作原理及特點，提出了基于x 光的強 力輸送帶無損檢測系統的組成和工作原理，設計了系統硬件組成。 ( 2 ) 研究強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像處理算法，包括鋼絲繩芯圖像的基 本處理算法、邊緣檢測算法、接頭伸長檢測算法和故障坐標定位等，能夠有效 地對鋼絲繩芯圖像進行處理，發現故障，及時報警。 ( 3 ) 分析了影響強力輸送帶強度性能的因素，建立了鋼絲對x 射線吸收 規律的數學模型，提出了有效承載面的強度判斷算法。 ( 4 ) 運用c 群n e t 語言設計開發了圖像處理與性能分析的系統軟件，實現 了對強力輸送帶鋼絲繩芯圖像的在線檢測、處理、實時顯示和存儲。 4 第二章基于x 光的無損檢測系統設計方案 第二章基于x 光的無損檢測系統設計方案 2 1 無損檢測技術的工作原理及特點 無損檢測( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 是以不破壞被檢測對象的性能為前提， 采用各種物理原理或化學現象，檢查材料內部或表面缺陷并評價其整體質量的 技術。無損檢測技術能夠對各種零部件、結構件進行有效檢測，可以評價它們 的完整性、安全可靠性以及物理性能，若被檢測對象存在缺陷，則可對缺陷的 形狀、大小、方向和分布情況進行定位和判斷。無損檢測技術能夠改進生產工 藝，提高生產效率、提高生產可靠性。 在現代化工業大生產促進下，建立了以射線檢測( r a d i o g r a p h i ct e s t i n g ) 、 超聲檢測( u l t r a s o n i ct e s t i n g ) 、磁粉檢測( m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ) 、滲透檢測 ( p e n e t r a t et e s t i n g ) 和渦流檢測( e d d yc u r r e n tt e s t i n g ) 五大常規檢測方法為代 表的無損檢測體系。本章通過對這幾種無損檢測技術的工作原理及特點的研究， 確定本課題的技術方案。 ( 一) 超聲檢測法 超聲檢測技術應用較為廣泛，包括共振法、透射法和脈沖反射法。 ( 1 ) 共振法是利用共振原理，用探頭將超聲波發射到測件內部，當測件厚 1”， 度是超聲波半波長的整數倍，會在測件中產生駐波，用公式j = n - 蘭= 蘭計算 2 e t 測件的厚度萬，公式中刀是共振次數，以= o ，l ，2 ，3 ，名為超聲波長，c 是超 聲波在測件中的傳播速度， 廠為超聲波的頻率。 ( 2 ) 透射法是在測件的兩端分別放置發射探頭和接收探頭，根據接收探頭 接收到的超聲波能量的變化，來判斷測件內部有無缺陷。 ( 3 ) 脈沖反射法是利用超聲波脈沖在測件內部傳播中時，遇有聲阻抗相差 大的兩種介質時會產生反射，用一個探頭同時作為發射探頭和接收探頭，在熒 光屏上顯示接收到的信號，根據接收信號有無反射波來判斷測件是否存在缺陷。 圖2 1 是碼科泰克( 上海) 化學有限公司生產的利用超聲檢測原理，檢測 鋼筒內部是否存在缺陷的設備，圖2 2 是鋼筒內部無缺陷時的檢測結果顯示， 圖2 3 是鋼筒內部有缺陷時的檢測結果顯示，結果顯示不直觀，且結果顯示速 度非常快，容易造成檢測結果的遺漏。 超聲檢測法既可以檢測表面缺陷，也可以檢測內部缺陷，具有靈敏度高， 指向性好、穿透力強、檢測速度快，缺點是只適用于同一均勻介質，檢測結果 無直接記錄，易受材質、粉塵的影響。 5 天津j = 業 學碩士( 博+ ) 學位論文 幽2 - 1 超聲檢測設備 口：l 口 圖2 - 2 鋼筒內部無缺陷時的檢泖4 結果圖2 - 3 鋼簡內部有缺陷時的檢測結果 h 節 超聲檢測法既可以檢測表面缺陷，也可以檢測內部缺陷，具有靈敏度高， 指向性好、穿透力強、檢測速度快，缺點是只適用于同一均勻介質，檢測結果 無直接記錄，易受材質、粉塵的影響。 ( = ) 磁粉檢測法 磁粉檢測法是利用缺陷的漏磁磁場的強度同缺陷漏磁的磁通密度的正比關 系來檢測物件的缺陷，漏磁場強度越大，缺陷部位越容易吸附磁粉形成與缺 陷形狀相近的磁粉堆積( 磁痕) ，從而顯示缺陷。如圖2 - 4 所示的設備是碼科泰 克( 上海) 化學有限公司生產的磁粉檢測鋼軌劃痕系統。 磁粉檢測鋼軌劃痕系統工作方式為：鋼軌從右邊向左邊移動。移動過程中， 首先經過a 點( 磁粉液噴淋) ，將鋼軌表面全部噴淋磁粉液，鋼軌劃痕處會滲 入磁粉液體。經過b 點( 磁軛) ，此處作用是將鋼軌表面在a 點噴淋的磁粉液 除去，但是已經滲入劃痕內的磁粉液無法除去。經過c 點( 磁化線圈) ，將鋼 軌磁化。經過d 點時，在e 點的特殊燈光的照射下，滲入劃痕的磁粉會呈現為 綠色。從而可以確定鋼軌劃痕的方位和大小。 第二章基于x 光的無損檢測系統設計方襄 圖2 4 磁粉檢測鋼軌劃痕的系統 磁粉檢測法主要用于檢測鐵磁性材料表面和近表面的缺陷。它可以檢測出 表面開口的缺陷，但無法檢測出埋藏缺陷或閉口型的表面缺陷；且檢測程序多n 速度慢；磁粉材料較貴，成本高；有些材料有毒、易燃，易造成安全事故。 ( 三) 滲透檢測法 滲透檢測法是利用滲透原理，將黃綠色的熒光滲透液或紅色的著色滲透液 涂在零件表面，經過一段時間的毛細血管作用后，再在零件表面涂抹顯像劑， 缺陷處吸附的滲透液顯像，通過顯示放大缺陷圖像痕跡，可判斷缺陷的大小和 形狀。 滲透檢測法需將滲透液滲入固體材料表面開口缺陷處，或在零件表面涂抹 含有熒光染料或著色染料的滲透液，再通過顯像劑將滲入的滲透液吸到表面， 顯示出缺陷的存在。 ( 四) 渦流檢測法 渦流檢測法是利用電磁感應原理，在外部強電磁場的作用下通過測定工件 內產生渦流的變化來發現內部缺陷。渦流檢測過程中一般分別在工件兩端分別 放置激勵線圈和接收線圈，兩種激勵線圈相距較遠，使激勵線圈發射的磁場幾 乎完全穿過工件后被接收線圈接收到，從接收到的磁場的幅度和相位的變化可 以斷定檢測線圈所檢測區域中的缺陷情況。 圖2 5 是矩陣科技有限公司利用電磁感應原理開發的渦流檢測系統檢測 鐵板缺陷，鐵板上部的黃色導線為激勵線圈，下部黃色導線為接收線圈。圖2 - 6 是渦流檢測系統檢測結果顯示，從圖中可看出，檢測結果以特征曲線的形式顯 示。 渦流檢測法由于操作簡單，不需要耦合劑和易于實現高速、自動化檢測等 天津工業大學碩士( 博士) 學位論文 優點，因此在金屬材料的無損檢測中得到廣泛應用，缺點是檢測結果是抽象曲 線，檢測精度低、易受周圍磁場干擾，需專業人士才能了解是否存在缺骼。 圖2 - 5 渦流檢測系統圖2 - 6 渦流檢測系統檢測結果顯示 ( 五) 射線檢測法 射線檢測法是一種利用各種射線對材料或工件的投射性能和射線( x 射線、 y 射線、中子射線等) 穿過材料或工件時的強度衰減程度不同，在感光底片形 成灰度不同的圖像來檢測內部缺陷的手段。缺陷部位對射線吸收力比其它部位 低，因此透射過的光強較大，因而感光底片接收到的光強較大，會形成灰度較 淺的圖像。常用x 射線檢測。圈2 7 是x 射線檢測原理圖，圖2 - 8 是實驗室采 用x 射線檢測有缺陷的扳手圖像。 感光底片 圈2 - 7 x 射線檢測原理圖圖2 - 8 實驗室削x 射線檢測有缺陷的扳手腳像 由于強力輸送帶多應用在礦山、港r a 和碼頭等，其工作環境非常惡劣，粉 r線 射 xlri 第二章基于x 光的無損檢測系統設計方案 塵、顆粒很多，周圍設備眾多，磁場干擾多。強力輸送帶的運行速度為3 1 5 m s - - 4 5 r n s ，運行時危險系數極大，不允許接觸輸送帶體或涂抹物質。因此超聲檢 測法、磁粉檢測法、滲透檢測法和渦流檢測法均不能應用于強力輸送帶的無損 檢測。與其它檢測法相比，x 射線檢測法的主要優點是： ( 1 ) 檢測結果以圖像形式直觀顯示，并可保存在電腦中，便于觀看和復查。 ( 2 ) 通過計算機技術分析檢測圖像，進而評價強力輸送帶的性能。 ( 3 ) x 射線受粉塵、顆粒、周圍磁場的影響微小，檢測結果精確度高。 ( 4 ) x 射線裝置不需要接觸強力輸送帶，安全系數高，滿足在線檢測的需 要。 ” 因此，綜合考慮各方面因素，本課題采用x 射線檢測法對強力輸送帶內部 鋼絲繩芯進行圖像處理與性能分析的研究。 2 2 基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統的組成和工作原理 基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統主要是由x 射線源、光電轉換板、采 集接收板和p c 機及輸送帶圖像處理軟件等組成，采用2 0 0 v a c 、5 0 h z 交流電。1 其框圖如圖2 - 9 所示。 低輻射x 射線源 強力輸送帶 光電轉換 圖像信號預處理 千兆以太網接口 圖像處理輸出結果 圖2 - 9 基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統框圖 x 射線源：采用北京機電高技術股份有限公司研制的t 一1 4 0 x 一1 - - 8 0 型 x 射線發生器，x 射線發生器是由x 射線發射器和控制器兩部分組成。它采用 脈寬調制技術，工作頻率在3 0 k h z 左右，電壓、電流閉環調整，并設有過電壓、 過電流等多種保護。該產品性能穩定，使用安全，曾獲得北京市科技成果一等 獎，x 射線發射器的系統框圖如圖2 1 0 所示。該x 射線發生器的相關參數如表 2 1 所示。 9 天津工業大學碩士( 博士) 學位論文 圖2 1 0x 射線發射器的系統框圖 表2 1x 射線發生器的相關參數 電源 久c2 2 0 n 5 0 h z 電網調整率 當電網波動+ 1 0 一1 5 時，工作電壓穩定度為l 管端高壓9 0 1 4 0 k v ( 7 0 k v ) 管電流0 5 一l m a 工作頻率約3 0 k h z 紋波 l 訓管電壓分三檔 9 0 k v ，11 0 k v 和1 2 5 k v ( 默認1 4 0 k v ) 泄漏劑量 射線源表面5 厘米處最高劑量小于o 5 1 x s v h 工作環境要求溫度0 - - 4 0 c 濕度 9 0 控制器外形尺寸及重量1 3 2 4 8 2 6 x 2 5 0 m m9 千克 管頭外形尺寸及重量 5 3 0 x 3 0 0 x 2 2 0 m m 5 4 千克 光電轉換板( 如圖2 - 1 1 所示) ：主要由二氧化鈦( t i o ：) 涂層、閃爍晶體 ( 如圖2 1 2 所示) 、光電二極管陣列( 如圖2 1 3 所示) 、放大電路和通道選擇 電路組成。 l o 第二章基于x 光的無損檢測系統設計方案 幽盔 圖2 - 1 1 光電轉換扳 圖2 - 1 2 二氧化鈦涂層和閑爍體圖2 一1 3 光電二極管陣到 光電轉換板的原理圖如圖2 - 1 4 所示。 一 匿 通 三 道 選 j 擇 電 路 三 目刮愛薹 圖2 1 4 光電轉換板原理圖 模 擬 信 號 輸 出 天津工業大學碩士( 博士) 學位論文 二氧化鈦涂層可以過濾自然光，消除其對閃爍晶體的影響。閃爍晶體一般 是感光材料，例如硫氧化釓( g o s ) 、碘化銫( c s i ) 、鎢酸鎘( c d w 0 4 ) ，閃 爍晶體可將吸收到的x 射線轉換成可見光，提高光電二極管對x 射線的吸收效 率。光電二極管陣列用來測量閃爍晶體轉換的可見光強度，并將光信號轉化為 電平信號。放大電路用來放大光電二極管陣列所產生的極低的電平信號。通道 選擇電路用來控制陣列的每個通道依次輸出信號，且當末通道輸出信號后，選 擇首通道進行下一輪信號的輸出。光電轉換板的效率依賴于閃爍晶體的類型和 厚度、閃爍晶體一光電二極管的耦臺以及電子學的最優化。x 射線經過光電轉 換板的接收、處理后，輸出連續的差分模擬數據e 采集接收板( 如圖2 1 5 所示) ：主要由差分變單端運放電路、低通濾波囂、 電壓調整運放、a d 轉換芯片、f p g a 模塊、以太網接口電路等組成，其原理圖 如圖2 1 6 所示。 圖2 1 5 采集接收板 光電轉換板傳輸到采集接收板的差分模擬信號首先經過運放電路，變成單 端信號，通過低通濾波器后，再經過電壓調整運放電路和低通濾波器，送入a d 轉換芯片，輸出數字信號到f p g a 模塊，在f p g a 模塊中t 數字信號進行偏移 量校準和均勻化處理，通過以太網接1 3 電路發送到上位機( p c 機) 進行圖像 信號的處理與性能分析。 基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統的工作原理是：x 射線源輸出的x 光 穿過運行著的強力輸送帶照射到光電轉換板的硅光電二極管陣列上，硅光電二 第二章基于x 光的無損檢測系統設計方案 圖2 1 6 采集接收板原理圖 極管把強力輸送帶內鋼繩芯的投影圖像轉換為電信號；該電信號傳輸到采集接 收板，經過放大和a d 轉換后，形成數字信號，再經過偏移量校準和均勻化處， 理后，通過以太網接口傳輸到上位機( p c 機) ；p c 機接收到鋼繩芯皮帶圖像信 號后，通過圖像處理軟件實時顯示和存儲輸送帶內鋼繩芯的圖像，并且能夠運 用各種算法對強力輸送帶鋼繩芯的接頭伸長、銹蝕、斷裂等情況進行提取和判 斷，并給出故障報警信號。該裝置采用以太網通信，能夠實現遠程監測。 1 3 第三章強力輸送帶的圖像處理算法 第三章強力輸送帶的圖像處理算法 對基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統而言，由于強力輸送帶的工作環境 惡劣，實際運行中，下列因素會影響系統采集的圖像質量： 1 、光電二極管陣列將閃爍晶體轉換的光強度轉化為電平信號，電平信號的 能量等級極低，約為十幾個微安。在放大電路將信號增強過程中，會引入大量 噪聲，造成圖像像素值存在偏差。 2 、輸送帶在運行過程中，自身有劇烈的震動，會導致圖像產生抖動，出現 彎曲情況。 3 、由于x 光的散射，中間接收到的x 光強高于兩端接收到的x 光強，使 圖像出現兩端圖像較暗的現象。 上述因素的影響，造成了圖像質量的降低，圖像像素數值存在偏差，因此 需要研究圖像處理算法，利用計算機技術，突出顯示圖像信息。根據課題要求， 本章重點對圖像處理基本算法、邊緣檢測算法、接頭伸長檢測算法、接頭故障 坐標定位等圖像處理算法進行研剄1 0 。1 1 。 3 1 圖像處理基本算法 剛斟 凈1 ， 它的逆運算表達式為： x l 扛 y l 靜 ( 3 - 2 ) 如果辦乏儼0 5 時，圖像將被縮小一半。此時，縮小后圖像中的( o ，0 ) 像 素對應原圖中的( 0 ，1 ) 像素；圖像中的( o ，1 ) 像素對應于原圖中的( o ，2 ) 像 垂望三些查堂堡主! 堅主! 堂垡絲苧 素；( 1 ，0 ) 像素對應于原圈中韻1 2 , 0 ) 像素，依次類推。在原囤基礎上，每行 隔一個像素取一點，以行進行操作。同理，當聲毋= 2 時，圖像將放大2 倍 它實際上是將原圖每行中的像素重復取值一遍，然后每行重復一次，依次類推 強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像及縮放7 5 后的圖像如圖3 - 1 所示 ”，曩= 彳= 一“曩7 芝一 圖3 - i 強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像及縮放7 5 后的圖像 ( 二) 圖像旋轉算法 圖像的旋轉是以圖像的中心為原點0 ( 0 ，0 ) - 旋轉一定的角度“假設圖 像的某一個像素點z 的坐標是( 南，兒) 。順時針旋轉角度口后，對應新圖像中 的坐標z ( x 。，y ) 。兩者之間的坐標關系如下： z 距離原點的距離為r = x 。2 + 兒2 ( 3 3 ) 像素z ( 如，虬) 與x 軸夾角為口= a r 渤n 考 ( 3 4 ) z 距離原點的距離為，。= ，= 0 + y 。2 ( 3 5 ) 像素z 。( | ，y 。) 與x 軸夾角為8 ；口一口= a i c 協n 考一口 ( 3 6 ) x 。= r 。c o s # = x 0 2 + 2 c o s ( a m “一( 3 - 7 ) y 。；r + s i n # = 扛2 + 乩2 s i n ( a r c t a n y 一口) ( 3 - 8 ) 圖像旋轉坐標示意圖如圖3 - 2 所示。 圉3 - 2 圈像旋轉坐標示意雹 1 6 嘲腳鰳躐 第三章強力輸送帶的圖像處理算法 強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像及順時針旋轉3 0 度后的圈像如圖3 - 3 所示。 霎，羆，只摹冀只= l 一 鼬疝_ _ 墨墨_ d j 】- _ - _ b 二a a 叫苴盤i 疊型菌b _ _ - _ 衄 圖3 - 3 強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像及順時針旋轉3 0 度后的圖像 31 2 圖像負相變換 圖像負相變換即是將圖像的每個像素的r 、g 、b 三個分量分別反色，由 于每個分量有2 5 5 個等級，假設圖像經負相變換后每個像素的三個分量為r 、 g 、b 。公式為： r = 2 5 5 一rg = 2 5 5 一g b = 2 5 5 一b( 3 - 9 ) 強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像及其經過負相變換處理后的圖像效果如圖 3 4 所示。 平2 粵_ - _ _ - _ _ _ _ _ _ l _ 墨血帚爭舅_ _ _ - ，- a 。t - ，_ 。般一j 擴曩 t o - _ 口= j u = 2 _ _ _ l _ i - _ 雕 一j n = i i l - _ _ _ _ - - - _ _ 一 圖3 - 4 強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像及其經過負相變換處理后的圖像效果 3 2 邊緣檢測算法 基于x 光的強力輸送帶無損檢測系統的圖像處理框圖如圖3 - 5 所示。 32 1 s o b e l 邊沿檢測 圖3 - - 6 所示的圖像處理流程圖處理如圖3 - 6 ( a ) 所示的強力輸送帶內部 天津工業大學碩士( 博士) 學位論文 圖3 - 5 圖像處理框圖 鋼絲繩芯圖像時效果較好，而對圖3 - 6 ( b ) 所示的強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖 像進行處理時，則達不到理想效果。 對比圖3 - 6 的兩幅圖像可以看到：( a ) 圖亮度均勻，鋼絲繩與縫隙的對比度高， 易識別處理；( b ) 圖中間比兩邊的亮度高，對比度較差，但是灰度級變化還是 比較明顯。( b ) 圖的這種情形是由于x 射線源點發射x 射線，從而導致垂直與 強力輸送帶處( 中間) 的x 射線強度高于其他位置( 兩邊) 的x 射線強度造成 的。對于圖像( b ) ，進行圖像預處理后會丟失大量信息，因此在圖3 - 6 圖像 處理流程圖之前，采用基于空間倒數的邊沿檢測方法能夠有效地解決此問題。 ( a ) 抽) 圖3 _ 6 強力輸送帶內部鋼絲繩蒼圖像 系統的邊緣檢測算法采用s o b e l 算子( 梯度算子) ，s o b e l 算子在實際應用 中效果比較好，具有較好的噪聲抑制能力。系統采用的s o b e 算予模板如表3 - 1 中的( a ) 、( b ) 子表所示。 322 負相變換 用s o b e l 算子進行邊沿檢測時，圖像邊沿部分呈現為白色，接頭搭接空檔 第三章強力輸送帶的圖像處理算法 部分呈現為黑色，與原圖和檢測人員的實際感官印象不符，因此有必要對圖像 進行負相變換。圖3 7 是經過s o b e l 邊沿檢測和負相變換后的圖像。 表3 - is o b e l 算子模版 臣吁 肚鹽 ( a )( b ) 圖3 7 經過s o b e l 邊沿檢測和負相變換后的圖像 如圖3 7 所示，圖像經過s o b e l 邊沿檢測后，接頭搭接空檔部位明顯顯現， 幾乎所有的接頭部分都能顯示。再經過負相變換處理后就可進行模板匹配處理。 323 模塊匹配 模板匹配的目的是確定接頭位置。對圖3 - 6 所示的強力輸送帶內部鋼絲繩 芯圖像，按照其鋼絲繩芯及其搭接特點，取表3 2 中的( a ) 、( b ) 兩個檢測匹 配模板進行水平邊沿檢測。 表3 - 2 檢測匹配模板 。o00 。o i l11l 1 00 0 0 0 o0o0 o 天津丁業大學碩士( 博七) 學位論文 為了能對輸送帶性能進行檢測，需要對接頭進行檢測和量化分析。傳統的 算法主要根據圖示厶和三：計算接頭伸長。接頭伸長量的計算式為： 址，：蘭堡厶一厶， ( 3 1 0 ) 1 l 2 11 。 式中址，為輸送帶接頭的伸長量；厶，和三：。為變化前兩對接空檔長度( 標準 值) ；厶和三：為變化后的長度。計算值是整個接頭的鋼絲繩芯對接空檔變化量 的平均值。計算時，斜向接頭一般也要先轉換成直向接頭計算。這種算法存在 一定的問題n 刀。 本課題改進了接頭伸長量的判定算法，在計算每個鋼絲繩芯對接空檔伸長 時，取厶為上圖的三，計算時厶取相鄰一行( 斜向) 的鋼絲繩芯對接空檔距 離的中間值。具體算法如下： ( 1 ) 把合并后的接頭按聚類方法進行分類，一般分成的兩類，分別對應接 頭對接空檔的上下兩部分( 上下兩行) ； ( 2 ) 求厶伸長時，找出相鄰的下一類鋼絲繩芯對接空檔值的中間值作為： ( 求下面一類伸長量時用相鄰的上一類的中間值作為厶) ； ( 3 ) 代入公式3 1 3 計算伸長量。 計算接頭平均伸長時厶仍采用圖3 一l l 標示的范圍，用直線擬合的方法計 算。該算法特別適用于當輸送帶出現某接頭整體伸長時的判定。 與傳統算法相比，改進的接頭伸長量的判定算法有下列優點： 第三章強力輸送帶的圖像處理算法 ( 1 ) 與傳統算法一樣均可以降低皮帶速度對圖像的影響； ( 2 ) 能有效降低輸送帶抖動對判斷結果的影響； ( 3 ) 降低使用統計平均計算伸長量對單個鋼絲繩芯對接空檔伸長判斷結果 的影響； ( 4 ) 接頭平均伸長和單個鋼絲繩芯對接空檔伸長分別計算能有效保障判斷 的準確性。 圖3 _ 9 是接頭對接圖像部分經邊緣檢測算法處理后的結果。圖3 - 1 0 是未檢 測到的接頭放大圖像。 _ 圖3 - 9 接頭對接圖像部分經邊緣檢測算法處理后的結果 圖3 1 0 未檢測到的接頭放大圖像 從圖3 - 9 中能明顯看出邊緣檢測算法檢測出了幾乎所有的接頭對接部分。 僅有一個沒有顯示出來，放大該對接區域，能看到中間有個比較亮的縱向部分 灰度變化明顯，邊沿檢測時被判斷成了邊沿【1 2 - 1 5 。 3 3 接頭伸長檢測算法 本系統在檢測強力輸送帶內部鋼絲繩芯圖像時，由于硬件條件的限制，接 收到的圖像會產生重復現象，需要增加判重機制，以避免重復處理和接頭錯誤 定位：由于現場環境惡劣，粉塵多，易導致采集到的圖像受到噪聲干擾，在圖 像處理過程中，需采用y _ 差分技術算法來很好地抑制噪聲；由于強力輸送帶 甄 天津工業大學碩士( 博士) 學位論文 運行時會產生劇烈震動，使采集到的圖像產生抖動現象，需要采用消抖算法， 去除抖動造成的影響。 針對實際工作中存在的重復、噪聲、抖動等問題，本節重點研究重復圖像判定 算法、y 一差分技術、圖像消除抖動技術，提高檢測結果的可靠性。 3 3 1 重復圖像判定 以兩幅r g b 圖像為例，判斷圖像是否重復，首先判斷兩幅圖像的尺寸是否 相同。若兩幅圖像尺寸不相同，則可以確定兩幅圖像不重復；若兩幅圖像尺寸 相同，則需要從第一個像素點開始判定每個點的像素值是否相同，一旦有某個 點的像素值不相同，則可認為是新采集的圖像，若所有點的像素值都相同，則 可以判定兩幅圖像為重復圖像。重復圖像判定流程圖如圖3 1 l 所示。 圖3 11 重復圖像判定流程圖 重復圖像判定的目的是減少計算量，提高計算速度；避免將同一個接頭的 重復圖像誤判為兩個接頭，避免接頭序號對應錯誤。 天津工業大學碩士( 博士) 學位論文 抑制噪聲，并且在算法實現中，y 一差分和改進的“條件”y 一差分是在同次 掃描中完成，提高了算法的效率。 3 33 圖像消除抖動技術 圖3 1 4 是出現抖動的圖像及其經過改進的“條件”y 一差分技術處理的圖 像。 研究圖像3 1 4 可以發現，差分圖像中的抖動部分有下列特點：抖動出現在 同一水平線上；一般是紅綠顏色點交替出現。根據此規律，消抖算法為；假設 一個點z b ，y ) 為紅色或綠色，若在x 方向上的【j r a n g e ，x 十r a n g e 范匪l 內存 在像素與它顏色相反，則認為是抖動。 圈3 1 4 出現抖動的圖像及其經過改進的“條件”y 一差分技術處理的圖像 3 4 接頭故障坐標定位 軟件窗口中數字標尺具有可視化特性，可以幫助使用者方便地測算距離、 定位等，因此數字標尺技術被越來越廣泛地應用【l q 。目前基于x 光的強力輸送 帶無損檢測系統能有效的檢測故障并及時報警，但往往都只能在輸送帶上粗略 的判斷故障位置。本課題通過采用數字標尺技術的方法在原有軟件系統所顯 示的圖像上