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強(qiáng)力輸送帶X光無損檢測(cè)儀的研制

文檔作者：榮鋒苗長(zhǎng)云徐偉文檔來源：天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月02日
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第19卷第1O期
2011年1O月
光學(xué)精密工程
Optics and Precision Engineering
V01．19 No．10
0ct．2O11
文章編號(hào) 1004—924X(2011)10—2393—09
強(qiáng)力輸送帶X光無損檢測(cè)儀的研制
榮鋒 ，苗長(zhǎng)云，
(天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程
偉
院，天津300160)
摘要：采用X光線陣探測(cè)器研制了一種強(qiáng)力輸送帶無損檢測(cè)儀。介紹了x光無損檢測(cè)原理，使用準(zhǔn)直器解決了X光無
損檢測(cè)的散射問題，設(shè)計(jì)了多路并行數(shù)據(jù)采集電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集。對(duì)線陣探測(cè)器像元非均一性的原因進(jìn)行了
探討，對(duì)校正算法進(jìn)行了研究，基于響應(yīng)模型運(yùn)算量小，校正效果良好提出了的三點(diǎn)分段校正法。實(shí)驗(yàn)證明，研制的檢測(cè)
儀對(duì)寬度為2 in，運(yùn)行速度為3 m／s的強(qiáng)力輸送帶在線監(jiān)測(cè)得到的圖像空間分辨率為1．0 mm×I．5 mm，圖像非均勻度
低于2．57 ，圖像灰度對(duì)比度良好，0．5 mm厚度鋼板灰度差約為13。解決了傳統(tǒng)的X光強(qiáng)力輸送帶無損檢測(cè)儀無法實(shí)
時(shí)在線監(jiān)測(cè)的問題，與電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀相比，監(jiān)測(cè)結(jié)果具有直觀、清晰等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：X光無損檢測(cè)；非均一性校正；強(qiáng)力輸送帶；線陣探測(cè)器
中圖分類號(hào)：TG1I5．28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10．3788／OPE．20111910．2393
Development of non--destructive tester for steel cord conveyor belts
RONG Feng ，M IAO Chang—yun，XU W ei
(Department of Information and Communication，
Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China)
*C0rrPs 0 g author，E-mail：Shushing 677@163．com
Abstract：A Non—destructive Test(NDT)for steel cord conveyor belts was developed by using an X
ray detector array．The principle of X—ray NDT was introduced and a collimator was used to eliminate
the X—ray scattering．An acquisition circuit for multi—channel parallel data was designed to achieve real—
time data acquisition．The reason for pixel non—uniformity of the linear array detector was discussed
and an algorithm to correct the pixel non—uniformity was established．Then a three—segmented correc—
tion algorithm with less computation and better correction effect was proposed based on the response
mode1．Experiments show that the spatial resolution of the image is 1．0 mm × 1．5 mm and the non—u—
niformity of the image is below 2．5 7 for a steel cord conveyor belt with a width of 2 m and a speed
of 3 m．Obtained image shows a good gray contrast，and its gray level difference for a 0．5 mm thick
steel is about 1 3．The new NDT has achieved the real—time online monitoring function，and has advan—
tages of intuitive，clear and SO on compared with the tester designed by electromagnetic monitoring
principles．
收稿日期：2010—11—03；修訂日期：2011—02—15
．
基金項(xiàng)目：天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(N0． 08ZCKFGX024OO)
徐學(xué)
光學(xué)精密工程 第19卷
Key words：X—ray non—destructive testing；non—uniformity correction；strength conveyor belt；linear
array detector
1 引 言
強(qiáng)力輸送帶(以下簡(jiǎn)稱輸送帶)是一種皮帶內(nèi)
部嵌入了鋼芯的輸送帶，是煤炭、冶金、碼頭等領(lǐng)
域普遍使用的一種運(yùn)輸工具。由于荷載量增加、
障礙物劃傷及老化等原因，輸送帶內(nèi)部鋼芯會(huì)發(fā)
生銹蝕、斷裂或接頭伸長(zhǎng)等故障。一旦發(fā)生故障
將會(huì)造成重大安全事故，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。強(qiáng)
力輸送帶無損檢測(cè)儀可以檢測(cè)輸送帶內(nèi)部鋼芯狀
態(tài)，對(duì)故障及時(shí)報(bào)警，避免事故的發(fā)生。
目前工業(yè)應(yīng)用的輸送帶無損檢測(cè)儀分為兩
類：依據(jù)電磁感應(yīng)原理的檢測(cè)儀和依據(jù)射線成像
原理的檢測(cè)儀。文獻(xiàn)[1]介紹了一種采用電磁感
應(yīng)原理研制的輸送帶檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀已在多個(gè)
國(guó)家得到了應(yīng)用，但這種檢測(cè)儀存在一定的缺點(diǎn)，
比如檢測(cè)結(jié)果通過數(shù)據(jù)與曲線進(jìn)行表示，不直觀；
對(duì)于輸送帶內(nèi)部帶有防撕裂保護(hù)網(wǎng)的皮帶不能檢
測(cè)等。文獻(xiàn)[2]介紹了一種采用X光無損檢測(cè)原
理設(shè)計(jì)的輸送帶檢測(cè)儀，這種檢測(cè)儀的檢測(cè)速度
較低，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。限制檢測(cè)儀檢測(cè)
速度的主要因素有兩個(gè)，一是探測(cè)器像元采集速
度不高；二是像元處理算法的運(yùn)算量大，實(shí)時(shí)處理
比較困難。隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展以及現(xiàn)場(chǎng)
可編程門陣列(FPGA)這類可以并行數(shù)據(jù)處理的
器件的出現(xiàn)，研制一種可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)輸送帶
的檢測(cè)儀已有了可能。
本文對(duì)x光無損檢測(cè)原理進(jìn)行了研究，通過
對(duì)輸送帶檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，消除了X光無損檢
測(cè)中散射對(duì)圖像清晰度的影響。采用線陣探測(cè)
器，并對(duì)線陣探測(cè)器進(jìn)行多路數(shù)據(jù)并行采樣，提高
了探測(cè)器的數(shù)據(jù)采集速度，解決了數(shù)據(jù)采集的實(shí)
時(shí)性問題。對(duì)線陣探測(cè)器像元的非均一化的成因
進(jìn)行了探討，對(duì)常用的非均一性的處理算法進(jìn)行
了研究，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀的具體情況提出
了基于響應(yīng)模型的-2A分段校正算法，并采用
ARM+FPGA的處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了所提出的算法。
本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀可以實(shí)時(shí)檢測(cè)強(qiáng)力輸送帶，檢
測(cè)的圖像清晰度比較高，均一化效果好，有較好的
應(yīng)用前景。
2 X 光無損檢測(cè)原理
X光在穿透物體過程中與物體相互作用，射
線的強(qiáng)度會(huì)衰減，衰減公式如式(1)。式中j。為
入射的射線強(qiáng)度，I為穿透物質(zhì)后的射線強(qiáng)度，T
為物質(zhì)的厚度，“為射線衰減系數(shù)，即射線通過單
位厚度物質(zhì)時(shí)與物質(zhì)相互作用的幾率，與射線能
量、物質(zhì)原子序數(shù)、密度相關(guān)。因此，通過檢測(cè)透
射的X光的強(qiáng)度即可獲得射線穿透的物質(zhì)的厚
度與原子序數(shù)等信息。
J===f0e一 ． (1)
輸送帶檢測(cè)儀的具體檢測(cè)原理如圖(1)所示。
入射光的強(qiáng)度為，。，經(jīng)過橡膠與鋼芯后出射光的
強(qiáng)度分別為I，，J 。具體公式如式(2)，(3)所示。
式中“ 表示橡膠的衰減系數(shù)，“ 表示鋼芯的衰
減系數(shù)，T為輸送帶的厚度，T0為鋼芯的厚度。
由式(2)，(3)可知，不同的出射光強(qiáng)度，通過輸送
帶下的光電探測(cè)單元轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)采集電路
轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而得到灰度值不同的圖像，通
過圖像就可以判斷鋼芯的厚度與通斷信息。
1一 o e-U1 ， (2)
J，一Jne-Ul‘ 一丁c + L e～2TO． (3)
不過，以上的情況并沒有考慮X光的散射問
題，事實(shí)上，由于存在瑞利效應(yīng)x光會(huì)發(fā)生散射，
散射射線參人成像即會(huì)導(dǎo)致圖像對(duì)比度的降低，
影響圖像質(zhì)量l3]。因此，在X光無損檢測(cè)系統(tǒng)中
消除散射效應(yīng)非常重要。
● ■ ▲
單元
圖1 強(qiáng)力輸送帶檢測(cè)原理示意圖
Fig．1 Schematic diagram 。f stee1 c0rd c0nVeYorb。lt
第1o期 榮鋒，等：強(qiáng)力輸送帶X光無損檢測(cè)儀的研制
3 檢測(cè)儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖2為本文研制的強(qiáng)力輸送帶無損檢測(cè)儀的
外觀結(jié)構(gòu)，其主要分為射線源、上準(zhǔn)直器、下準(zhǔn)直
器、線陣探測(cè)器4個(gè)部分。
輸送帶在上下準(zhǔn)直器之間運(yùn)行。射線源到輸
送帶與射線源到探測(cè)器之間幾何比例為1／1．5，
可以使檢測(cè)成像的橫向分辨率提高1．5倍。
上下準(zhǔn)直器由鉛板制作，鉛對(duì)X光的衰減率
非常高，主要用于消除X光的散射對(duì)圖像對(duì)比度
的影響，X光與物質(zhì)相互作用中由于瑞利效應(yīng)產(chǎn)
生的散射X光被準(zhǔn)直器抑制，沒有被探測(cè)器吸
收，故對(duì)成像無影響。另外準(zhǔn)直器也可以起到X
射線的防護(hù)作用。
線陣探測(cè)器掃描速度快，適合應(yīng)用于流水線
檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀采用線陣探測(cè)器。線陣
探測(cè)器的設(shè)計(jì)如圖3所示，它主要包含3部分，光
電轉(zhuǎn)換板(X—CARD)、數(shù)據(jù)采樣板(A／D board)、
數(shù)據(jù)處理與傳輸板(CU)。X-CARD主要用于將
X光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，每個(gè)X—CARD有64
pixel，多個(gè)X—CARD可以級(jí)聯(lián)，構(gòu)成任意長(zhǎng)度的
支架
探測(cè)器
圖2 檢測(cè)儀外觀結(jié)構(gòu)
Fig．2 Appearance of structure detector
探測(cè)單元。A／D board將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信
號(hào)，包含4路A／D，同時(shí)對(duì)4路級(jí)聯(lián)的X—CARD
進(jìn)行并行采樣，這種硬件結(jié)構(gòu)解決了數(shù)據(jù)的高速
采樣問題，可以提高系統(tǒng)成像的空間分辨率，并實(shí)
現(xiàn)檢測(cè)儀的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。CU 用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信
號(hào)的處理與傳輸，處理器為ARM+FPGA，F(xiàn)P—
GA實(shí)現(xiàn)對(duì)4路A／D的控制以及信號(hào)的濾波、均
一化校正等，ARM 將處理完數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳
輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行圖像顯示。
圖3 線陣探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖
Fig．3 Schematic diagram of linear array detector
4 檢測(cè)儀像元處理算法
4．1 線陣探測(cè)器像元非均一性的數(shù)學(xué)表達(dá)與原
因分析
在線陣探測(cè)器應(yīng)用中，期望光輻照強(qiáng)度相同
的情況下，各個(gè)像元的響應(yīng)或者輸出是一致的。
但是實(shí)際上在同樣強(qiáng)度的光的照射下，或者說探
測(cè)器上方遮擋同樣厚度同一種物體的情況下，探
測(cè)器的各個(gè)像元的響應(yīng)存在差異。這就是所謂的
探測(cè)器的非均一性。
線陣探測(cè)器的像元響應(yīng)可以由式(4)來表示，
表示第i個(gè)像元的輸出， 表示照射到第i個(gè)
像元的光的強(qiáng)度，R 表示該像元對(duì)光的轉(zhuǎn)換效
率，X 。表示該像元的本底噪聲。
Y 一R × +X (4)
首先，線陣探測(cè)器每個(gè)像元的X 是不一樣
的，主要原因有兩個(gè)，一是每個(gè)二極管的暗電流不
同，二是每個(gè)二極管后面的運(yùn)放電路存在差異。
其次，每個(gè)像元的R 是不一樣的，原因在于
光學(xué)精密工程 第19卷
每個(gè)像元由于工藝而存在差異，如像元尺寸大小
不一致、像元內(nèi)部參數(shù)存在差異等，事實(shí)上每個(gè)像
元的R 本身也不是常數(shù)，是隨著 的大小變化
的。
最后，在X光光源發(fā)出同樣強(qiáng)度的光的情況
下，到達(dá)各個(gè)像元的光的強(qiáng)度也不一樣，因?yàn)楣庠?
到各個(gè)像元的距離是不一致的。文獻(xiàn)E4-1對(duì)這個(gè)
問題進(jìn)行了細(xì)致的研究，結(jié)論為x光束流的強(qiáng)度
按照X光的出射角度進(jìn)行分布，即出射角度越
小，光的強(qiáng)度越大，因此到達(dá)線陣探測(cè)器中間的像
元的光強(qiáng)度要大于到達(dá)兩邊的光強(qiáng)度，這也是引
起探測(cè)器非均一性的一個(gè)因素。
探測(cè)器的非均一性使檢測(cè)得到的圖像存在灰
度不一的條紋，嚴(yán)重影響了圖像的質(zhì)量。非均一
性校正的目的是讓探測(cè)器在同樣光強(qiáng)度輻照下各
個(gè)像元的響應(yīng)一致。
4．2 線陣探測(cè)器像元非均一性的校正算法
目前，國(guó)內(nèi)外有很多文獻(xiàn)對(duì)線陣探測(cè)器的像
元非均一性的校正算法進(jìn)行了研究。主要可以歸
結(jié)為兩種算法。文獻(xiàn)[5]介紹的算法為兩點(diǎn)校正
法，該方法是目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的一種校正方
法。清華大學(xué)在研制集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用了線
陣探測(cè)器，并提出一種一分段插值校正法【6]。分
段插值校正法是兩點(diǎn)法的細(xì)化與深入，具有更精
確的校正效果。本文在分析了以上算法的基礎(chǔ)
上，同時(shí)考慮了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特性，提出了一種
基于探測(cè)器響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正法。該方法
使分段插值校正法進(jìn)一步細(xì)化并縮減了運(yùn)算量。
4．2．1 兩點(diǎn)校正算法
兩點(diǎn)校正法的原理如下，對(duì)式(4)加入光強(qiáng)度
角分布因素，則式(4)可以改寫為式(5)。式中
是像元與射線源的夾角，F(xiàn)( )是根據(jù)夾角計(jì)算出
的系數(shù)。
Y 一F( )×R × + X (5)
兩點(diǎn)校正法的前提是假設(shè)每個(gè)像元的R 與
F( )是一個(gè)常數(shù)。即每個(gè)像元的響應(yīng)是一條直
線，但各個(gè)像元響應(yīng)直線的斜率與截距是不一樣
的，校正的方法是時(shí)應(yīng)首先減掉每個(gè)像元響應(yīng)本
底噪聲，使截距變?yōu)?，然后不同像元乘上不同校
正系數(shù)，使像元響應(yīng)的斜率一致。各個(gè)像元的校
正系數(shù)計(jì)算公式如式(6)，校正后的輸出如式(7)。
豢 ， ㈣
：==K (y 一y 。) ， (7)
式(6)中yn為探測(cè)器沒有遮擋，開X光源情況下
采集到的所有像元輸出的均值，y 為第i個(gè)像元
的輸出值。y 為關(guān)閉光源所有像元輸出的平均
值，y 為第i個(gè)像元的輸出值。K 為第i個(gè)像元
的校正系數(shù)。式(7)為第i個(gè)像元校正后的輸出。
具體校正過程可由圖4表示，圖4(a)中表示3個(gè)
點(diǎn)的響應(yīng)，橫坐標(biāo)為照射到探測(cè)器的光強(qiáng)度 (與
探測(cè)器上方遮擋物體的厚度d成線性比例關(guān)
系)，縱坐標(biāo)為探測(cè)器的輸出。圖4(b)表示去掉
本底噪聲之后的響應(yīng)，圖4(c)表示3個(gè)點(diǎn)的響應(yīng)
乘上各自校正系數(shù)后校正完成。
顯然，兩點(diǎn)校正法在探測(cè)器響應(yīng)為線性的前
，r ／ i
㈣
2i
～
>
(a)原始響應(yīng)
(a)Original response
Y
／
／
一
(b)去掉本底噪聲
(b)Removing background noise
圖4 兩點(diǎn)校正法的示意圖
(c)乘校正系數(shù)
(c)By correction factor
提下，無論是由于像元的本身差異引起的圖像不
一致還是由于光的強(qiáng)度分布引起的圖像不一致，
都可以得到完全校正。但是探測(cè)器的響應(yīng)一般呈
非線性 ，即式(4)中的R 與F( )都不是一個(gè)常
數(shù)。在考慮到探測(cè)器響應(yīng)為非線性的情況下，提
出了一種分段插值校正法。
第i0期 榮鋒，等：強(qiáng)力輸送帶x光無損檢測(cè)儀的研制
4．2．2 分段插值校正算法
分段插值校正法是把非線性校正簡(jiǎn)化為分段
線性的一種校正方法，式(8)為校正公式，式中X
( )，X ( )，X ( 一 )表示第i個(gè)探測(cè)單元在光
輻射強(qiáng)度為 ， ， 一 情況下的輸出，y( )，
y( )為所有探測(cè)單元在光輻照強(qiáng)度為 一 ，
情況下輸出平均值，也就是在這種情況下的校正
輸出值，Y ( )為第i個(gè)探測(cè)單元校正后的輸出。
顯然，公式(8)表示的意義是在求取了光輻照強(qiáng)度
為 與 一 兩種情況下第i個(gè)探測(cè)單元的輸出
值與校正后的輸出值進(jìn)行線性插值來求取光輻照
強(qiáng)度在 與 一 之間的第i個(gè)探測(cè)單元的輸出
值。從本質(zhì)來說，分段插值校正法其實(shí)就是分段
兩點(diǎn)校正法。
Yi( )一妄 耄S三 (x ( )一x ( 一 ))+
麗． (8)
首先將探測(cè)器響應(yīng)分為若干段，求出每段的
兩個(gè)端點(diǎn)的校正輸出值，然后通過線性插值來求
該線段內(nèi)各種輸出下的校正輸出值。
校正的具體實(shí)現(xiàn)分為兩步，一是定標(biāo)，即求取
校正公式(8)中的各個(gè)校正系數(shù)；二是校正，即運(yùn)
用公式(8)對(duì)每個(gè)像元輸出值進(jìn)行校正。
定標(biāo)過程如下：假設(shè)將探測(cè)器響應(yīng)分為”段，
則需要制作厚度為 (1)，d(2)，d(3)直到d( 一
1)的”一1塊探測(cè)器遮擋板，在放置不同厚度遮擋
板時(shí)使探測(cè)器受光的輻照強(qiáng)度不一樣。放置厚度
為d(k一1)的遮擋板，采集N 次線陣探測(cè)器輸
出，將i個(gè)像元的輸出求和后取均值就可以得到
X ( 一 )，將N 次線陣探測(cè)器輸出的所有像元的
值求和后取均值，就可以得~mJy( 一 )，同樣方法
可以計(jì)算X ( )，Y( )。
校正過程如下：探測(cè)像元輸出值根據(jù)X (1)，
X ( )，X ( )等值分為 段，在探測(cè)器正常
工作時(shí)根據(jù)i個(gè)探測(cè)像元的輸出值確定分布在哪
一段，將該段校正系數(shù)代入式(8)對(duì)該像元輸出值
進(jìn)行校正。
分段插值校正法考慮了探測(cè)器的響應(yīng)非線
性，校正精度較高。但是存在如下問題：一是分多
少段合適，分段多，校正精細(xì)，運(yùn)算量大；分段少，
校正效果不好。二是如何選擇分段點(diǎn)，是在光強(qiáng)
度范圍均分，還是其他分段方法。基于以上考慮，
本文提出了基于響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正法
。
4．2．3 基于響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法
研究表明探測(cè)器的響應(yīng)一般呈s曲線 ]，如
圖5所示，即探測(cè)器的響應(yīng)曲線可以分為3段，光
強(qiáng)度比較弱或光強(qiáng)度比較強(qiáng)時(shí)，探測(cè)器響應(yīng)接近
飽和，探測(cè)器響應(yīng)曲線的斜率較?。还鈴?qiáng)為中間值
時(shí)，探測(cè)器響應(yīng)基本為線性?；谝陨涎芯浚疚?
提出一種基于“S”型響應(yīng)模型的三點(diǎn)分段校正
法，即對(duì)探測(cè)器響應(yīng)曲線分為三段進(jìn)行逼近校正，
具體的校正公式為式(8)。分段的位置為S曲線
的兩個(gè)拐點(diǎn)(圖5中 ， 兩個(gè)點(diǎn))，具體數(shù)值通
過探測(cè)器響應(yīng)曲線的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來確定。
校正過程同樣分為兩步，標(biāo)定與校正。與分
段插值校正法不同之處是本方法在標(biāo)定過程中首
先確定兩個(gè)響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)。具體過程如下：將
探測(cè)器的遮擋物的厚度逐步增加，使探測(cè)器接收
到的光強(qiáng)逐步減弱，得到圖5中的 值，同時(shí)對(duì)
探測(cè)器所有像元的輸出值進(jìn)行均值計(jì)算，計(jì)算的
值作為圖5中的y值，這樣就可以得到探測(cè)器的
響應(yīng)曲線。根據(jù)曲線確定y ，y。的值，同時(shí)求取
在y ，y：兩種情況下每個(gè)像元的均值X (I)，X
(2)，并由X (1)，X (2)來確定每個(gè)像元的分段
點(diǎn)。其余的校正實(shí)現(xiàn)與分段插值校正法一樣。
這種校正算法按照探測(cè)器的響應(yīng)將響應(yīng)曲線
分為三段，一是非常好地逼近了探測(cè)器的響應(yīng)曲
線，精度比較高；二是計(jì)算量也比較小，適合實(shí)時(shí)
性要求比較高的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
y
； 一
一
‘
yI
l
圖5 基于探測(cè)器響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法示
意圖
Fig．5 Diagram of interpolation correction method
4．3 基于響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法的FPGA
實(shí)現(xiàn)
線陣探測(cè)器像元數(shù)據(jù)采集與處理的平臺(tái)結(jié)構(gòu)
為ARM+FPGA，ARM采用三星公司ARM9系
光學(xué)精密工程 第19卷
列的$3C2440A，F(xiàn)PGA 采用Xilinx公司spartan3e
系列FPGA。ARM 與FPGA 之間通過總
線進(jìn)行通信_(tái)8]，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與校正，校正
完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA 內(nèi)部一塊雙口RAM
里，ARM 讀取FPGA 內(nèi)部數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給
計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過軟件將數(shù)據(jù)顯示為圖像。具
體算法實(shí)現(xiàn)如圖6所示，系統(tǒng)是四路A／D并行采
樣、處理，圖6中畫出了一路信號(hào)的采集與處理情
況，其他三路算法的實(shí)現(xiàn)方式與此完全相同。首
先是用一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)A／D的控制與數(shù)據(jù)的采
樣，ROM(1)內(nèi)部存儲(chǔ)各個(gè)像元的分段值，通過分
支判斷模塊來判定本次采集的數(shù)據(jù)應(yīng)該用哪一段
的校正公式進(jìn)行校正，減法器是實(shí)現(xiàn)式(8)中減去
X ( 一1)的運(yùn)算，ROM(2)，ROM(3)，ROM(4)
內(nèi)部存儲(chǔ)3個(gè)分段的乘法系數(shù)，即式(8)中的比值
部分的數(shù)值，加法器是實(shí)現(xiàn)式(8)加y( 一 )的運(yùn)
算，最后的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，由ARM通過總
線讀取。
圖6 一路數(shù)據(jù)校正算法的FPGA實(shí)現(xiàn)
Fig．6 FPGA implementation for single way correction algorithm
5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與工業(yè)應(yīng)用
5．1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)論
檢測(cè)儀的檢測(cè)性能指標(biāo)主要有三項(xiàng)，一是圖
像灰度對(duì)比度，二是圖像空間分辨率，三是圖像清
晰度。
圖像灰度對(duì)比度是指由于被測(cè)物體存在厚度
差，使射線的衰減存在差異，進(jìn)而使圖像的灰度值
產(chǎn)生差異。輸送帶內(nèi)部鋼芯由于長(zhǎng)久使用造成的
拉伸，鋼芯變細(xì)的程度是檢測(cè)儀檢測(cè)的一個(gè)重要
指標(biāo)，良好的圖像對(duì)比度可以分辨鋼芯變細(xì)的具
體程度。影響圖像對(duì)比度的因素有兩點(diǎn)，被測(cè)物
體的射線衰減系數(shù)和射線散射。被測(cè)物體的射線
衰減系數(shù)是固定的，因此射線散射成為影響圖像
對(duì)比度的主要因素，射線散射參入成像越少，圖像
對(duì)比度就會(huì)越高。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀采用準(zhǔn)直器
消除散射影響，提高圖像對(duì)比度。通過比較檢測(cè)
儀測(cè)量不同厚度的鋼板得到的灰度值來檢測(cè)系統(tǒng)
圖像對(duì)比度的優(yōu)劣，測(cè)量結(jié)果如表1所示，可見，
檢測(cè)儀對(duì)被測(cè)物體的厚度比較靈敏，0．5 ITlm厚
差異的鋼板，灰度值差約為13，因此系統(tǒng)的圖像
對(duì)比度效果達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 9770—2001對(duì)
輸送帶檢測(cè)的要求。
表1 圖像對(duì)比度實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)
Tab．1 Data from image contrast experiment
被測(cè)鋼板厚度／ram 測(cè)得的灰度值
0．5
l
l_5
2
4
18
31
44
空間分辨率反映了系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物體缺陷的最
小識(shí)別能力，空間分辨率與探測(cè)器像元的尺寸以
及像元采集速度有關(guān)。本文采用的探測(cè)器像元尺
寸為1．5 mm×1．5 mm。采用圖2所示的結(jié)構(gòu)設(shè)
計(jì)，成像橫向分辨率提高了1．5倍。采用圖3所
示硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成像的縱向分辨率在輸送帶3
m／s運(yùn)行狀態(tài)下可以達(dá)到探測(cè)器固有分辨率的極
限值1．5 miD-。因此系統(tǒng)成像空間分辨率為1．0
mmX 1．5 mm。在對(duì)輸送帶實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)情況下
得到的圖像分辨率符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 9770—
第lo期 榮鋒，等：強(qiáng)力輸送帶X光無損檢測(cè)儀的研制
2001中對(duì)輸送帶檢測(cè)分辨率的要求。
射線成像系統(tǒng)的圖像清晰度受很多因素影
響 ，但主要因素是像元非均一性的校正效果。
考察非均一性的校正效果有兩種方式，一是直觀
法，通過校正前與校正后圖像的對(duì)比來檢測(cè)校正
的效果，圖7(a)是未進(jìn)行校正的圖像，圖7(b)是
校正后的圖像，通過對(duì)比可以看出，圖像的非均勻
(a)校正前圖像
(a)Image before correction
(b)校正后圖像
(b)Image after correction
圖7 校正效果對(duì)比圖
Fig．7 Comparison chart of correction effect
性得到了較好的校正。二是通過對(duì)圖像的標(biāo)準(zhǔn)差
與非均勻度計(jì)算來定量的考察校正的效果，式(9)
是計(jì)算圖像標(biāo)準(zhǔn)差的公式，式中m， 為圖像的行
數(shù)與列數(shù)，z(i，J)為第i行 列的點(diǎn)的像素值，式
(10)中X為圖像所有點(diǎn)的灰度均值，式(11)為圖
像非均勻度的計(jì)算公式。圖像的標(biāo)準(zhǔn)差與非均勻
度是說明圖像數(shù)據(jù)分散程度的一個(gè)數(shù)據(jù)，它越大
說明圖像灰度越不均勻。表3是對(duì)遮擋3種不同
厚度的鋼板采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到的校正前
后的圖像的標(biāo)準(zhǔn)差與非均勻度，通過對(duì)比可以發(fā)
現(xiàn)圖像的非均勻性得到了有效校正，由未校正前
的13 降到低于2．57 。在同樣的測(cè)試條件下
采用二點(diǎn)法得到的非均勻度約為6．3 。采用分
段插值校正法，按照光照強(qiáng)度均分得到分段點(diǎn)，在
分段高于7段的情況下，響應(yīng)曲線拐點(diǎn)處的非均
勻度與本文所用方法相當(dāng)。分段低于7段情況
下，拐點(diǎn)處的校正非均勻度高于3 ，其他段校正
效果基本相當(dāng)。因此本文所用方法在縮減了一半
以上運(yùn)算量，節(jié)約一半以上內(nèi)存的情況下可以達(dá)
到與分段插值校正法同樣的校正效果，有助于系
統(tǒng)檢測(cè)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)。
√ (X )_ ，(9)
X一— 一Σ ΣX( ，J)， (10)
^ n i=1，= l
CV~-- × 100 ． (11)
表2 圖像非均勻性測(cè)量數(shù)據(jù)
Tab．2 Experimental data from image non-uniformity
5．2 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用
輸送帶無損檢測(cè)儀后在山西、內(nèi)蒙、遼寧等多
個(gè)地區(qū)的煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用表明
系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠；同時(shí)也證明檢測(cè)儀可以對(duì)安
全隱患進(jìn)行預(yù)警。圖8(a)是在山西某煤礦采集
到的圖像，輸送帶的運(yùn)行速度為2．6 m／s，寬度為
1．2 m。圖像內(nèi)部亮點(diǎn)處顯示的是輸送帶內(nèi)部數(shù)
根鋼芯由于劃傷造成了斷裂，輸送帶無損檢測(cè)儀
及時(shí)發(fā)現(xiàn)了問題，消除了潛在的安全隱患。圖8
(b)是內(nèi)蒙某煤礦采集到的圖像，輸送帶的速度
為3 m／s，寬度為1．6 m。圖像顯示的是皮帶鋼芯
(a)輸送帶內(nèi)部鋼芯斷裂圖片
(a)Picture of internal steel~'cord fracture
2400 光學(xué)精密工程 第19卷
(b)輸送帶接頭搭接不規(guī)范圖片
(b)Picture for non-standard connector
圖8 現(xiàn)場(chǎng)采集到的輸送帶的圖像
Fig．8 Conveyor belt image collected in industrial site
接頭部分，接頭中間部分?jǐn)?shù)根鋼芯的搭接不合乎
規(guī)范，鋼芯沒有交叉，強(qiáng)度不足，存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。
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6 結(jié) 論
本文研制了一種新型的輸送帶無損檢測(cè)儀，
使用準(zhǔn)直器解決了X光無損檢測(cè)的散射問題，多
路并行數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了數(shù)據(jù)高速采
集問題。用提出的基于探測(cè)器響應(yīng)模型的三點(diǎn)分
段校正算法對(duì)圖像進(jìn)行了有效校正。結(jié)果表明，
輸送帶無損檢測(cè)儀可以對(duì)高速運(yùn)行的輸送帶進(jìn)行
實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、直觀。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)
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第1o期 榮鋒，等：強(qiáng)力輸送帶X光無損檢測(cè)儀的研制
作者簡(jiǎn)介
榮 鋒(1979一)，男，山東日照人，博
士，講師，主要研究方向?yàn)闊o損檢測(cè)技
術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。E—mail：Shus—
hing 677@ 163．corn
苗長(zhǎng)云(1962一)，男，遼寧人，教授，博
士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o損檢測(cè)技
術(shù)、現(xiàn)代通信網(wǎng)與現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)
用。E-mail：miaochangyun@tjpu．edu．
徐偉(1984一)，男，安徽蕪湖人，碩
士，講師，主要研究方向?yàn)楣怆娮蛹夹g(shù)、
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：xuwei@
tjpu．edu，cn．
(本欄目編輯：李自樂)
●下期預(yù)告
微尺度激光噴丸強(qiáng)化TiN涂層的實(shí)驗(yàn)研究
周建忠，衛(wèi)登輝，黃舒，朱偉，樊玉杰
(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)
微尺度激光噴丸強(qiáng)化是在宏觀激光噴丸強(qiáng)化的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種主要應(yīng)用于金屬微構(gòu)件表面
處理的新技術(shù)，其采用的激光光斑尺寸在微米量級(jí)，脈沖激光能量在微焦到毫焦范圍。為了進(jìn)一步提高
TiN涂層的表面性能，對(duì)TiN涂層表面進(jìn)行了微尺度激光噴丸強(qiáng)化處理。利用光學(xué)輪廓儀和納米力學(xué)
測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了不同激光工藝參數(shù)作用下，TiN涂層噴丸區(qū)域的表面形貌、納米硬度及彈性模量分布。
結(jié)果表明，噴丸區(qū)域形成了最大深度約1．2 m的圓錐形凹坑；納米硬度和彈性模量在噴丸中心處變化
最大并在一定范圍內(nèi)隨著激光能量的增大而增大，當(dāng)激光能量為250 mJ時(shí)，兩者最大分別達(dá)到5O．21
GPa和402．8 GPa，與初始狀態(tài)相比分別提高了140 和43．9 。
目

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10-02