粗糙表面試件的光學測量及光磁復合檢測方法

楊　蕓,張繼楷,濮海明,康宜華

(華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074)

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粗糙表面試件的光學測量及光磁復合檢測方法

楊蕓,張繼楷,濮海明,康宜華

(華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074)

摘要：在電、磁、聲無損檢測中，被檢工件表面狀態對檢測結果的精確評判有較大影響。為提高電磁無損檢測的精度，提出了光磁復合無損檢測方法，將基于線結構光表面粗糙度和形貌的自動測量數據以及漏磁檢測數據進行融合，以消除表面狀態對檢測評判的影響。試驗結果表明，對于表面粗糙的工件，結合光學表面測量結果可在一定程度上提高漏磁檢測信號的信噪比，進而提升微細裂紋的檢測能力；當工件內外表面均存在缺陷時，光磁復合檢測方法可有效實現內外傷的區分。

關鍵詞：結構光測量；漏磁檢測；光磁復合；內外傷區分

電磁無損檢測廣泛應用于各行各業的質量控制中[1]。當工件表面狀態不同時，電磁檢測能力和可靠性會有差別，甚至會造成漏檢或誤判。已有研究表明，在被測工件表面質量不佳(如表面銹蝕、表面較粗糙)時，漏磁檢測靈敏度及信號信噪比會降低,超聲測厚中回波幅值減小甚至不能有效實施檢測,渦流檢測中表面狀態直接影響渦流分布且產生底波干擾信號從而導致檢測靈敏度降低。但已有研究主要圍繞表面粗糙度或表面腐蝕對電磁無損檢測結果的影響進行了分析，提出相應改善措施的研究卻較少[2-3]。

近年來，結構光測量技術因其非接觸、測量速度快、測量精度較高、便攜且成本較低等優點被廣泛應用于各個領域[4-5]。根據測量所需的攝像頭數目，其又可分為單目法、雙目法及多目法。多目法采用的攝像機較多，可有效減少掃描盲區，使得特征點間的匹配更容易，提高了匹配可靠性，但成本高、計算復雜，實際應用較少。

筆者基于線結構光表面自動測量方法，針對粗糙表面試件提出了光磁復合無損檢測方法。并且，對比分析了結構光表面測量與漏磁檢測的復合在信號信噪比提升和內外傷區分中的應用效果。

1光表面自動測量方法

1.1線結構光表面測量方法

結構光表面測量方法屬于光學投影式三維輪廓測量方法。使用此方法時，向被測物體投射一個載頻條紋的結構光，利用成像設備從其他角度記錄被測物體高度調制的變形條紋圖像，再從獲取的條紋圖中數字解調重建出被測物體的表面三維輪廓。

線結構光掃描(見圖1)檢測是一種主動視覺測量，其工作原理為:激光器投射線結構光到被測物體表面，在被測物體表面形成一條亮光帶；攝像機從另一角度拍攝光帶圖像,攝像機獲取的光帶圖像如圖2所示。確定攝像機內部參數及攝像機與線結構光投射面之間的位置關系后，就可以根據獲取的光帶條紋圖像，計算出被測物上光帶的物理坐標。保持相機、激光器不動，物體沿垂直于激光器投射平面平移，即可獲得被測物體表面測點的物理坐標。

圖1　線結構光掃描模型

圖2　攝像機獲取的條紋圖像

1.2線結構光表面自動測量平臺

由于研究對象為鋼板及鋼管，采用單目視覺結構光測量方法就可滿足需求，試驗選用大恒圖像公司的Gocator 2300 系列線結構光與攝像頭一體式的表面測量智能傳感器。要實現物體表面輪廓的三維掃描，線結構光與物體之間需要相對運動。圖3所示為線結構光表面自動測量簡易平臺結構示意。

圖3　線結構光表面自動測量簡易平臺結構示意

依據被測物體高度，調節結構光表面測量儀至其工作范圍的垂直高度并固定。將測試平臺作為基準面進行校準，完成儀器校準后將被測物體固定在測試平臺上。測量過程中，測試平臺帶著被測物體沿水平方向勻速移動。攝像頭獲取到的物體表面數據經由結構光測量儀后續處理軟件，可得到被測物體三維輪廓，圖4為具有表面紋理的鋼板和表面腐蝕坑的鋼管的輪廓。結構光表面自動測量方法可準確得到工件表面的三維輪廓，對于表面缺失及體積型缺陷能起到測量和定位作用。

圖4　鋼板和鋼管表面的三維輪廓

2光磁復合檢測應用

結構光測量和電磁無損檢測技術日趨成熟，但仍然存在各自的應用局限。筆者針對電磁無損檢測在實際應用中遇到的問題，結合結構光測量和電磁無損檢測技術各自的優勢，提出了光磁復合無損檢測方法，并進行相關的應用研究。

2.1基于光學測量的漏磁檢測信號信噪比提升

工件表面粗糙度是影響漏磁檢測性能的主要因素之一，當表面粗糙度較大時，工件表面漏磁檢測信號信噪比明顯降低，增加了裂紋信號識別難度，尤其影響微細裂紋信號的后處理和判別。

2.1.1試驗試件

采用表面經過立銑加工的鋼板作為試件。經表面粗糙度儀多次測定，其表面粗糙度Ra為50 μm，且鋼板表面刻有三個寬度均為0.3 mm，長度均為25 mm，深度不同的人工刻槽(見圖5)，刻槽由左至右的x方向坐標依次為64，112.5，153.5 mm。

圖5　鋼板表面人工刻槽示意圖

2.1.2試驗方法及結果

漏磁傳感器選擇點式探頭，磁化方式選擇局部磁化。將點傳感器固定于圖3所示的簡易平臺上，且保證點傳感器與試件表面接觸，位于鋼板y軸50 mm坐標處。點傳感器與結構光測量儀均固定不動。被測鋼板沿x軸(水平方向)勻速移動。點傳感器依次經過由淺至深的三個人工缺陷，得到漏磁檢測信號如圖6所示。

圖6　點傳感器得到的試件漏磁檢測信號

被測鋼板沿x軸(水平方向)勻速移動過程中，鋼板表面也依次經過線結構光的正下方，通過一體式結構光測量儀得到試件表面三維輪廓數據點。依據漏磁傳感器敏感點在鋼板上實際的掃查路徑，提取分析得到同一路徑上試件表面在z方向上的變化曲線，如圖7所示。

圖7　掃查路徑上對應的試件光學測量結果

2.1.3試驗結果分析與處理

將圖6中由淺至深的三個人工缺陷對應的漏磁檢測信號進行計算，得到三個裂紋信號的信噪比分別為2.14,5.67,9.54 dB，可見裂紋信號的判別難度增加，尤其對于0.5 mm深的刻槽而言是極易發生誤判的。

由圖7可知,在試件表面,點傳感器掃查經過的地方在z軸方向的坐標是有差異的。其中，主要是在試件表面因立銑加工而形成的表面粗糙處，光學測量結果中向下的突變信號說明對應坐標處存在缺陷。由于光學測量方法只對表面缺失和體積型缺陷有較好的測量效果，對于深寬比較大的表面裂紋，只能起到定性的判別；故圖7中對應三處的裂紋可清晰辨識，但裂紋測得深度均小于實際深度。

由以上分析可知，對于粗糙表面的被測件，漏磁檢測信號的后處理及裂紋判別難度較大，而光學測量手段主要針對被測件表面的三維輪廓。只有將漏磁檢測方法和光學表面測量方法結合起來才能更好地評判被測件表面狀態(包括表面輪廓及表面裂紋)。首先，可借助光學測量結果對被測件表面的粗糙狀態進行一個初步判別，得知被測件表面粗糙的位置與漏磁信號的噪聲信號位置十分對應。其次，根據光學測量結果可得到被測鋼板的表面粗糙度沿x軸方向的變化情況。將漏磁檢測信號與光學測量結果進行融合，結合矩形窗函數濾除漏磁檢測信號中由表面粗糙度引起的噪聲信號。由于傳感器沿鋼板表面x軸的相對坐標與時間變量呈線性關系，矩形窗函數可由以下函數代替：

(1)

式中:xa和xb分別為漏磁測量結果對應缺陷在x軸上的起始和結束坐標，文中三個裂紋分別對應三組xa和xb取值。

將所得漏磁檢測原始信號進行窗函數處理后的結果如圖8所示。

圖8　處理后的試件漏磁檢測信號

由上述處理結果可知，粗糙試件表面的三個人工裂紋信號清晰可辨，漏磁檢測信號的信噪比得到了明顯的提升，提高了微細裂紋的檢測能力。

2.2基于光學測量的漏磁檢測的內外傷區分

在漏磁檢測中，被測件內外傷的區分能力是一個重要的指標。檢測系統依據信號特征對缺陷進行內外傷劃分后，內傷和外傷分別采用不同的報警門限對被測件進行質量評估，同時內傷和外傷采用各自對應的解析方案對檢測信號進行定量分析。內外傷區分的可靠與否直接決定了被測件質量評估和漏磁檢測信號定量分析結果的準確性。內外傷100%區分是至今漏磁檢測應用領域亟待解決的問題。

2.2.1試驗試件

內外傷區分能力是鋼管漏磁檢測標準中的重要要求之一，選擇的鋼管外徑為89 mm，鋼管壁厚10 mm。鋼管外壁刻有兩個周向刻槽，內壁有一個周向人工刻槽，刻槽周向長度均為25 mm。考慮到光學表面測量能有效判定表面缺失型缺陷,結合光學表面測量儀的分辨率，缺陷寬度均設定為1 mm，缺陷深度及軸向位置如圖9所示。

圖9　鋼管剖面內外傷示意

2.2.2試驗方法及結果

為便于分析，取鋼管表面靠近缺陷的地方為檢測起始零點，如圖9中所示。漏磁傳感器選擇點式探頭，磁化方式為穿過式線圈磁化。磁化線圈和傳感器置于圖3所示平臺之外，線圈中心軸方向與平臺可移動方向一致。傳感器和線圈固定不動，移動平臺帶動固定在其上的鋼管沿x軸勻速移動，點傳感器依次經過三個人工缺陷，得到漏磁檢測信號如圖10所示。

圖10　鋼管內外傷漏磁檢測信號

被測鋼管沿x軸(水平方向)勻速移動過程中，線結構光掃過鋼管表面，通過一體式結構光測量儀得到試件表面三維輪廓數據點。依據漏磁傳感器敏感點在鋼板上實際的掃查路徑，提取分析得到同一路徑上試件表面在z軸方向上的變化曲線，如圖11所示。

圖11　掃查路徑上對應的鋼管光學測量結果

2.2.3試驗結果分析與處理

圖10中，三個缺陷的信號清晰可辨，由于試驗中人工刻槽的位置是已知的，可知由左至右三個信號分別與外傷1、內傷及外傷2對應。其中，內傷信號不僅小于深度更淺的外傷1信號，而且也遠小于同樣深度的外傷2信號。可見,若缺陷是未知的，則只通過漏磁檢測信號是無法對內外傷進行準確區分的。

圖11為傳感器掃查路徑上對應的鋼管表面光學測量結果。圖中兩個向下的信號均說明對應坐標處的鋼管表面存在開口型缺陷。由于缺陷深寬比較大，光學測量結果得到的缺陷深度均小于實際深度。

根據光學檢測的特點，其只能反應鋼管表面的狀態，可通過光學測量結果中的突變信號判斷缺陷出現的位置。將漏磁檢測結果與光學測量結果進行對比分析，可得到內外傷區分的方法。即同一位置處，既有光學向下的突變信號，又有漏磁檢測信號，則為外傷；若無光學突變信號，只有漏磁檢測信號，則為內傷。按照此方法可判別得到圖10中由左至右三個信號分別對應的是外傷、內傷及外傷，該結果與試驗設定值一致，說明了采用光磁復合方法進行內外傷區分的方法是可行的。

2.3光磁復合檢測方法的討論

以上兩種光學表面檢測與漏磁檢測復合的應用研究中，對常規漏磁檢測結果的處理及判定均取決于光學表面檢測的結果，故光磁復合檢測方法的綜合靈敏度和可靠性與光學測量方法的精度直接相關。對于深寬比較大的微細裂紋，光學表面測量結果主要反應工件表面狀態，更有利于微細裂紋漏磁信號的提取；缺陷開口寬度在結構光分辨能力范圍內時，光學測量方法可對該類缺陷實現定性和定位判別；對于內外缺失型的缺陷(如寬度較大的刻槽和腐蝕坑點)，光學測量方法可準確得到外壁缺失型缺陷的三維輪廓，有助于漏磁結果的內外傷判別。

由于光學測量可以較好地反應工件表面幾何狀態，工件表面的幾何狀態與漏磁檢測信號之間的對應關系是后續待深入研究的問題，該對應關系將會更加有利于漏磁檢測信號的解析。

3結論

(1) 結構光表面自動測量方法可準確得到工件表面三維輪廓，對于表面缺失及體積型缺陷能起到測量和定位作用。

(2) 對于粗糙表面的工件，當裂紋深度大于表面粗糙度值時，光學測量結果和漏磁檢測信號的融合處理，能消除工件表面粗糙度對漏磁檢測信號的影響，從而有效提升表面裂紋漏磁檢測信號信噪比。這種處理方法，對微細裂紋的檢測尤其有效。

(3) 光磁復合檢測方法可有效地進行內外缺失類缺陷(如寬度較大的刻槽和腐蝕坑點)區分。具體方法為，同一位置處，既有光學測量的突變信號，也有漏磁檢測信號，則為外傷；若只有漏磁檢測信號，則為內傷。

參考文獻:

[1]康宜華,武新軍.數字化磁性無損檢測技術[M]. 北京:機械工業出版社,2006.

[2]于敏. 銹蝕鐵磁材料表面的極微裂紋信號的聚類與提取[J]. 中國電機工程學報,2004:145-149.

[3]于敏, 胡紅利, 孔忻,等. 粗糙表面鐵磁性棒材微裂紋檢測與信號處理技術研究[J]. 西安交通大學學報. 2001,35(8):780-784.

[4]王鵬. 線結構光三維自動掃描系統關鍵技術的研究[D]. 天津:天津大學, 2008.

[5]吳慶華. 基于線結構光掃描的三維表面裂紋在線檢測的理論與應用研究[D]. 武漢:華中科技大學, 2013.

Optical Measurement and Optical-magnetic Composite Detecting Method of Specimen with Rough Surface

YANG Yun, ZHANG Ji-kai, PU Hai-ming, KANG Yi-hua

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：In the electrical, magnetic and acoustic nondestructive testing (NDT), the surface state has great influence on the accurate discrimination of the testing results. In order to eliminate the influence of surface state on the discrimination and increase the accuracy of the electromagnetic NDT, the optical-magnetic composite detecting method was proposed in this paper based on the data fusion of the linear structured light surface automatic measurement and the magnetic flux leakage (MFL) testing results. The experiment results show that, the SNR of MFL testing signal is improved with the combination of the optical measurement results when the surface of the workpiece is rough, thereby improving the detecting ability of the tiny cracks. And the optical-magnetic composite NDT method is effective in the discrimination of the internal and external defects according to the results.

Key words:Structure-light measurement; MFL testing; Optical-magnetic composite; Discrimination of the internal and external defects

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)04-0054-04

DOI:10.11973/wsjc201604014

作者簡介：楊蕓(1990-)，女，博士研究生，研究方向為無損檢測技術及儀器。通信作者:康宜華(1965-)，男，博士生導師，研究方向為無損檢測技術及儀器，E-mail：yhkang@263.net。

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51475194，51275193)

收稿日期：2016-01-07