CN100472175C - 轮胎检验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开这里描述的是用于检测轮胎中异态的异态检测器装置(10)，它包括：把光(27)直接照射到轮胎表面(24)的相干光光源(18)，照射的光从轮胎被反射(32)；可挤压轮胎的应力装置；用于在轮胎处于应力和无应力条件时接收从轮胎直接反射回来的光(32)的反射光接收装置(40)；比较在轮胎处于应力和无应力时来自反射光接收装置(40)的反射光的图像、从而确定轮胎中的异态并由该比较产生输出信号的处理器(44)；以及以电子方式连接到处理器以显示来自处理器的输出信号的显示装置(46)。

Description

轮胎检验装置和方法
技术领域
本发明涉及无损检测(NDT)。特别地，本发明涉及利用计算机对被检测轮胎的图像进行自动输出显示的轮胎检测。
背景技术
很多年来，用于校准错位图示/全息轮胎检测机器的标准作法一直是ASTM F136492。这种检测方法描述了一种用于验证干涉激光成像无损轮胎检验系统的异态检测能力的校准设备的结构和用法。由这种检测技术得到的一种典型的错位图示干涉图样如图1所示。
如已经在美国专利6,433,874中描述的，错位干涉或错位图示技术利用同一物体的两个横向位移图像的干涉以形成干涉图像。常规的错位图示方法要求在物体处于无应力或第一应力条件下时获取第一干涉图像(或基线图像)，且在物体处于第二应力条件时获取另一干涉图像。这两种干涉图像(优选地用图像相减的方法)的比较，在称为错位图的单个图像中展现了关于物体的应变集中以及因此的完整性的信息。图1显示的图像是通过干涉技术获取的两个横向位移图像的直接结果。这里获取的图像和轮胎中的异态并不成比例。此外，1.7毫米量级的非常微小的异态在如图1所示的错位图中不易发现。
某些用于错位图示的系统具有如‘874专利的计算机化系统的显示器的输出端，而其中许多被使用的系统具有极其昂贵且要求特殊的观测设备的高感光胶片输出端。此外，基于胶片的错位图示检测机器(以及单独的轮胎检测)通常非常昂贵，因此在单个车间的企业中应用的数量有限。
‘874专利的电子式错位图示术是基于美国专利号4,887,899中描述的错位图示术，该错位图示术所描述的装置把从检测物体反射回来的光穿过双折射材料和偏振器传送，从而产生干涉图像。该双折射材料把一束光射线分成两束射线并使其偏振，使得从两点上反射回来的光线有可能彼此干涉。因此物体上的每点都产生两束射线，从而产生由于同一物体的两个横向位移图像的光学干涉而形成干涉图像。
这里需要能便于直接测量且允许轮胎中的异态的量化分析或可测量性的改进的轮胎检验技术和装置。
这里需要从不依赖于干涉图或专有光学器件的轮胎检测仪器获取输出信号，从而使该检测技术准确地描述和识别异态。
这里需要允许使用相干光的轮胎检测技术和装置，该相干光的反射可由廉价的仪器捕获并使用通常可获得的计算机系统来显示。
因此本发明的一个目的是提供一种有效的轮胎检测技术和装置，该技术和装置能便于直接测量，以及轮胎中的异态的量化分析或可测量性。
本发明的一个目的是提供一种不依赖于干涉图来准确地描述和识别异态的轮胎检测技术和装置。
本发明的一个目的是提供允许使用相干光的轮胎检测技术和装置，该相干光的反射可由廉价的仪器捕获，并使用无需利用横向位移图像而仅仅利用该异态的单个图像作为输出的通常可获得的计算机系统来显示。
发明内容
这里描述的是用于检测轮胎中异态的异态检测器装置，它包括：把光直接照射到轮胎表面的相干光光源，照射的光从轮胎被反射回来；可挤压轮胎的应力装置；用于在轮胎处于应力和无应力条件时接收从轮胎直接反射回来的光的反射光接收装置；比较在轮胎处于应力和无应力时来自反射光接收装置的反射光的图像，从而确定轮胎中的异态并由该比较产生输出信号的处理器；以及以电子方式连接到处理器以显示来自处理器的输出信号的显示装置。
这里还描述了一种用于检测轮胎中的异态的方法，它包括：提供相干光光源；把光直接照射到轮胎表面，从而产生从轮胎反射回来的光；挤压轮胎；提供用于在轮胎处于应力和无应力条件时接收从轮胎直接反射回来的光的反射光接收装置；提供用于捕获并比较在轮胎处于应力和无应力时来自反射光接收装置的反射光的图像，并由该比较产生输出信号从而确定轮胎中的异态的处理器；以及显示来自以电子方式连接到处理器的装置的处理器输出信号。
这里还描述了轮胎的异态的图像，包括：计算机的输出信号，其中该输出信号是来自相干光光源的反射的单个散射光束，该相干光直接照射到轮胎表面，其中该轮胎表面在轮胎处于应力和无应力条件时被光照射；输出信号是照射到处于应力和无应力条件或处于多种应力条件下的轮胎上的反射光相比较的结果；以及该输出信号被描绘为从照射到轮胎上的相干光的单个散射光束获取的异态的单个图像。
附图说明
本发明的这些以及其它目标、特点和优点将通过以下的具体描述、所附的权利要求和附图而更为清楚，其中：
图1是现有技术的错位图。
图2是本发明装置的示意图。
图3A是轮胎处于无应力条件下的轮胎检测仪器的示意图；
图3B是轮胎处于应力条件下的轮胎检测仪器的示意图；
图4A是图4B的图例。该图例用来为捕获的、受到图4B中使用的步骤序列之中的各个层面影响的轮胎的图像来命名。
图4B是在施加通常的应力条件，例如真空的应用时，计算机捕获和处理无应力和有应力条件下的不同图像的计算序列的方框图；
图5是显示了被用作检测物体的校准模块以及本发明的方法的轮胎检测装置的典型输出信号。
具体实施方式
定义：
异态被定义为轮胎中的瑕疵，该瑕疵一般可被描绘为由于轮胎元件的厚度变化而产生的硫化轮胎中所含的空气；轮胎中的气孔和真空、缺口、轮胎的欠硫化、所含的空气和气泡；较低的布层间粘合、较差的带线绳粘合、裸线、断的带线绳、以及机器制造误差。
位图是与显示屏上显示的图像逐比特对应的数据文件或数据结构，优选地与在显示器的视频存储器中存储时的格式相同，或者可选地为独立于设备的位图。位图的特征在于以像素为单位的图像的宽度和高度，以及可以决定所能表示的灰度级或颜色的每个像素中的比特数。
相干光是具有单一波长、频率和相位的光。它还是具有相同或者几乎相同的波长、以及在场内不同的点之间具有确定的相位关系的辐射电磁能。
差分帧或者还称为德尔塔帧是指仅包含不同于先前的关键帧的像素的动作帧。
散射器是通过允许检测到轮胎上的入射光的半透明材料传送光的装置。
干涉仪这种仪器中，来自光源的光被分为两束或多束，随后在不同的路径上传播之后再重新合并在一起并显示出干涉。
激光器是产生由于光子激励发射而引起的相干单色光束的设备。该光束具有单一波长和频率。能够产生该效应的材料是特定的高周期晶体，如红宝石、钇石榴石、掺有稀土离子的金属钨酸盐或钼酸盐；如砷化镓、掺钕玻璃的半导体；各种气体，包括二氧化碳、氦、氩、氖、以及等离子体等等。
术语横向位移是指看来是两个或并排的图像，但实际上是单个异态正的和负的光学干涉。此外，横向是指并排但依赖于设备中的光学元件的方位，可以为任何角度。
在这种无损检测(NDT)形式中，无损是指这样一种检测技术，其中被检测物体易于受到应力元件的影响，且在检测结束时该物体基本回复到初始状态。
处理器是一种设备或软件，通常为中央处理单元；它还可以是计算机或连接编辑程序等把某些输入转换为某些输出的程序；它便于图像的比较；它可以是使用嵌入式指令来执行该比较的电路设备。
应力元件是指把应力或应变施加于物体以产生该物体相对于其初始状态的变化。该应力可采取真空的使用、光的使用、气体的使用、允许弯曲的机械力的使用、使轮胎振动的声学声响的应用、或者一些其他的振动技术的形式。
大体上，本发明的装置和方法可以如下描述：
轮胎的内表面是漫反射表面，与镜面反射表面的镜子不同。被激光照亮的漫反射比镜面反射表面上的散斑图更明显。来自异态区域的反射在应力循环期间因为表面变形而发生变化。借助于摄像机在该循环期间捕获到的多个图像，计算机可使用如图4A和图4B中描述的软件算法来处理图像信息。在本发明中，光并不穿过双折射材料或错位光学材料传递。
本发明典型的检测装备如下所示：待检验的轮胎被水平放置在真空容器内的圆盘上。通常可获得的工业数字摄像机置于轮胎的中央以便于观察轮胎内表面的区域，如可从加拿大安大略省渥太华市的Lumenera公司(Lumenera.com)获得的LU-205C型摄像机，该摄像机为具有能提供40帧/秒的SVGA(800×600)子采样的2.0兆像素颜色。该数字摄像机使用通常可获得的透镜把轮胎区域反射的散斑图图像聚焦到数字图像传感器上。
用电缆连接摄像机和计算机。图像信息通过该电缆发送到计算机存储器。来自存储器的图像可在计算机显示器上近似实时地被观测，即在图像被该装置捕获和处理时。
一般来说每个图像都将存储为存储器中的黑/白位图文件，从而用8比特来存储每个图像传感器图片单元、或像素、数值的灰度级。同样，计算机显示器上观测的图像将采取8比特灰度位图显示图像的形式，该图像与存储在存储器中的图像一样与位图图像相对应。与显示的图像的每个像素相关联的可能的灰度8比特数值有28＝256个(十进制数从0到255)。十进制数值“0”，如它直接表示的单个显示器的图像像素的灰度级，对应于作为最暗的灰度像素的黑色像素。类似地，十进制数“255”表示最亮的灰度像素，即“白色”像素。剩余的0到255之间的数字值表示从暗到亮的灰度级的级数。
注意，恰好相等的两个数字图像对每个图像像素将具有从0到255的相同数字值。相反，两个不相等的数字图像将不会对每个图像像素都具有相同的数字值。两个恰好相等的数字图像的每个相应图像像素之间的算术差为0。这意味着对两个相等数字图像进行差分而得到的差分图像将显示为完全的黑色图像。对两个不同的数字图像进行差分而得到的差分图像不会是完全的黑色图像。图像差分功能提供了用于观察两个数字图像之间的细微差别的一种工具。
在一种实施例中，应力元件是利用真空。与轮胎的给定区域相关联的散斑图将随轮胎表面的微小形变而变化。这种表面形变发生在真空检测容器内的压力下降并且板层间隔内的空气扩张时，从而在内轮胎表面上产生形变。
从实际来讲，如果在不同的真空水平下截取两个图像，那么存在有隐含设置的板层间隔的轮胎表面区域的两个散斑图图像将是不同的。而且这两个图像仅在与板层间隔相关联的形变区域内在数字上是不同的。这两个图像的差分图像在除了发生形变的范围内的任何地方都是黑色的。在图像的形变区域内将是各种梯度的灰色像素。该形变区域在差分图像中是可见的。
在该检测方法的一种实施例中，截取被激光照亮的轮胎内表面区域的六个图像，其中每个图像以六分之一真空水平截取。该激光器是加拿大安大略省多伦多市World Star Tech(worldstartech.com)提供的具有808nm(纳米)波长的UH5-200808型激光器。第一个图像将在0.0”Hg(大气压)时被截取。所述的第一个图像将被称为基线图像。剩下的五个图像将分别在0.5、1.0、1.5、2.0、以及最终在2.5”Hg时截取。这六个图像将存储在计算机存储器中。随后的五个差分图像将通过始终把基线图像用作要进行差分的两个图像中的一个来获取。用来产生五个差分图像的其它图像将是五个非基线图像。五个差分图像中的每个都将被处理以滤除噪声以及增加比较度/亮度。还可使用其它的处理过程。可用的或者定制的图像处理软件的任意组合包括：自动异态检测、特殊效果、滤波、降噪、锐化、扩大、着色、正片或负片等等。所述的五个被处理的图像将以累加方式相加在一起。两个图像的每次相加后，就处理该相加形成的新的图像。最终的图像将用来评估给定的轮胎区域。使用该优选的检测方法检验多个检验区域以便于评估整个轮胎。
应当注意的是，显示器包含肉眼可见或不可见的图像的各种电子输出设备，包括屏幕显示器、硬拷贝或电子图像。该电子图像可用来确定检测物体通过还是未通过检测标准，而不需把图像对肉眼进行实际显示。
现在转向该情况下的附图。
图1是由ASTM F 1364-92确定的检测设备获取的现有技术下的错位图。为了易于阅读，图1是白底黑色图像，这与ASTM检测输出的黑底白色图像相反。应当注意的是，该输出中的异态为横向位移图像。
图2是本发明的异态检测器装置的示意图。一般来说，异态检测器装置10封闭在所示的具有真空出口14的真空容器12内。轮胎16可放置在一个承载构件(未显示)上，以及可被放置在真空容器外面的机动传送机(未显示)上，然后移入真空容器内。这种技术在本领域内是熟知的。异态检测器装置包含安装在可在真空装置内旋转并且前后移动的轴20上的激光器18。由激光器18发出的相干光22在轮胎的内表面24的点26处以及许多其它的点处发生反射。来自激光器18的相干光22穿过散射器30，该散射器使光散布在待观测的轮胎衬底24的某些部分上。散射光27以散斑方式从点26反射回来，就如光束32所示地从衬底24反射回来。该光线被散射并由摄像机50捕获。优选地，这个摄像机或这些摄像机是行业内熟知的CCD型电荷耦合设备。还可利用其它的感光检测装置。该摄像机可称为图像传感器，也就是说，它感测来自将激光光线对准轮胎表面24这种应用的散斑图像32。
散射器是具有较高散射传递效率的25毫米直径的全息散射器。可选地，该散射器可以是具有25毫米直径的乳白散射玻璃，二者均可从新泽西州巴灵顿的埃德蒙德工业光学公司获得。
摄像机和计算机通过导线42实现电连接。应当注意的是，虽然电流对激光器和摄像机的工作来说是必须的，但是摄像机的输出通过平行线43表示的熟知的无线通信技术同样能够提供给计算机44。计算机的硬盘驱动器44附着在用于显示散斑输出32的监视器46上。
还应注意的是，散射到衬底24上的相干激光从衬底反射回来，且激光的捕获是CCD 40对反射32的直接捕获。这与使用光学错位设备的现有技术中利用的错位图或干涉测量不同。图2、3A和3B中显示的设备的直接输出如图5所示。应当注意的是，根据所希望的如何观测预期的输出，图5的输出可以是白底黑色的也可以是黑底白色的。因为该图像由图像传感器捕获，图像的每个像素都可用数字形式识别或存储，这样就能够把除白色和黑色之外的颜色分配到图像的不同部分，从而增强该图像。
以一种类似的方式，该装置的操作如图3A和3B所示，其中在不同的点26处有数目更多的散射光线27。来自散射元件30的光27如图2、3A和3B所示散开。
在轮胎受应力元件的影响之后，如真空的使用、光的使用、气体的使用、允许弯曲的机械力的使用、使轮胎振动的声学声响的应用、或者一些其他的振动技术，其结果是使导致激光从点26反射的轮胎衬底24发生移动。图3B以夸张的方式显示了轮胎从平滑表面24到所描绘的膨胀形式或形变24的变化。激光以不同的角度偏转，因此表现为生成由CCD摄像机40捕获的图像的反射散斑光32。
所述的电缆42具有平行标志43，以表示不一定要用直接连线把图像从摄像机传送到计算机监视器，还可由无线技术来完成。摄像机对图像的捕获在本技术领域内是熟知的。这可以采用其技术已经熟知的动画图像形式。
要以图解方式阐述动画如何发生可参考图4A和4B。图4A示出了一种图例，在各种真空水平上捕获的图像出于参考目的籍此命名。图4B显示了用来评估轮胎内表面的一个区域的步骤序列。该检测序列在用50来表示的方框处开始，在步骤68结束。在51处轮胎无应力且受到0.0”Hg(大气压)影响时捕获轮胎区域的基线图像。由于图4A中显示的图例，该图像被表示为0_0。这个称为0_0的基线图像在步骤51期间被存储为图像“A”。为了其一致性，在方框52该基线图像与其自身进行差分，从而提供黑色图像以显示为该动画的第一个图像。该图像在53被存储为“AA”。应当注意的是，可以通过软件方式产生黑色图像而不需实际地使轮胎区域成像，但是基线图像“A”被捕获是由于它用在检测序列的后续步骤中。图像AA在54显示后，步骤55在轮胎受0.5”Hg真空影响时捕获下一个图像。该图像“0_5”在步骤55被存储为“B”。在56图像B与基线图像A进行差分，从而产生图像“AB”并在步骤57存储。AB然后在58被显示，且AB被用作动画序列中的第二个图像。在步骤60、以及后续的步骤63、64、66，先前显示的图像被添加到前面紧接着的步骤中形成的图像上。例如，在步骤60，先前显示的图像是AB，被添加到该图像上的图像是在步骤59存储的刚形成的图像“AC”。新形成的图像在步骤61被存储为“A_C”。A_C然后在步骤62显示。在检测过程期间，图像以0.5”Hg增量被捕获，直至轮胎受2.5”Hg真空影响的最终图像“2_5”(步骤65)。在67显示动画序列中的最终图像。在轮胎检测期间获取的图像可以是图5中显示的印刷输出的主题。该技术的一种代表如图5所示，其中除了用图1和2的装置代替干涉仪技术使用之外，使用了遵循前面所述的ASTM检测技术的程序。
还应当理解的是，即使图4A和4B显示的真空循环为从0.0Hg到2.5Hg，但真空水平或设置点增量和减量的任何组合都可使用。例如从5.5Hg到1.0Hg。
用来处理并显示散斑图的软件可以是任何商用图像处理软件，如明尼苏达州Eden Prairie市的Jasc Software Inc.公司提供的PaintShop Pro 8.0版。其它可用的软件是可从德克萨斯州奥斯汀市的国家仪器公司获得的LabView。
图5是在使用ASTM程序时AA直至A_F中的任何图像的一种代表性的例子，只是图1和2的装置代替干涉仪技术使用。图5显示了ASTM校准设备的图像，其中该图像是来自已受挤压的校准设备的衬底的反射图像，激光已被直接散射到该衬底，然后散射光的反射被摄像机捕获并作为散斑图存储在计算机存储器中，它在这之后可用于产生图5的输出。应当注意的是，该输出被描绘为从散射到轮胎上的相干光的散射光束获取的异态的可缩放式表示。应当注意的是，反射光光源的图像可被描绘为分散的散斑反射。应当注意的是，轮胎可处于无应力和应力条件或者多种应力条件。计算机可比较并显示所有的条件或部分条件。本发明包括所完成的输出格式的这些所有的比较。
本技术的使用便于异态的量化测量。作为量化测定的替代，可通过用计算机监视器上显示的或在如图5的输出中生成的图像对异态进行比例缩放，从而评定异态的程度。现有的技术方法不允许这种测量或对异态进行比较缩放，从而确定轮胎中异态的程度。
这里以一种优选的实施例对本发明所作的描述并未使用镜子来移动光线。但是应当注意，可根据光源、摄像机、散射器、检测衬底以及要对衬底拍摄的图像的数目来使用镜子。镜子可用在特殊的所希望的检测技术和条件下。
虽然这里公布的本发明的形式目前由优选实施例组成，但是其它很多种形式都是可能的。这里并不打算提及本发明的所有可能的等价形式或衍生物。应当理解，这里使用的术语仅用于描述而不是限制，在不背离本发明的精神或范围的情况下可进行多种可能的变化。例如所使用的激光器的类型可以有相当大的变化；这里描述的计算机中的软件可根据与计算机或计算机设备相关的技术中的改变而变化，且可更新软件的类型。

Claims (16)

1.一种用于检测轮胎中的异态的异态检测器装置，它包括一个相干光光源、一个可选的应力装置，以及一个光接收装置，其特征在于，
所述相干光光源把光直接照射到轮胎表面上，照射的光从轮胎被反射；
所述应力装置与轮胎并排设置，并可选地能够挤压轮胎；
所述反射光接收装置在轮胎处于应力或无应力条件时接收从轮胎直接反射回来的光；
观测并比较在轮胎处于应力或无应力时来自反射光接收装置的反射光的图像、从而确定轮胎中的异态并由该比较产生输出信号的处理器；以及
以电子方式连接到处理器以显示来自处理器的输出信号的显示装置。
2.权利要求1中的装置，其中光不穿过双折射材料或错位光学材料传递。
3.权利要求1中的装置，其中光源是激光器。
4.权利要求1中的装置，还包括放置在光源和轮胎之间以便把光散布到部分轮胎表面上的散光器。
5.权利要求1中的装置，还包括放置在光源和轮胎之间以便以均匀分布方式把光散布到部分轮胎上的散光器。
6.权利要求1中的装置，其中反射光接收装置是摄像机。
7.权利要求6中的装置，其中摄像机以电子方式连接到计算机上。
8.权利要求1中的装置，其中处理器是在用于显示输出信号的计算机上运行的软件。
9.一种用于检测轮胎中的异态的方法，包括一个相干光光源，一个应力装置，以及一个光接收装置，其特征在于，
把光直接照射到轮胎表面上，从而产生从轮胎反射的光；
挤压轮胎；
在轮胎处于应力或无应力条件时，将从轮胎直接反射回来的光接收到所述反射光接收装置中；
提供用于观测并比较在轮胎处于应力或无应力时来自反射光接收装置的反射光的图像、从而确定轮胎中的异态并由该比较产生输出信号的处理器；以及
显示来自以电子方式连接到处理器的装置的处理器输出信号。
10.权利要求9中的方法，其中光不穿过双折射材料或错位光学材料传递。
11.权利要求9中的方法，其中光源是激光器。
12.权利要求9中的方法，还包括通过放置在光源和轮胎之间的散光器把光散布到部分轮胎上。
13.权利要求9中的方法，还包括通过放置在光源和轮胎之间的散光器以均匀分布方式把光散布到部分轮胎上。
14.权利要求9中的方法，其中反射光接收装置是摄像机。
15.权利要求14中的方法，还包括把图像从摄像机传送到计算机。
16.权利要求9中的方法，其中所述处理器用于在计算机上显示输出信号。
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