CN100567970C

CN100567970C - 子午胎缺陷的微波波导法检测装置

Info

Publication number: CN100567970C
Application number: CNB2006101509993A
Authority: CN
Inventors: 王晓明
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: CN1967221A

Abstract

子午胎缺陷的微波波导法检测装置，它涉及一种子午胎的检测装置，它克服现有子午胎缺陷在线检测设备在检测缺陷类型、清晰度、设备成本、寿命等方面的不足。它由主机、波导运动控制装置和微波检测控制装置组成，波导运动控制装置含有三个开口波导探测器位于匀速旋转的子午胎的两个胎侧，匀速旋转的子午胎的胎冠两侧分别有一个开口波导探测器；波导运动控制装置控制两个开口波导探测器沿X反向运动，控制一个开口波导探测器沿Y方向运动。该装置对橡胶是否有气泡、钢丝帘线是否有断丝等缺陷进行检测，有缺陷的情况下检测装置的主机给出报警信息，并给出缺陷的简单类型及所在部位的显示，根据相关的检验标准确定该子午线轮胎是否满足合格品的要求。

Description

子午胎缺陷的微波波导法检测装置

技术领域

本发明涉及一种子午胎的检测装置，属于无损探伤的检测设备。

背景技术

轮胎制造业和轮胎翻新业对轮胎内质量检验机有相当数量的需求。轮胎的质量控制和无损检测是轮胎制造中的一个非常重要的方面，轮胎各种缺陷的有效检测能够在很大的程度上提高轮胎的出厂质量，延长使用寿命，指导轮胎生产厂家改进轮胎制造工艺。

由于微波检测有着许多其它检测方式不可替代的优点，并且它用于其它材料和产品的理论和方法比较成熟，在工程应用中已体现出了它的优越性。轮胎制造工艺过程复杂，在制造过程中可能产生的缺陷形式多样，这给检测方法带来了很大的挑战。在传统的检测方法中都或多或少地存在一些不足，如：超声法虽其清晰度较高，并得到了广泛的应用，但是对于声衰减大的复合材料的内部缺陷无能为力，并且它在一般条件下需要和被测物体接触且需要耦合剂。涡流检测能够有效地检测到轮胎内部金属钢丝帘线的缺陷，但是它不能检测其它的缺陷，并且检测速度慢。X射线检测清晰度有待提高，并且设备寿命短、价格昂贵，屏蔽措施麻烦等等。

相比之下，微波对于检测像轮胎这样成分和结构复杂的产品来说有其独特的优点

(1)微波穿透介电材料的能力很强，很适合检测像轮胎这样的厚复合材料的结构和内部缺陷。另外，微波能够很好地检测到材料的分层，对于检测由多层物质碾压而成的轮胎内部分层的效果显著；

(2)微波无损检测与逆扫描成像方法结合起来，能够获得比热成像和涡流成像技术更清晰的图像；

(3)微波对被检材料的特性的变化很灵敏，能够很好地检测被检材料的密度、湿度和疏松等，能够有效地探测到轮胎内部成分的变化；

(4)微波无损检测不需耦合剂，同时具有快速、准确和连续的特点，这就使得微波无损检测非常容易用于轮胎的在线检测。并且，微波检测受烟雾、粉尘、空气状况以及温度的影响很小，所以适合在轮胎生产车间作业；

(5)微波相对来说辐射危害较低，所以屏蔽设备简单，降低了微波检测设备的成本。同时，微波检测设备使用寿命较长，维护成本低，操作简单。

正是基于上述的特点，包括波导法在内的微波检测技术在轮胎的检测方面具有很大的发展潜力。

发明内容

本发明的目的是为克服现有子午胎缺陷在线检测设备在检测缺陷类型、清晰度、设备成本、寿命等方面的不足，从而研制了一种子午胎缺陷的微波波导法检测装置。

本发明的检测装置由主机、波导运动控制装置和微波检测控制装置组成；波导运动控制装置由轮胎位置传感器、运动控制微处理器、驱动控制器、机械执行机构、1号开口波导探测器、2号开口波导探测器和3号开口波导探测器组成，轮胎位置传感器的信号输出端连接运动控制微处理器的检测信号输入端，运动控制微处理器的驱动控制信号输出端连接驱动控制器的输入端，驱动控制器的输出端与机械执行机构的控制输入端连接，1号开口波导探测器、2号开口波导探测器和3号开口波导探测器分别安装在机械执行机构的三个力矩输出端上，1号开口波导探测器和2号开口波导探测器分别位于匀速旋转的子午胎的两个胎侧，3号开口波导探测器位于匀速旋转的子午胎的胎冠；微波检测控制装置主要是由微波检测微处理器、微波源、反射计、相位计及环形器构成的入射波与反射波的反射系数测量电路及其相位比较电路；微波检测微处理器和运动控制微处理器通过总线与主机的数据传输端相连接，1号开口波导探测器、2号开口波导探测器和3号开口波导探测器的微波传输端都与微波检测控制装置的环形器的微波传输端相连。

本发明采用单频连续波的波导单天线式反射法进行检测。反射法是利用被检物体表面和内部所反射的微波对其进行检测的方法，它是以反射波的幅值或相位变化作为检测量，开口波导探测器能同时进行微波的发射和接收。作为一个完整的轮胎检测系统，它需要对轮胎的整个检测过程实施控制。为了有效地实现轮胎的在线实时检测，本发明的检测装置要实现一系列检测过程的相互协调，包括波导探测器的送入并与轮胎做复合运动以及检测完毕之后的缩回、微波的发射/接收和信号传送、数据的采集/处理和图像显示等。本发明的检测装置分为波导运动控制和微波检测控制两个子系统，这两个子系统可以通过总线连接到一台主机上；为了加快检测装置的检测速度，在每一个子系统中再增加一个微处理器来减少主机的控制负担。波导运动控制装置的主要任务是完成对波导探测器运动轨迹的实时控制。当轮胎送入到指定位置并做好检测准备之后，波导运动控制装置的轮胎位置传感器检测到轮胎位置，并将这一信号传给运动控制微处理器，使之做好开始检测的准备。微处理器传递信号给驱动控制器使之对机械执行机构实行控制，机械执行机构按照预先设定的动作使波导探测器进入到检测工位进行检测。由于被检测的每一种型号的轮胎尺寸不一样，所以在检测每一种型号的轮胎之前，都需要在微处理器中对探测器的运动轨迹实行软件控制。

按照图1所示的检测系统的结构，当轮胎送入指定位置并被夹装机构夹持后，检测系统开始一个子午胎的检测工作。这时运动控制系统开始工作，首先由轮胎位置传感器检测到子午胎已经送入并且做好检测前的准备工作，并把这个信号传递给波导运动控制装置中的运动控制微处理器，此处理器得到这个信号之后，给驱动控制器发出信号并控制机械执行机构使三个开口波导探测器做预定轨迹的运动，同时，运动控制微处理器将轮胎和探测器的起始位置及其相对位置的信息、以及在整个检测过程中各自的空间位置传送给主机，以获得子午胎缺陷位置信息。在运动控制系统控制探测器运动时，微波检测控制装置开始工作，发出微波并检测微波经子午胎作用之后的相位、幅值的变化，并将这些数据传递给微波检测微处理器，随后此微处理器将简化的信号传给主机。这两个子系统相互协调工作，将各自获得的信息经初步处理之后传给主机，主机作最后的处理完成对子午胎缺陷的检测，即主机将此刻这个子午胎的检测信息与标准无缺陷的子午胎检测信息相比较判断是否有缺陷。本发明的检测装置可以如图1所示安装在子午胎生产线上，当子午胎在生产线上到达检测工位时，子午胎被轮胎夹装机构夹紧并送到生产线正下方的检测槽中。检测槽的作用是：1)对检测系统产生屏蔽，防止微波对人体的伤害；2)用于安装微波检测系统以及探测器的运动控制机构。当子午胎送入到检测槽中后，子午胎在轮胎夹装机构的带动下做匀速转动，探测器在电机驱动的齿轮带动下对轮胎进行检测。当整个检测过程完毕后，子午胎被垂直向上送到生产线上，然后开始做下一个轮胎检测的准备。为了保证子午胎能有效地进行匀速转动，设计了下端含有四个夹爪的轮胎夹装机构，如图3和图4所示。

发明效果：本发明是一种用于对子午线轮胎的橡胶和钢丝帘线缺陷进行检测的装置，该装置可对橡胶是否有气泡、钢丝帘线是否有断丝等缺陷进行检测，其中橡胶材料内有气泡为一种类型，断丝为另一种类型，在有缺陷的情况下检测装置的主机给出报警信息，并同时给出缺陷的简单类型及所在部位的显示，根据相关的检验标准可以确定该子午线轮胎是否满足合格品的要求。如图7至图10所示四种试件检测示意图；图11和图12显示了本发明检测上述四种试件的结果和判断的依据，图11中“——”表示无缺陷试件，“……”表示含空气层的试件，“----”表示含金属缺陷的试件，“—·—”表示含空气层和金属缺陷的试件；图12中“……”表示含空气层的试件，“----”表示含金属缺陷的试件，“—·—”表示含空气层和金属缺陷的试件。

本发明配合辅助运动机构可以实现对批量生产的子午线轮胎的生产质量进行在线监控，将不合格品从生产线中分离出来。本发明还可以对二次回收的子午胎进行检测，确定其缺陷类型及位置后再对其进行二次加工、弥补轮胎缺陷，这样做可以降低子午胎的生产成本、节约了资源，有利于环保。

附图说明

图1是本发明的检测装置的结构示意图(图中7为生产线、6为轮胎夹装机构、5为子午胎、8为检测槽)；图2是本发明的电气结构示意图；图3是图1中轮胎夹装机构6的断面剖视图(图中6-1为轮胎夹装机构6下端的夹爪)；图4是图1中轮胎夹装机构6的俯视图；图5是终端开口矩形波导和被检物体相对结构的俯视图；图6是终端开口矩形波导和被检物体相对结构的平面图；图7是处于开口波导辐射场中的无缺陷试件；图8是处于开口波导辐射场中的含有金属夹杂物试件；图9是处于开口波导辐射场中的含空气层试件；图10是处于开口波导辐射场中的同时含有空气层和金属夹杂物试件；图11是图7至图10中四种试件的反射系数的相位在检测间距为4mm(即，图7至图10中的d＝4mm)时与频率的关系示意图；图12是图8至图10中三种含有缺陷试件与图7中无缺陷试件的反射系数的相位差在检测间距d＝4mm时与频率的关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图2，本具体实施方式的检测装置由主机1、波导运动控制装置2和微波检测控制装置3组成；波导运动控制装置2由轮胎位置传感器2-1、运动控制微处理器2-2、驱动控制器2-3、机械执行机构2-4、1号开口波导探测器2-5、2号开口波导探测器2-6和3号开口波导探测器2-7组成，轮胎位置传感器2-1的信号输出端连接运动控制微处理器2-2的检测信号输入端，运动控制微处理器2-2的驱动控制信号输出端连接驱动控制器2-3的输入端，驱动控制器2-3的输出端与机械执行机构2-4的控制输入端连接，1号开口波导探测器2-5、2号开口波导探测器2-6和3号开口波导探测器2-7分别安装在机械执行机构2-4的三个力矩输出端上，1号开口波导探测器和2号开口波导探测器分别位于匀速旋转的子午胎5的两个胎侧，3号开口波导探测器位于匀速旋转的子午胎5的胎冠；微波检测控制装置3主要是由微波检测微处理器3-1、微波源3-10、反射计3-2、相位计3-11及环形器3-4构成的入射波与反射波的反射系数测量电路及其相位比较电路；微波检测微处理器3-1和运动控制微处理器2-2通过总线4与主机1的数据传输端相连接，1号开口波导探测器、2号开口波导探测器和3号开口波导探测器的微波传输端都与微波检测控制装置3的环形器3-4的微波传输端相连。

上述所述的1号开口波导、2号开口波导和3号开口波导能传导环形器输出的入射波，而且可以接受从轮胎上反射回来的微波。如图1所示，子午胎5送入检测装置夹装后，在轮胎夹装机构的带动下开始单方向匀速旋转，1号开口波导探测器和2号开口波导探测器分别在子午胎5的上下两边胎侧处沿X方向反复运动，3号开口波导探测器在子午胎5的左侧胎冠处沿Y方向反复运动。波导探测器发出稳定的定频微波对轮胎检测，在完成轮胎一周的检测之后，波导探测器进入下一个工位重复检测，比如按左胎侧-胎冠-右胎侧的顺序完成对整个轮胎内部缺陷的检测。

具体实施方式二：参见图2，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述微波检测控制装置3由微波检测处理器3-1、反射计3-2、1号分离器3-3、环形器3-4、隔离器3-5、定向耦合器3-6、衰减器3-7、2号分离器3-8、调制器3-9、微波源3-10和相位计3-11组成，微波源3-10的输出端连接调制器3-9的输入端，调制器3-9的输出端连接衰减器3-7的输入端，衰减器3-7的输出端连接定向耦合器3-6的输入端，定向耦合器3-6的对比信号输出端连接2号分离器3-8的输入端，定向耦合器3-6的主微波输出端连接隔离器3-5的输入端，隔离器3-5的输出端连接环形器3-4的输入端，1号开口波导探测器2-5、2号开口波导探测器2-6和3号开口波导探测器2-7的微波传输端都与环形器3-4的微波传输端相连，环形器3-4的反射波输出端连接1号分离器3-3的输入端，1号分离器3-3的一个输出端连接反射计3-2的反射波输入端，2号分离器3-8的一个输出端连接反射计3-2的入射波输入端，反射计3-2的输出端连接微波检测微处理器3-1的反射系数检测输入端，1号分离器3-3的另一个输出端连接相位计3-11的反射波输入端，2号分离器3-8的另一个输出端连接相位计3-11的入射波输入端，相位计3-11的输出端连接微波检测微处理器3-1的相位检测输入端。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。本发明采用单频连续波的方式检测，在这个完整的轮胎内部缺陷检测系统中，从微波的产生、传递、发射到接受的过程中，要求微波源必须能够产生一定功率的稳定微波，在传递的过程中信号要不受外界干扰，保持稳定。这样检测装置才能够有效地检测到反射波反射系数和相位的变化，并将这些变化的信息送到微波检测微处理器进行分析，此微处理器对这些信息处理完之后，把携带轮胎内部信息的数据送到主机，主机得到这些信息之后能够确定缺陷的位置和形态。

微波源3-10用于提供稳定的、一定频率的微波，频率的范围是0.01-2.63GHz，其参考型号为NSSG3；根据检测的频率和功率要求可选用适当功率的微波信号发生器。调制器3-9用于对微波辐射施加低频双边代调幅，可以降低1/f噪声，降低整个电路中经常会出现的其它直流噪声，能够改善信噪比，其参考型号为MAX2102；衰减器3-7能够根据要求调节电路中给定位置的微波辐射功率，其参考型号为HMC273MS10G；定向耦合器3-6在不干扰电路其它特性的情况下可以将微波从辐射主传输路径取出，作为比较的参考信号，其参考型号为ECH122/222L；隔离器3-5限定微波辐射朝一个方向传播，防止其逆向传播而产生干扰，其参考型号为CE07A1R90CCB；环形器3-4使进入一个端口的入射微波辐射以某一特定方向传输到下一个相邻端口，作为开口波导的入射波传出；而且由开口波导传出的反射波由这个环形器进入，以相同的方向传送到1号分离器3-3；它的主要功能是能够有效地将入射波和反射波分离，避免互相干扰，其参考型号为CT-2008-O；由于微波是采用管道传输的，所以将1号开口波导探测器2-5、2号开口波导探测器2-6和3号开口波导探测器2-7的微波传输管道并接在一起且连在环形器3-4上，那么就可以同时获得三个探测器的测量信号了，本发明采用以下方法来分辨探测器的信号：1)三个开口波导探测器采用不同的尺寸，然后根据微波幅值的不同分辨获得探测器的信号；2)在三个开口波导探测器上分别增加一个波导开关用于控制探测器的工作状态，此种方法相对于第一种方法过于复杂，需要增加驱动电路。分离器将由一个端口入射的微波一分为二，分别送到反射计和相位计，其参考型号为11667A；反射计3-2通过比较入射信号和反射信号来测量反射系数；其参考型号为HD-22WSRM；相位计3-11通过比较入射信号和反射信号来测量相位的变化，其参考型号为SP312B25型；微波检测处理器3-1用于分析反射计和相位计送来的信号，并根据反射系数和相位的变化来判断轮胎内部的形态，以简单的电平信号将这些信息送到主机进行最后的处理。

具体实施方式三：参见图1，本具体实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：所述机械执行机构2-4由三组齿轮传动机构及多个驱动电机组成，1号开口波导探测器2-5、2号开口波导探测器2-6和3号开口波导探测器2-7分别被一组齿轮传动机构带动做各自预先设置的运动，每组齿轮传动机构由前进齿轮2-4-1、后退齿轮2-4-2及齿条2-4-3组成，如图1所示，1号开口波导探测器2-5、2号开口波导探测器2-6和3号开口波导探测器2-7分别安装在每组齿轮传动机构的齿条2-4-3的末端，在每组齿轮传动机构中前进齿轮2-4-1和后退齿轮2-4-2同时安装在齿条2-4-3上，三组齿轮传动机构中的每一个齿轮都与一个驱动电机的力矩输出轴同轴连接，每个驱动电机的运动状态都由运动控制微处理器2-2单独控制；驱动控制器2-3是由多个驱动电机对应连接的PWM驱动控制电路构成的。其他组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。图1所示，开口波导探测器在检测过程中的运动由运动控制微处理器2-2来控制，1号开口波导探测器2-5和2号开口波导探测器2-6只做X方向的运动，3号开口波导探测器2-7只做Y方向的运动。三个探测器之间的相互配合运动由预先设置的程序来控制，并且每个探测器都通过波导连接到检测槽外的微波检测系统。三个开口波导探测器的运动都通过齿轮与驱动装置连接，每一个齿轮都由独立的电机控制，电机的运动速度则由微处理器控制。

具体实施方式四：参见图1，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述1号开口波导探测器2-5、2号开口波导探测器2-6和3号开口波导探测器2-7采用终端开口矩形波导的探测器。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。在微波的传输线中，矩形波导是最简单的一种，特别是在高功率、毫米波系统以及在精确检测场合需要使用波导。终端开口矩形波导在微波无损检测中用得最广泛，最重要的一个原因是对于传播的主模TE₁₀，波导中的电磁场能够用传统的方式监控，如使用小探针，并且不会对波导中的电磁场产生干扰。终端开口矩形波导与其它微波传感器相比，尤其对于远场的天线来说，它扫描面积较小，易于确定缺陷的位置和形态，并且方向性较好。如图5和图6所示，图中给出终端开口矩形波导和被检物体相对结构示意图；当波导在物体表面沿x方向扫描时，每隔一小段距离记录下此时波导开口处的反射系数的相位差，并以矩阵行的形式储存在主机的数据库中。当沿x方向从一端扫描到另一端时，波导沿y方向前进一步，重复上述步骤进行扫描，并把得到的反射系数的相位差以矩阵第二行的形式储存起来。依此可得到波导在每一点的相位差，并得到一个相位差的矩阵。把该矩阵以三维的形式表示出来就可得被检物体内部缺陷的位置，如果在某一点存在缺陷，那么波导所获得的相位差会发生变化。为了获得更精确的数据，要减小波导的扫描面积，也就是减小波导的尺寸。波导内一般充满LIH介质，在这里不使用介质，即充满空气，波导壁可视为理想导体的金属。经上面的分析确定采用工作频率f＝1.8GHz，参照邮电部部标“YD120-77”给出的波导管型号，可选用WJB-22号波导。

Claims

1、子午胎缺陷的微波波导法检测装置，其特征在于它由主机(1)、波导运动控制装置(2)和微波检测控制装置(3)组成；波导运动控制装置(2)由轮胎位置传感器(2-1)、运动控制微处理器(2-2)、驱动控制器(2-3)、机械执行机构(2-4)、1号开口波导探测器(2-5)、2号开口波导探测器(2-6)和3号开口波导探测器(2-7)组成，轮胎位置传感器(2-1)的信号输出端连接运动控制微处理器(2-2)的检测信号输入端，运动控制微处理器(2-2)的驱动控制信号输出端连接驱动控制器(2-3)的输入端，驱动控制器(2-3)的输出端与机械执行机构(2-4)的控制输入端连接，1号开口波导探测器(2-5)、2号开口波导探测器(2-6)和3号开口波导探测器(2-7)分别安装在机械执行机构(2-4)的三个力矩输出端上，1号开口波导探测器(2-5)、2号开口波导探测器(2-6)位于匀速旋转的子午胎(5)的两个胎侧，3号开口波导探测器(2-7)位于匀速旋转的子午胎(5)的胎冠；微波检测控制装置(3)主要是由微波检测微处理器(3-1)、微波源(3-10)、反射计(3-2)、相位计(3-11)及环形器(3-4)构成的入射波与反射波的反射系数测量电路及其相位比较电路；微波检测微处理器(3-1)和运动控制微处理器(2-2)通过总线(4)与主机(1)相连接，1号开口波导探测器(2-5)、2号开口波导探测器(2-6)和3号开口波导探测器(2-7)的微波传输端连接微波检测控制装置(3)的环形器(3-4)的微波传输端。

2、根据权利要求1所述的子午胎缺陷的微波波导法检测装置，其特征在于所述微波检测控制装置(3)由微波检测处理器(3-1)、反射计(3-2)、1号分离器(3-3)、环形器(3-4)、隔离器(3-5)、定向耦合器(3-6)、衰减器(3-7)、2号分离器(3-8)、调制器(3-9)、微波源(3-10)和相位计(3-11)组成，微波源(3-10)的输出端连接调制器(3-9)的输入端，调制器(3-9)的输出端连接衰减器(3-7)的输入端，衰减器(3-7)的输出端连接定向耦合器(3-6)的输入端，定向耦合器(3-6)的对比信号输出端连接2号分离器(3-8)的输入端，定向耦合器(3-6)的主微波输出端连接隔离器(3-5)的输入端，隔离器(3-5)的输出端连接环形器(3-4)的输入端，1号开口波导探测器(2-5)、2号开口波导探测器(2-6)和3号开口波导探测器(2-7)的微波传输端都与环形器(3-4)的微波传输端相连，环形器(3-4)的反射波输出端连接1号分离器(3-3)的输入端，1号分离器(3-3)的一个输出端连接反射计(3-2)的反射波输入端，2号分离器(3-8)的一个输出端连接反射计(3-2)的入射波输入端，反射计(3-2)的输出端连接微波检测微处理器(3-1)的反射系数检测输入端，1号分离器(3-3)的另一个输出端连接相位计(3-11)的反射波输入端，2号分离器(3-8)的另一个输出端连接相位计(3-11)的入射波输入端，相位计(3-11)的输出端连接微波检测微处理器(3-1)的相位检测输入端。

3、根据权利要求1或2所述的子午胎缺陷的微波波导法检测装置，其特征在于所述机械执行机构(2-4)由三组齿轮传动机构及多个驱动电机组成，每组齿轮传动机构由前进齿轮(2-4-1)、后退齿轮(2-4-2)及齿条(2-4-3)组成，1号开口波导探测器(2-5)、2号开口波导探测器(2-6)和3号开口波导探测器(2-7)分别安装在每组齿轮传动机构的齿条(2-4-3)的末端，在每组齿轮传动机构中前进齿轮(2-4-1)和后退齿轮(2-4-2)同时安装在齿条(2-4-3)上，三组齿轮传动机构中的每一个齿轮都与一个驱动电机的力矩输出轴同轴连接。

4、根据权利要求1所述的子午胎缺陷的微波波导法检测装置，其特征在于所述1号开口波导探测器(2-5)、2号开口波导探测器(2-6)和3号开口波导探测器(2-7)采用终端开口矩形波导的探测器。