CN101241088A

CN101241088A - 高速x光强力输送带检测系统

Info

Publication number: CN101241088A
Application number: CNA2008100524162A
Authority: CN
Inventors: 苗长云; 荣峰; 石博雅
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2008-08-13

Abstract

本发明属于无损X射线在线探测设备领域，涉及一种高速X光强力输送带检测系统，它包括X射线发生器、一个或一个以上的高速X射线探测器和装有X射线检测系统软件的PC机，其特征在于，每个高速X射线探测器与PC机之间通过以太网接口相连；每个高速X射线探测器包括一组或一组以上的光电转换模块、一个或一个以上的X射线数据采集模块、X射线数据处理与传输模块，每组X射线光电转换模块组内模块之间以串行方式连接，各组X射线光电转换模块与X射线数据采集模块并行连接；每个X射线数据采集模块以并行方式与X射线数据处理与传输模块连接。本发明能够实现远程实时检测强力输送带的图像，包括强力输送带图像的快速扫描、传输和监控，具有集成度高，可靠性高，处理速度快等特点，提高了检测水平。

Description

高速X光强力输送带检测系统

技术领域

本发明属于无损X射线在线探测设备领域，特别是涉及一种高速X光强力输送带检测系统。

背景技术

澳大利亚学者A.哈里森首次提出了根据电磁感应原理对强力输送带实现无损检测的方法，并研制出CBM强力输送带钢绳芯探测装置。这种方法在1982-1987年被用于德国、南非、加拿大、美国等地的采矿工业^[1]。该项技术的应用使对有危险的和高张力钢绳芯输送带的检测成为可能。我国的中科院力学所、煤科总院上海分院、太原理工学院等单位利用相似的原理研制出强力输送带钢绳芯探测装置。但采用该方法所研制的装置只能给出检测结果曲线，大致测出钢绳芯输送带断裂的位置和程度，不能直接显示输送带的内部图像，探伤周期较长、其精确位置和详细状况还要辅助设备来判断，存在准确性差、显示不直观、不能远程检测等缺点，而且当带内有纵向撕裂保护丝网时，更不能探测^[2-3]。1993年，中国矿业大学研制了基于X光探测原理的强力输送带的检测系统，该系统受当时的软硬件技术的限制，存在输送带图像处理速度慢、实时性差、精度低(分辨率为2.5mm×2.5mm)、不具备远程实时检测功能^[4]。专利申请200610015797.8提供了一种强力输送带无损检测系统，该系统的数据采集装置只有一路A/D，因此限制了其扫描速度。此外该系统将采集到的信号直接输入微机系统，利用微机进行数据处理，存在不能进行远程实时检测输送带图像以及硬件实现成本高的缺陷。

在强力输送带运输系统设计时，安全规程要求对强力输送带进行实时检测。但现有的检测手段存在可靠性差，不能准确定位，扫描速度慢，不能进行远程实时检测强力输送带图像等缺点，所以这一规程并未得到很好的落实。

参考文献：

[1]J.柯斯克能，蔺春涛，高冬.线阵探测(LDA)的现状及发展趋势[J].CT理论与应用研究，2002，(3)：12-15.

[2]杨瑞峰.X射线成像检测中图像采集系统的设计研究[J].仪器仪表，2002，(11)：23-25.

[3]荆峰.X射线数字化实时成像系统在无损检测中的应用[J].无损探伤，2004，(3)：37-39.

[4]高毓麟，程红.钢丝绳芯输送带X射线无损检测[J].煤矿机电，1996，(4)：15-16。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述缺陷，提出一种检测速度快、可实现数据远程输送且成本较低，可以广泛用于矿山、港口和码头等领域的强力输送带实时无损检测系统。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种高速X光强力输送带检测系统，它包括X射线发生器、一个或一个以上的高速X射线探测器和装有X射线检测系统软件的PC机，其特征在于，每个高速X射线探测器与上位PC机之间通过以太网接口相连；每个高速X射线探测器包括一组或一组以上的光电转换模块、一个或一个以上的X射线数据采集模块、X射线数据处理与传输模块，每组X射线光电转换模块组内模块之间以串行方式连接，各组X射线光电转换模块与X射线数据采集模块并行连接；每个X射线数据采集模块以并行方式与X射线数据处理与传输模块连接。

作为优选实施方式，本发明的高速X光强力输送带检测系统，每个X射线光电转换模块可以有32或64个光电转换通道，即32或64个象素，每个象素间距大于或等于0.8mm；X射线数据采集模块最好由多路开关及信号调理电路、A/D转换器和时序控制器组成，多路开关和信号调理电路将输入的包含有强力输送带信息的模拟电压并行信号转换为串行信号，并通过A/D转换器将进行模数转换并得到数字信号，时序控制器用于产生精确的时序信号来控制多路开关和A/D转换器的转换工作；X射线数据处理与传输模块应当包括数据处理与传输控制器以及与其相连的串口芯片、以太网接口芯片、数据存储器、电源管理电路；X射线数据处理与传输模块中的数据处理与传输控制器最好采用单一FPGA芯片。

本发明具有如下突出的优点：

(1)本发明采用高速FPGA和DSP技术、图像处理技术和以太网接口技术，实现对强力输送带实时无损检测，能及时发现输送带钢绳芯锈蚀、断裂或接头伸长等故障。通过系统软件实时显示输送带内钢绳芯的图像，并且能够运用各种算法对强力输送带钢绳芯的接头伸长、锈蚀、断裂等情况进行提取和判断，并给出故障报警信号。同时，由于采用以太网接口技术，故可以进行局域网互联，共享图像数据，便于远程传输与控制。

(2)系统扫描分辨率达0.8mm×0.8mm。通过合理选择X光光电转换模块和X光数据采集模块的个数，系统扫描宽度可以根据实际系统强力输送带的宽度而变化，皮带宽度在1.2m-2.4m之间。系统中的X光数据采集模块采用并行结构，极大地提高了系统的扫描速度。当皮带宽度为1.2m时，系统最大扫描速度可达6m/s，当皮带宽度为2.4m时，系统最大扫描速度可达4.5m/s。本专利可广泛用于矿山、港口和码头等领域使用的强力输送带的在线检测。

(3)X光数据处理与传输模块采用单一的FPGA芯片实现了专用X射线图像数据的预处理和千兆以太网传输功能，并达到即插即用的功能。可实现远程实时强力输送带图像的传输和监控。具有集成度高，可靠性高，处理速度快等特点，提高了检测水平。

附图说明

图1是本发明的高速X射线强力输送带检测系统结构框图。

图2高速X射线探测器结构框图。

图3数据处理及传输控制器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述

图1是本发明的高速X射线强力输送带检测系统结构框图。本发明的高速X射线强力输送带检测系统由X射线发生器及其控制器、高速X射线探测器、系统电源模块和装有X射线检测系统软件的PC机组成。其中高速X射线探测器包括X射线光电转换模块、X射线数据采集模块和X射线数据处理与传输模块。

X射线发生器产生的X射线穿过运行着的强力输送带，照射到高速X射线探测器。高速X射线探测器用于对透过强力输送带的X射线进行接收、处理及传输。首先其内的X射线光电转换模块中的硅光电二极管一维阵列上将强力输送带内钢绳芯的投影图像光信号转换为电信号。然后电信号通过X射线数据采集模块进行模拟信号调理和A/D转换，形成数字信号，数字信号再送入X射线数据处理与传输模块进行图像数字信号的前端处理，然后X射线数据处理与传输模块通过以太网接口将处理后的信号传输到PC机中进行后端处理和显示。PC机中装有X射线强力输送带检测系统软件，包括初始化，输送带图像显示、存储、检索，结果分析与报警和以太网通信模块。其除了能进行图像处理的基本功能和对图像进行动态实时显示，还能够运用各种算法对强力输送带钢绳芯的接头伸长、锈蚀、断裂等情况进行提取和判断，并在超标时给出报警信号。其中系统电源模块提供高速X射线探测器所需的各种等级的直流电压。

图2是高速X射线探测器结构框图。高速X射线探测器由X射线光电转换模块、X射线数据采集模块、X射线数据处理与传输模块组成，X射线光电转换模块每四个为一组，组内模块之间以串行方式连接，最多可分为四组，每组与X射线数据采集模块并行连接。每组X射线光电转换模块以并行方式与X射线数据采集模块连接。X射线数据采集模块同样以并行方式与X射线数据处理与传输模块连接，一个X射线数据处理与传输模块最多可与6个X射线数据采集模块并行连接。实际应用中可以根据检测的皮带的宽度，来决定采用X射线光电转换模块和X射线数据采集模块的个数。

每个X射线光电转换模块有32或64个光电转换通道，即32或64个象素，象素间距最小为0.8mm。它利用硅光电二极管阵列将探测器吸收的X射线转换为与之能量和流量成正比的电流信号，然后进入X射线数据采集模块。X光数据采集模块由多路开关及信号调理电路，A/D转换器和时序控制器组成。首先通过多路开关和信号调理电路，将输入的包含有强力输送带信息的模拟电压并行信号转换为串行信号。模拟电压信号然后进入A/D转换器，进行模数转换并得到16位数字信号。其中时序控制由CPLD完成，用于产生精确的时序信号来控制多路开关和A/D转换器的转换工作。

数据采集模块输出的数字信号被发送到X射线处理与传输模块中的图像处理及传输控制器。X射线数据处理与传输模块由数据处理与传输控制器、串口芯片、以太网接口芯片、数据存储器和电源管理电路五部分组成。其中数据处理与传输控制器是X射线数据处理与传输模块的核心，它分别与模块中的其他四部分相连。数据处理与传输芯片采用xilinx公司的高端FPGA芯片，它通过内嵌微处理器核完成对X光数据采集模块传送的图像数字信号进行预处理，包括偏移校准和平均化处理等，并根据TCP/IP协议对数据进行打包，通过以太网接口发送到上位PC机。串口芯片用于对模块进行调试。数据存储器采用SDRAM存储器，用于对预处理后的数据进行缓存，它可以根据实际需要以及FPGA芯片的容量进行相应的扩展。电源管理电路用于根据外部直流稳压电源产生X射线数据采集模块和X射线数据处理和传输模块所需电压信号。

图3是数据处理及传输控制器硬件结构框图。数据处理与传输控制器所采用的FPGA芯片内部主要有四部分组成，分别是高性能32位CPU核PowerPC405、PLB骨干总线和PLB-OPB外设总线、X射线图像专用算法模块和相应的外设控制器。32位CPU核PowerPC405是FPGA嵌入式系统的核心，它通过PLB骨干总线实现和X射线图像专用算法模块、数据缓存器、DMA控制器和存储器控制器的快速通道，并通过PLB-OPB外设总线进行各种外设的扩展，包括UART控制器和千兆以太网控制器。PowerPC405实现对整个X射线探测器的控制管理，并负责管理和上位机的TCP/IP通信。X射线图像专用算法模块利用硬件的强大运算能力实现高速运动目标的X射线数字图像信号的实时预处理，减轻上位机的处理负担。针对X射线图像的特点，预处理算法主要包括象素不平衡校正、通道不平衡校正、均值滤波、灰度调整、图像标准化等算法。存储器控制器和UART控制器分别与X光数据处理与传输模块中的SDRAM存储器和串口芯片相连。千兆以太网控制器则通过以太网接口芯片与上位机的千兆以太网组网相连。数据处理及传输控制器通过内部各模块软硬件协同工作，高效灵活地完成X射线图像的实时预处理及数据传输。

本发明的系统软件是采用C#.NET在WINXP/WIN2000平台上开发的。系统软件包括初始化，输送带图像显示、存储、检索，结果分析与报警和以太网通信模块。

(1)初始化模块

初始化模块主要实现对X射线数据采集模块初始化设置和标准化算法设置。

(2)输送带图像显示模块

输送带图像显示模块能够实时显示钢绳夹芯输送带图像，并能实现亮度/对比度调整，图像边缘增强、正负片显示、图像放大缩小等功能。

(3)输送带图像存储模块

输送带图像存储模块能够实现实时存储输送带图像数据，包括扫描时间，扫描速度等信息。

(4)输送带图像检索模块

输送带图像检索模块实现对采集的钢绳夹芯输送带图像进行存储、显示和浏览。

(5)结果分析与报警模块

结果分析与报警模块能够对钢绳夹芯输送带图像进行实时检测，分析检测结果，形成检测报告，发现故障及时报警。

(6)以太网通信等模块

以太网通信等模块采用TCP/IP协议实现X射线数据处理与传输模块与PC机数据传输功能。

Claims

1.一种高速X光强力输送带检测系统，它包括X射线发生器、一个或一个以上的高速X射线探测器和装有X射线检测系统软件的PC机，其特征在于，每个高速X射线探测器与上位机之间通过以太网接口相连；每个高速X射线探测器包括一组或一组以上的光电转换模块、一个或一个以上的X射线数据采集模块、X射线数据处理与传输模块，每组X射线光电转换模块组内模块之间以串行方式连接，各组X射线光电转换模块与X射线数据采集模块并行连接；每个X射线数据采集模块以并行方式与X射线数据处理与传输模块连接。

2.根据权利要求1所述的高速X光强力输送带检测系统，其特征在于，每个X射线光电转换模块有32或64个光电转换通道，即32或64个象素，每个象素间距大于或等于0.8mm。

3.根据权利要求1所述的高速X光强力输送带检测系统，其特征在于，X射线数据采集模块由多路开关及信号调理电路、A/D转换器和时序控制器组成，多路开关和信号调理电路将输入的包含有强力输送带信息的模拟电压并行信号转换为串行信号，并通过A/D转换器将进行模数转换并得到数字信号，时序控制器用于产生精确的时序信号来控制多路开关和A/D转换器的转换工作。

4.根据权利要求1所述的高速X光强力输送带检测系统，其特征在于，X射线数据处理与传输模块包括数据处理与传输控制器以及与其相连的串口芯片、以太网接口芯片、数据存储器、电源管理电路。

5.根据权利要求4所述的高速X射线探测器，其特征是：X射线数据处理与传输模块中的数据处理与传输控制器采用单一FPGA芯片。