CN107478722A - 一种新型共振声学无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共振声学无损检测装置，结构包括信号采集和数据处理的智能控制器、显示器、工件运动位置调整机构、CCD图像传感器、自动敲击锤、高精度麦克风、报警器、缺陷工件分离器、传送带转动轮、可变速电机、传送带从动轮及传送带；工件由可调速电机驱动传送带将其输送到CCD图像传感器所在位置；由CCD传感器采集图像，确定敲击力的大小，并反馈给自动敲击锤；工件运动至自动敲击锤位置受到击打力，由高精度麦克风采集共振声音信号，传回智能控制器的控制中心，确定工件是否存在缺陷。本发明是对结构整体的内部缺陷和外部缺陷进行测量，并给出客观和定量的检测结果；反映了部件的几何特点和材料属性，是共振检测技术的基础。

Description

一种新型共振声学无损检测装置

技术领域

本发明涉及一种无损检测装置，特别是涉及一种以敲击方式来获取共振声学信号并进行分析处理的新型共振声学无损检测装置。

背景技术

无损检测（Non-Destructive Test，NDT或NDE，Non-Destructive Examination），也叫无损探伤，是指在不损害或不影响被检测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法[1]。无损检测的重要性已得到各行各业的认同并广泛地应用，如航空航天、核工业、武器制造、机械工业、造船、石油化工、铁道和高速火车、汽车、锅炉和压力容器、特种设备、以及海关检查等等。

目前无损检测技术主要包括射线检测法（RT）、超声检测法（UT）、磁粉检测法（MT）、涡流检测法（ECT）、漏磁检验法（MFL）等。射线检测法对暴露于射线并经处理的胶片可给出受检工件材质内部缺陷生成的直观图像，可做到定性定量准确，对体积型缺陷，诸如气孔、夹渣等，检出率高；对面积型缺陷，诸如裂纹、末熔合等，如果照相角度不适当，则比较容易漏检，且成本高，射线检测操作中需严格防护，以免射线伤害人体。超声检测法穿透能力较大，对平面型缺陷如裂纹、夹层探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小，设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验；不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。此外，超声检测还要求有一定经验的检验人员来进行操作和判断检测结果。磁粉检测法只能用于检测铁磁性材料的表面或近表面的缺陷。涡流检测法检测时线圈不需与被测物直接接触，可进行高速检测，易于实现自动化，但不适用于形状复杂的零件，而且只能检测导电材料的表面和近表面缺陷，检测结果也易于受到材料本身及其他因素的干扰。漏磁检验法只适用于铁磁材料，漏磁检测不能检测铁磁材料内部的缺陷，不适用于检测表面有涂层或覆盖层的试件，不适用于形状复杂的试件，磁漏检测采用传感器采集漏磁通信号，试件形状稍复杂就不利于检测，不适合检测开裂很窄的裂纹，尤其是闭合性裂纹。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前无损检测技术均是基于扫描原理的方法，由人工操作并且需要操作者的主观判断，因此，必须对操作者进行一定的技术培训和/或使之具备一定资质来恰当地判断出部件的缺陷及其对部件功能的影响。当某种技术需要由人为进行判断的话，其可靠性就大打折扣。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：提供一种共振声学无损检测装置，其结构包括传送装置，敲击装置、共振声音收集装置、信号处理、控制装置及缺陷工件处理装置，具体结构包括：信号采集和数据处理智能控制器、显示器、工件运动位置调整机构、CCD图像传感器、自动敲击锤、高精度麦克风、报警器、缺陷工件分离器、传送带主动轮、可变速电机、传送带从动轮及传送带；所述传送装置由传动带、传送带主动轮、传送带从动轮和可变速电机组成；敲击装置由CCD传感器、信号采集和数据处理的智能控制器和自动敲击锤组成；共振声音收集装置选用高精度麦克风；信号处理与控制装置选用信号采集和数据处理的智能控制器。

工件运动位置调整机构、自动敲击锤、CCD传感器、高精度麦克风、缺陷工件处理装置以及报警器都处在传送带一侧，在实施过程中可以将缺陷工件处理装置布置在目前位置的对面，显示器和信号采集和数据处理的智能控制器一般情况下都组织在一起，摆放位置可以根据实施需要任意摆放。

传送带在主动轮的作用下并由从动轮的配合进行工作，如果在实施过程中由于零件相对较大再加之主动轮和从动轮之间的距离过长，可能会影响整个检测过程，因此在主动轮和从动轮之间添加多个支承件，保证被检测零件平稳地传送到自动敲击锤处。支承件与支承件之间的距离取工件最大尺寸的3～5倍。

所述信号采集和数据处理智能控制器，其中包括控制中心与处理中心，其中，处理中心包括图像采集模块、图像预处理模块、图像分割模块和图像识别模块，由CCD传感器采集图像，并进行数模转换，然后进入图像预处理模块进行滤波处理和图像编码，再到图像分割模块进行阈值分割、边界检测和区域分割，最后进行图像识别模块进行处理，并与相应数据库对比并确定敲击力的大小；所述控制中心用于控制图像的采集、敲击锤的敲击、高精度麦克风的信号采集、报警及缺陷工件的分离，并将高精度麦克风采集的声音信号进行滤波、降噪、快速傅里叶变换获得共振声音的频域信号，并将此信号与标定所需工件相关数据库中信息进行对比；信号采集和数据处理的智能控制器设置有参数输入接口，可以输入左右平移度和上下平移度、前几阶频率、电机速度、工件材料属性、工件重量和采集共振声音信号的时间。

所述工件运动位置调整机构设置于传送带首端，用于调整传送带上工件的位置；所述CCD图像传感器用于采集工件图像，将其传递给信号采集和数据处理智能控制器；所述自动敲击锤，接收由信号采集和数据处理智能控制器传递的消息，对工件进行敲击；所述高精度麦克风，用于采集工件共振的声音信号，传回智能控制器的控制中心。

所述工件运动位置调整机构是在标定时，通过调整工件到自动敲击锤的距离，包括长度方向的距离和宽度方向的距离，同时配合环境设置参数来最终确定。缺陷工件分离器是当工件被确定为缺陷工件时才启动的装置，会沿着垂直于传送带运动方向伸出带有软板的机构给缺陷工件一个与运动方向垂直的力使其脱离传送带进入缺陷工件区域等待进一步处理。

所述报警器，包括绿色报警信号与红色报警信号，根据由信号采集和数据处理智能控制器所传递的信号给出报警指示；对于不存在缺陷的信号显示绿色报警信号，对于存在缺陷的信号显示红色报警信号。

工作中，经工件运动位置调整机构将工件调整到合适位置，由可调速电机驱动传送带将其输送到CCD图像传感器所在位置；CCD图像传感器捕获工件图像，将获得图像传送给智能控制器中的图像处理模块，经过图像识别、处理和计算并与相应数据库相连确定敲击力的大小，然后将该值反馈给自动敲击锤，在图像识别过程中工件继续运动，运动至自动敲击锤位置受到击打力，工件发出共振声音，再由高精度麦克风采集共振声音信号，传回智能控制器的控制中心，进行滤波、降噪、快速傅里叶变换获得共振声音的频域信号，将此信号与标定所需工件相关数据库中的数据进行比较，检查其符合程度，确定工件是否存在缺陷，如果不存在缺陷，则工件继续由传送带输出，同时给报警器发送启动绿色通过指令，否则由智能控制器的控制中心给缺陷工件分离器发送启动指令，由缺陷工件分离器将工件从传送带上分离出来，使其进入缺陷工件区，同时控制中心也给报警器发指令，启动红色报警信号。

将检测无缺陷工件的信号存入标定所需工件相关数据库中进一步丰富标定数据，可使检验结果更加快速准确。同时将相应的敲击力和对应的工件相应信息存入识别被检测工件敲击力大小所需数据库中，可以进一步提高确定敲击力的准确性。

将智能控制器控制中心分析计算的频域数据在显示器中显示，同时编号备份到数据库。随着数据库数据的不断增加，标定数据越来越全面丰富，可以重新确定判断准则，实现检测准确率100%。在标定共振声学无损检测装置时，一般会尽量增加无缺陷工件数量，以至于制定出更加合理的有无缺陷评判标准，然而这样做工作量很大而且费用较高，因此该装置在使用过程中不断完善改进评判准则，随着时间的推移该装置的准确度越来越高。同时，此装置还可以监控加工生产线上是否出现故障，并且通过适当分析还可初步确定故障出现在那道工序。

快速傅里叶变换可以通过两种方式：硬件和软件。根据需要进行选择，如果选择软件，可以再配置一台计算机，在计算机上开发快速傅里叶变换软件；如果是硬件，那么将快速傅里叶变换算法硬件化，可以省略计算机，可以DSP等芯片代替。

本发明的有益效果是：这种方法是对结构整体进行测量，包括结构的内部缺陷和外部缺陷，并给出客观和定量的检测结果。这种结构响应是由结构的共振特性决定的，是独一无二的、可重复测量的特征，它反映了部件的几何特点和材料属性，是共振检测技术的基础。

附图说明

图1是共振声学无损检测装置结构框图；

图2是共振声学无损检测装置结构俯视结构图；

图3是缺陷工件处理装置结构示意图；

图4是共振声学无损检测装置信息流处理流程示意图；

图5是图像采集处理流程示意图；

图中：1、信号采集和数据处理的智能控制器；2、显示器；3、工件运动位置调整机构；4、CCD图像传感器；5、自动敲击锤；6、高精度麦克风；7、报警器；8、缺陷工件分离器；9、传送带主动轮；10、可变速电机；11、传送带从动轮；12、工件；13、传送带；14、推板；15、电机；16、传动机构； 17、推杆。

具体实施方式

以下通过实施例方式对本发明进行说明。

如图1、2所示，提供一种共振学无损检测装置，其结构包括：传送装置，敲击装置、共振声音收集装置、信号处理、控制装置及缺陷工件处理装置；其中，传送装置由传动带13、传送带主动轮9、传送带从动轮11和可变速电机10组成，；敲击装置由CCD传感器4、信号采集和数据处理的智能控制器1和自动敲击锤5组成；共振声音收集装置是高精度麦克风6；信号处理与控制装置是信号采集和数据处理的智能控制器1；缺陷工件处理装置是图1中的8，其结构如图3所示。

工作中，将需要检测工件12放置在传送带13上，通过调整机构3调整被检测工件，使得工件当运动到CCD传感器和敲击锤处水平距离合适，配合其他机构完成检测工作。工件运动位置调整机构3、自动敲击锤5、CCD传感器4、高精度麦克风6、缺陷工件处理装置8以及报警器7都处在传送带一侧，在实施过程中可以将缺陷工件处理装置8布置在目前位置的对面，这样更可以缩短缺陷工件处理装置8中推杆17的工作距离。报警器7可以根据实施需要任意摆放位置，其仅仅起到提示和警示的作用。显示器2和信号采集和数据处理的智能控制器1一般情况下都组织在一起，摆放位置可以根据实施需要任意摆放。传送带13在主动轮9的作用下并由从动轮11的配合进行工作，如果在实施过程中由于零件相对较大再加之主动轮9和从动轮11之间的距离过长，可能会影响整个检测过程，因此可以根据实施的需要在主动轮9和从动轮11之间靠近中心的位置添加惰轮。

当工件经过敲击锤击5打工件并由高精度麦克风6采集共振声音信号，再经过信号采集和数据处理的智能控制器1从时域到频域处理并与标定数据库数据进行比较后，如果存在缺陷，由信号采集和数据处理的智能控制器1的控制模块向电机15发送启动指令，电机15的旋转经过传动机构16转换为推杆17的直线运动，然后由推板14将工件推离传送带13，使工件进入缺陷工件处理区。

如图4所示，共振声学无损检测装置信息流与所做的处理流程是：信号采集和数据处理的智能控制器1接通电源并启动装置，首先进行参数输入，控制器根据输入参数启动可调速电机10，将工件输送到CCD传感器位置，如图5所示进行图像采集，然后将所采集图像送回信号采集和数据处理的智能控制器1的处理中心进行图像分析识别，从而获得工件几何形状，根据输入的工件材料属性、重量估算出工件的前几阶固有频率，进而得到一个合适的敲击力，在此过程中工件在传送带13一直运动，当运动至自动敲击锤5受到敲击，产生共振声音，再由高精度麦克风6采集共振声音，并将其传送回信号采集和数据处理的智能控制器1的处理中心，进行快速傅里叶变换，将共振声音信号从时域变换到频域，与标定所需工件相关数据进行比较，如果前几阶频率上下平移度和左右平移度均在设置范围内，工件无缺陷，否则此工件属于缺陷工件。

此过程需要有数个要检测的同类工件，先预估一个敲击力，敲击工件并进行共振声音信号采集，然后快速傅里叶变换获得零件频谱，同时对零件进行有限元谱分析，将结果与实测的进行比较，反复此过程确定最终的敲击力和待测工件频谱，将其存入标定所需数据库中以备用。此标定按理论上说，同类工件越多越好，然而实际实施中是做不到的，这可以在实际检测时弥补。在实际检测时，每检测一次工件不仅进行了检测，而且同时是对敲击力和标定数据的进一步完善。

Claims (4)

1.一种共振声学无损检测装置，结构分为传送装置，敲击装置、共振声音收集装置、信号处理、控制装置及缺陷工件处理装置；其特征在于：结构具体包括：信号采集和数据处理的智能控制器、显示器、工件运动位置调整机构、CCD图像传感器、自动敲击锤、高精度麦克风、报警器、缺陷工件分离器、传送带转动轮、可变速电机、传送带从动轮及传送带；

所述传送装置由传动带、传送带主动轮、传送带从动轮和可变速电机组成，传送带是由可变速电动机带动传送带主动轮并由传送带从动轮的配合进行工作；

所述敲击装置由CCD传感器、信号采集和数据处理的智能控制器和自动敲击锤组成；

所述共振声音收集装置选用高精度麦克风；

所述信号处理与控制装置选用信号采集和数据处理的智能控制器；

所述工件运动位置调整机构设置于传送带首端；CCD传感器、自动敲击锤、高精度麦克风、缺陷工件处理装置以及报警器依次设置于传送带一侧，

所述信号采集和数据处理智能控制器，其中包括控制中心与处理中心，所述处理中心包括图像采集模块、图像预处理模块、图像分割模块和图像识别模块，所述控制中心分别与CCD传感器、自动敲击锤、高精度麦克风、缺陷工件处理装置以及报警器连接；

所述缺陷工件分离器是当工件被确定为缺陷工件时才启动的装置，会沿着垂直于传送带运动方向伸出带有软板的机构给缺陷工件一个与运动方向垂直的力使其脱离传送带进入缺陷工件区域等待进一步处理；

所述报警器，包括绿色报警信号与红色报警信号；

工作中，经工件运动位置调整机构将工件调整到合适位置，由可调速电机驱动传送带将其输送到CCD图像传感器所在位置；由CCD传感器采集图像，并进行数模转换，然后进入图像预处理模块进行滤波处理和图像编码，再到图像分割模块进行阈值分割、边界检测和区域分割，最后进行图像识别模块进行处理，并与相应数据库对比并确定敲击力的大小，然后将该值反馈给自动敲击锤；在图像识别过程中工件继续运动，运动至自动敲击锤位置受到击打力，工件发出共振声音，再由高精度麦克风采集共振声音信号，传回智能控制器的控制中心，由控制中心对高精度麦克风采集的声音信号进行滤波、降噪、快速傅里叶变换获得共振声音的频域信号，并将此信号与标定所需工件相关数据库中信息进行对比，检查其符合程度，确定工件是否存在缺陷，如果不存在缺陷，则工件继续由传送带输出，同时给报警器发送启动绿色通过指令，否则由智能控制器的控制中心给缺陷工件分离器发送启动指令，由缺陷工件分离器将工件从传送带上分离出来，使其进入缺陷工件区，同时控制中心也给报警器发指令，启动红色报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种共振声学无损检测装置，其特征在于，所述信号采集和数据处理的智能控制器设置有参数输入接口，可以输入左右平移度和上下平移度、前几阶频率、电机速度、工件材料属性、工件重量和采集共振声音信号的时间。

3.根据权利要求1所述的一种共振声学无损检测装置，其特征在于，所述工件运动位置调整机构是在标定时，所述通过调整工件到自动敲击锤的距离，包括长度方向的距离和宽度方向的距离，同时配合环境设置参数来最终确定。

4.根据权利要求1所述的一种共振声学无损检测装置，其特征在于，所述主动轮和从动轮之间添加多个支承件，支承件与支承件之间的距离取工件最大尺寸的3～5倍。