CN107727660A - 基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统及方法 - Google Patents

基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统及方法，其中系统包括视觉探伤子系统、脉冲涡流探伤子系统、数据传输子系统和数据处理子系统。采用该种系统及方法，用嵌入式技术构建基于机器视觉和脉冲涡流检测系统，通过对钢轨进行扫描检测，综合两者的检测结果，结合缺陷面积、长宽比等特征判断缺陷大小，对钢轨表面缺陷有无进行判别；引入物联网技术进行无线信号传输，可以实现实时检测，在线定位、远程控制等功能，增加4G‑LTE传输功能，移动、联通、电信4G高速接入，同时支持多制式通信接入，具有高度的可靠性，实现实时超远距离对钢轨进行探伤；该系统及方法运用脉冲涡流技术、机器视觉技术以及物联网技术，具有较高的应用价值。

Description

基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统及方法
技术领域
本发明涉及钢轨表面缺陷探伤技术领域，具体是指一种基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统及方法。
背景技术
近几年随着我国轨道交通运输事业的快速发展，对钢轨无损探伤的需求越来越高。在车轮对钢轨不断反复摩擦、冲击和挤压下，会在钢轨的不同位置造成损伤。目前钢轨无损探伤以超声回波探伤法为主，适用于内部缺陷的检测，对表面缺陷探测检测能力有限，而钢轨表面缺陷会导致列车行车不平稳，加速缺陷深化，进一步影响列车行车安全；也会加速车轮的磨损，减少列车使用寿命，需要及时检出。
目前钢轨表面缺陷常用的检测方法有：涡流法、磁粉法、渗透法和机器视觉等。涡流检测信号受缺陷大小、走向的限制，受诸如提离等外界干扰的影响较大，对较小缺陷检测能力有限；机器视觉法探伤灵敏度高，受到光照不均匀、覆盖物等环境影响，造成虚检率较高。磁粉法、渗透法需要添加额外的检测材料，不适用于在线实时检测。
此外，目前大多数的探伤系统不具备在线检测功能，无法实时高效率地对钢轨表面进行探伤。
发明内容
本发明提供了一种基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统及方法，目的在于克服现有技术中的缺陷，综合机器视觉和脉冲涡流的检测结果，结合缺陷面积、长宽比等特征判断缺陷大小，对钢轨表面缺陷有无进行判别，引入物联网技术进行无线信号传输，可以实现实时检测，在线定位、远程控制等功能。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
该基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，所述系统包括：
视觉探伤子系统，包括第一单片机模块、摄像头模块和第一通信模块，在所述第一单片机模块的控制下，所述摄像头模块获取被检测物表面的图像，所述第一单片机模块对所述摄像头获取的图像进行处理，提取缺陷的形态特征，作为所述视觉探伤子系统的检测数据；
脉冲涡流探伤子系统，包括第二单片机模块、驱动模块、探头模块和第二通信模块，在所述第二单片机模块的控制下，所述驱动模块驱动所述探头模块对被检测物表面进行涡流探测，所述第二单片机模块对所述探头模块获取的被检测物涡流数据进行处理，提取缺陷特征值，作为所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
数据传输子系统，包括第三通信模块、第四通信模块和第五通信模块，所述第三通信模块和所述第四通信模块分别与所述第一通信模块和第二通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
数据处理子系统，与所述第五通信模块进行通信，接收所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并进行处理。
可选地，所述视觉探伤子系统还包括外部存储模块，所述摄像头模块获取的图像存储于所述外部存储模块中。
可选地，所述探头模块包括检测探头和参考探头，所述检测探头用于检测被检测物表面的涡流信号，所述参考探头用于检测干扰的涡流信号。
可选地，所述脉冲涡流探伤子系统还包括信号调理模块，，所述检测探头和参考探头均与所述信号调理模块的输入端相连接，所述信号调理模块对所述被检测物表面的涡流信号进行放大处理和降噪处理，所述信号调理模块的输出端与所述第二单片机模块的输入端相连接。
可选地，所述信号调理模块包括差分放大芯片和运算放大器，所述差分放大芯片的输入端分别与所述检测探头的输出端和所述参考探头的输出端相连接，所述差分放大芯片的输出端与所述运算放大器的输入端相连接，所述运算放大器的输出端与所述第二单片机模块的输入端相连接。
可选地，所述第一通信模块为第一串口模块，所述第二通信模块为第二串口模块，所述第三通信模块为第三串口模块，所述第四通信模块为第四串口模块。
可选地，所述第五通信模块为4G传输模块，所述数据传输子系统还包括SIM卡模块，所述SIM卡模块与所述4G传输模块进行通信。
可选地，所述数据处理子系统包括基站、云服务器和上位机模块；
所述基站与所述第五通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并发送至所述云服务器；
所述上位机模块从所述云服务器中获取视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据，进行处理，得到被检测物的表面缺陷检测结果并进行显示。
本发明实施例还提供一种基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测方法，采用所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，所述方法包括如下步骤：
所述摄像头模块获取被检测物表面的图像；
所述第一单片机模块对所述摄像头获取的图像进行处理，提取缺陷的形态特征，作为所述视觉探伤子系统的检测数据；
所述驱动模块驱动所述探头模块对被检测物表面进行涡流探测；
所述第二单片机模块对所述探头模块获取的被检测物涡流数据进行处理，提取缺陷特征值，作为所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
所述第三通信模块和所述第四通信模块分别与所述第一通信模块和第二通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
所述数据处理子系统与所述第五通信模块进行通信，接收所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并进行处理。
采用了该发明中的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统及方法，用嵌入式技术构建基于机器视觉和脉冲涡流检测系统，通过对钢轨进行扫描检测，综合两者的检测结果，结合缺陷面积、长宽比等特征判断缺陷大小，对钢轨表面缺陷有无进行判别；引入物联网技术进行无线信号传输，可以实现实时检测，在线定位、远程控制等功能，增加4G-LTE 传输功能，移动、联通、电信4G高速接入，同时支持多制式通信接入，具有高度的可靠性，实现实时超远距离对钢轨进行探伤；该系统运用脉冲涡流技术、机器视觉技术以及物联网技术，具有较强的技术创新性和先进性，该系统运行稳定，可靠性高，具有较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明一实施例的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统的结构框图；
图2是本发明一实施例的摄像头模块的电路原理图；
图3a和图3b是本发明一实施例的第一单片机模块的电路原理图；
图4是本发明一实施例的外部存储模块的电路原理图；
图5是本发明一实施例的第一串口模块的电路原理图；
图6a和图6b是本发明一实施例的第二单片机模块的电路原理图；
图7是本发明一实施例的驱动模块的电路原理图；
图8是本发明一实施例的探头模块的电路原理图；
图9是本发明一实施例的信号调理模块的电路原理图；
图10是本发明一实施例的第二串口模块的电路原理图；
图11是本发明一实施例的第三串口模块的电路原理图；
图12是本发明一实施例的第四串口模块的电路原理图；
图13a和图13b是本发明一实施例的4G传输模块的电路原理图；
图14a、14b和14c是本发明一实施例的SIM卡模块的电路原理图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
如图1所示，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，所述系统包括视觉探伤子系统、脉冲涡流探伤子系统、数据传输子系统和数据处理子系统；其中：
所述视觉探伤子系统包括第一单片机模块、摄像头模块和第一通信模块，在所述第一单片机模块的控制下，所述摄像头模块获取被检测物表面的图像，所述第一单片机模块对所述摄像头获取的图像进行处理，提取缺陷的形态特征，作为所述视觉探伤子系统的检测数据。
所述脉冲涡流探伤子系统包括第二单片机模块、驱动模块、探头模块和第二通信模块，在所述第二单片机模块的控制下，所述驱动模块驱动所述探头模块对被检测物表面进行涡流探测，所述第二单片机模块对所述探头模块获取的被检测物涡流数据进行处理，提取缺陷特征值，作为所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据。
所述数据传输子系统包括第三通信模块、第四通信模块和第五通信模块，所述第三通信模块和所述第四通信模块分别与所述第一通信模块和第二通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据。
所述数据处理子系统与所述第五通信模块进行通信，接收所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并进行处理。具体地，所述数据处理子系统包括包括基站、云服务器和上位机模块；所述基站与所述第五通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并发送至所述云服务器；所述上位机模块通过4G/WiFi网络从云服务器下载数据，所述上位机模块从所述云服务器中获取视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据后，对其进行处理，得到被检测物的表面缺陷检测结果，即判断被检测物(例如钢轨)中是否存在缺陷，并将检测结果进行显示。
进一步地，所述视觉探伤子系统还包括外部存储模块，所述摄像头模块获取的图像存储于所述外部存储模块中。所述第一单片机模块可以从所述外部存储模块中获取到图像进行处理。所述外部存储模块可以是移动硬盘、U盘等外部存储设备，可以根据需要进行选用。
进一步地，所述探头模块可以包括检测探头和参考探头，所述检测探头用于检测被检测物表面的涡流信号，所述参考探头用于检测干扰的涡流信号。所述脉冲涡流探伤子系统还可以包括信号调理模块，所述检测探头和参考探头均与所述信号调理模块的输入端相连接，所述信号调理模块对所述被检测物表面的涡流信号进行放大处理和降噪处理，所述信号调理模块的输出端与所述第二单片机模块的输入端相连接。
进一步地，所述信号调理模块包括差分放大芯片和运算放大器，所述差分放大芯片的输入端分别与所述检测探头的输出端和所述参考探头的输出端相连接，所述差分放大芯片的输出端与所述运算放大器的输入端相连接，所述运算放大器的输出端与所述第二单片机模块的输入端相连接。
进一步地，所述第一通信模块为第一串口模块，所述第二通信模块为第二串口模块，所述第三通信模块为第三串口模块，所述第四通信模块为第四串口模块，即所述视觉探伤子系统、脉冲涡流探伤子系统和数据传输子系统之间通过串口进行通信。所述第五通信模块优选为4G传输模块，所述数据传输子系统还包括SIM卡模块，所述SIM卡模块与所述4G传输模块进行通信，所述SIM卡模块读取插入数据传输子系统的SIM卡，以支持所述4G传输模块的服务，所述4G传输模块可以大大提高数据传输子系统和数据处理子系统之间的数据传输速度。
本发明实例还可以提供一种基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测方法，采用所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，所述方法包括如下步骤：
所述摄像头模块获取被检测物表面的图像；
所述第一单片机模块对所述摄像头获取的图像进行处理，提取缺陷的形态特征，作为所述视觉探伤子系统的检测数据；
所述驱动模块驱动所述探头模块对被检测物表面进行涡流探测；
所述第二单片机模块对所述探头模块获取的被检测物涡流数据进行处理，提取缺陷特征值，作为所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
所述第三通信模块和所述第四通信模块分别与所述第一通信模块和第二通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
所述数据处理子系统与所述第五通信模块进行通信，接收所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并进行处理。
具体地，在本发明一实施例中，给出了上述各个功能模块之间的连接关系。下面将结合图2～图14对上述各个功能模块之间的连接关系进行具体描述。此处仅为一种优选的实施方式，在实际应用中，各个功能模块的选型和连接关系可以不以此为限，而进行其他的变形，均属于本发明的保护范围之内。
如图2所示，所述摄像头模块电路包括用于插摄像头的插头P6：插头P6的1脚与电容 C26一端相连，并接直流电源3.3V，2脚与电容C26的另一端相连，并接地，3～18脚分别与第一单片机模块中单片机U2的122脚、117脚、128脚、129脚、132脚、26脚、27脚、28 脚、29脚、44脚、45脚、96脚、97脚、134脚、100脚、133脚相连。
如图3a和3b所示，第一单片机模块包括单片机U2和用于单片机U2复位的按键RST：单片机U2的1～5脚悬空，6脚接直流电源3.3V，7～9脚悬空，10脚与外部存储模块中外部存储芯片U1的24脚相连，11～15脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1的1～5脚相连， 16脚接地，17脚接直流电源3.3V，18～22脚悬空，23脚与晶振Y1的一端和电容C9的一端相连，24脚与晶振Y1的另一端和电容C8的一端相连，电容C9的另一端与电容C8的另一端相连，25脚与电阻R3的一端、按键RST的一端和电容C7的一端相连，电阻R3的另一端接直流电源3.3V，电容C7的另一端与按键RST的另一端相连，并接地，26～29脚分别与摄像头模块中插头P6的8～11脚相连，30脚与电容C5的一端、电容C6的一端相连，并接地， 31脚和32脚悬空，33脚与电容C5的另一端、电容C6的另一端相连，并接直流电源3.3V， 34～37脚悬空，38脚接地，39脚接直流电源3.3V，40～43脚悬空，44脚、45脚分别与摄像头模块中插头P6的12脚、13脚相连，46脚和47脚悬空，48脚与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与接线端子P7的4脚相连，49脚悬空，50脚与外部存储模块中外部存储芯片U1的23脚相连，51脚接地，52脚接直流电源3.3V，53～57脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1的22脚、21脚、20脚、19脚、18脚相连，58～60脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1的13～15脚相连，61脚接地，62脚接直流电源3.3V，63脚与外部存储模块中外部存储芯片U1的16脚相连，64～67脚与外部存储模块中外部存储芯片U1的29～32 脚相连，68脚与外部存储模块中外部存储芯片U1的35脚相连，69脚与第一串口模块中串口转换芯片U5的11脚相连，70脚第一串口模块中串口转换芯片U5的12脚相连，71脚接地，72脚接直流电源3.3V，73～76脚悬空，77～79脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1 的36～38脚相连，80～82脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1的42～44脚相连，83脚接地，84脚接直流电源3.3V，85脚、86脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1的7脚、8脚相连，87～90脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1的28脚、27脚、26脚、25脚相连，91～93脚悬空，94脚接地，95脚接直流电源3.3V，96脚、97脚分别与摄像头模块中插头P6的14脚、15脚相连，98脚和99脚悬空，100脚与摄像头模块中插头P6的17脚相连， 101～106脚悬空，107脚接地，108脚接直流电源3.3V，109～113脚悬空，114脚、115脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1的9脚、10脚相连，116脚悬空，117脚与摄像头模块中插头P6的4脚相连，118脚与外部存储模块中外部存储芯片U1的41脚相连，119脚与外部存储模块中外部存储芯片U1的17脚相连，120脚接地，121脚接直流电源3.3V，122脚与摄像头模块中插头P6的3脚相连，123脚和124脚悬空，125脚与外部存储模块中外部存储芯片U1的6脚、外部存储模块中电阻R1的一端相连，126脚和127脚悬空，128脚、129 脚分别与摄像头模块中插头P6的6脚、5脚相连，130脚接地，131脚接直流电源3.3V，132 脚与摄像头模块中插头P6的7脚相连，133脚与摄像头模块中插头P6的18脚相连，134脚与摄像头模块中插头P6的16脚相连，135脚悬空，136脚和137脚悬空，138脚与电阻R2 的一端相连，电阻R2的另一端与接线端子P7的3脚相连，139脚、140脚悬空，141脚、142 脚分别与外部存储模块中外部存储芯片U1的39脚、40脚相连，143脚接地，144脚接直流电源3.3V。接线端子P7的1脚和2脚接3.3V直流电源，接线端子P7的5脚和6脚接地。
如图4所示，所述外部存储模块包括外部存储芯片U1：外部存储芯片U1的1～5脚分别与第一单片机模块中单片机U2的11～15脚相连，6～10脚分别与单片机模块中单片机U2的 125脚、85脚、86脚、114脚、115脚相连，11脚与33脚、电容C1和C2的一端相连，并接直流电源3.3V，12脚与34脚、电容C1和C2的另一端相连，并接地，13～33脚分别与第一单片机模块中单片机U2的58脚、59脚、60脚、63脚、119脚、57脚、56脚、55脚、54 脚、53脚、50脚、10脚、90脚、89脚、88脚、88脚、87脚、64脚、65脚、66脚、67脚相连，35～44脚分别与第一单片机模块中单片机U2的68脚、77脚、78脚、79脚、141脚、 142脚、118脚、80脚、81脚、82脚。
如图5所示，所述第一串口模块包括串口转换芯片U5、用于与无线传输子系统中第三串口模块对接的插口J1：串口转换芯片U5的1脚与电容C39的一端相连，2脚与电容C40的一端相连，3脚与电容C39的另一端相连，4脚与电容C41的一端相连，5脚与电容C41的另一端相连，6脚与电容C42的一相连，电容C42的另一端接地，7～10脚悬空，11脚与第一单片机模块中单片机U2的69脚相连，12脚与第一单片机模块中单片机U2的70脚相连， 13脚与插口J1的3脚相连，14脚与插口J1的2脚相连，15脚接地，16脚与电容C43的一端、电容C40的另一端相连，并接直流电源5V，电容C43的另一端接地，插口J1的1脚和4脚悬空，插口J1的5脚接地，插口J1的6～11脚悬空。插口J1与无线传输子系统中第三串口模块的插口J3对接。
如图6a和6b所示，所述第二单片机模块包括单片机U3和用于单片机U3复位的按键RST1：单片机U3的1～5脚悬空，6脚接直流电源3.3V，7～15脚悬空，16脚接地，17脚接直流电源3.3V，16～22脚悬空，23脚与晶振Y2的一端和电容C14的一端相连，24脚与晶振 Y14的另一端和电容C13的一端相连，电容C14的另一端与电容C13的另一端相连，25脚与电阻R7的一端、按键RST1的一端和电容C12的一端相连，电阻R7的另一端接直流电源 3.3V，电容C12的另一端与按键RST的另一端相连，并接地，26～29脚悬空，30脚与电容 C10的一端、电容C11的一端相连，并接地，31脚和32脚悬空，33脚与电容C10的另一端、电容C11的另一端相连，并接直流电源3.3V，34～37脚悬空，38脚接地，39脚接直流电源 3.3V，40～45脚悬空，46脚与信号调理模块中运算放大器U8的1脚、信号调理模块中电容 C53的一端、信号调理模块中电阻R14的一端相连，47脚悬空，48脚与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与接线端子P5的4脚相连，49脚和50脚悬空，51脚接地，52脚接直流电源3.3V，53～60脚悬空，61脚接地，62脚接直流电源3.3V，63～68脚悬空，69脚与第二串口模块中串口转换芯片U6的11脚相连，70脚串口模块6中串口转换芯片U6的12脚相连， 71脚接地，72脚接直流电源3.3V，73～82脚悬空，83脚接地，84脚接直流电源3.3V，85～93 脚悬空，94脚接地，95脚接直流电源3.3V，96～106脚悬空，107脚接地，108脚接直流电源 3.3V，109～113脚悬空，114～119脚悬空，120脚接地，121脚接直流电源3.3V，122～129脚悬空，130脚接地，131脚接直流电源3.3V，132～135脚悬空，136脚与驱动模块中驱动芯片 U4的2脚相连，137脚悬空，138脚与电阻R5的一端相连，电阻R2的另一端与接线端子P5 的3脚相连，139～142脚悬空，143脚接地，144脚接直流电源3.3V。接线端子P5的1脚和 2脚接3.3V直流电源，接线端子P7的5脚和6脚接地。
如图7所示，所述驱动模块包括驱动芯片U4：驱动芯片U5的1脚与二极管D1正极、电解电容C3的正端相连，并接+12V，C3的负极接地，2脚与第二单片机模块中单片机U3 的136脚相连，3脚接直流电源3.3V，4脚接地，5脚与R10的一端相连，R10的另一端与 mos管VT2的1脚相连，6脚与mos管VT1的3脚、VT2的2脚和电解电容C4的负端、探头模块航空接头E3和E5的5脚相连，7脚与R9的一端相连，R9的另一端与mos管VT1 的1脚相连，8脚与C4的正端和二极管D1的负极相连，mos管VT1的2脚接直流电源3.3V， mos管VT2的3脚接地。
如图8所示，所述探头模块包括检测探头的接口的航空接头E2和E3，参考探头的接口的航空接头E4和E5：航空接头E3的1～4脚接地，5脚与驱动模块驱动芯片U4的6脚和航空接头E5的5脚相连；航空接头E2的1～4脚接地，5脚与信号调理模块中差分放大芯片U9 的2脚相连；航空接头E5的1～4脚接地，5脚与驱动模块驱动芯片U4的6脚和航空接头E3 的5脚相连；航空接头E4的1～4脚接地，5脚与信号调理模块中差分放大芯片U9的3脚相连。
如图9所示，所述信号调理模块包括差分放大芯片U9、运算放大器U8:差分放大芯片 U9的1脚与R16的一端相连，2脚与探头模块中航空接头E2的5脚相连，3脚与探头模块中航空接头E4的5脚相连，4脚接直流电源-12V，5脚接地，6脚与电阻R11的一端相连，7 脚接直流电源+12V，8脚与滑动变阻器R8的一端相连，R16的另一端与滑动变阻器R8的另一端相连；运算放大器U8的1脚与电阻R14的一端、电容C53的一端、第二单片机模块中单片机U3中的46脚相连，电容C53的另一端与电阻R11的另一端、电阻R12的一端相连， 2脚与R14的另一端、电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端接地，3脚与电阻R12的另一端、电容C54的一端相连，电容C54的另一端接地，4脚接地，5～7脚悬空，8脚接直流电源+12V。
如图10所示，所述第二串口模块包括串口转换芯片U6、用于与无线传输子系统中串口模块对接的插口J2：串口转换芯片U6的1脚与电容C44的一端相连，2脚与电容C45的一端相连，3脚与电容C44的另一端相连，4脚与电容C46的一端相连，5脚与电容C46的另一端相连，6脚与电容C47的一相连，电容C47的另一端接地，7～10脚悬空，11脚与第二单片机模块中单片机U3的69脚相连，12脚与第二单片机模块中单片机U3的70脚相连，13 脚与插口J2的3脚相连，14脚与插口J2的2脚相连，15脚接地，16脚与电容C48的一端、电容C45的另一端相连，并接直流电源5V，电容C48的另一端接地，插口J2的1脚和4脚悬空，插口J2的5脚接地，插口J2的6～11脚悬空。插口J2与无线传输子系统中第三串口模块的插口J4对接。
如图11所示，所述第三串口模块包括串口转换芯片U7、用于与机器视觉探伤子系统中第一串口模块对接的插口J3：串口转换芯片U7的1脚与电容C54的一端相连，2脚与电容C55的一端相连，并接直流电源5.5V，3脚与电容C54的另一端相连，4脚与电容C56的一端相连，5脚与电容C56的另一端相连，6脚与电容C57的一相连，电容C57的另一端接地， 7～10脚悬空，11脚与4G传输模块中4G传输模块接口U10的3脚相连，12脚与4G传输模块接口U10的4脚相连，13脚与插口J3的3脚相连，14脚与插口J3的2脚相连，15脚接地，16脚与电容C58的一端、电容C55的另一端相连，并接直流电源5V，电容C58的另一端接地，插口J3的1脚和4脚悬空，插口J3的5脚接地，插口J3的6～11脚悬空。插口J3 与机器视觉探伤子系统中串口模块的插口J1对接。
如图12所示，所述第四串口模块包括串口转换芯片U11、用于与脉冲涡流探伤子系统中第二串口模块对接的插口J4：串口转换芯片U11的1脚与电容C59的一端相连，2脚与电容 C60的一端相连，3脚与电容C59的另一端相连，4脚与电容C61的一端相连，5脚与电容C61的另一端相连，6脚与电容C62的一相连，电容C62的另一端接地，7～10脚悬空，11脚与4G传输模块中4G传输模块接口U10的6脚相连，12脚与4G传输模块接口U10的7脚相连，13脚与插口J4的3脚相连，14脚与插口J4的2脚相连，15脚接地，16脚与电容C63 的一端、电容C60的另一端相连，并接直流电源5V，电容C63的另一端接地，插口J4的1 脚和4脚悬空，插口J4的5脚接地，插口J4的6～11脚悬空。插口J4与机器视觉探伤子系统中串口模块的插口J2对接。
如图13a和13b所示，所述4G传输模块包括4G传输模块接口U10、用于控制4G传输模块开关的按键S203：4G传输模块接口U10的1脚和2脚悬空，3脚与第三串口模块中串口转换芯片U7的11脚相连，4脚与第三串口模块中串口转换芯片U7的12脚相连，5脚悬空，6脚与第四串口模块中串口转换芯片U11的11脚相连，7脚与第四串口模块中串口转换芯片U11的12脚相连，8～10脚悬空，11脚和12脚接地，13脚与14脚、电解电容C52的正端相连，并接直流电源+12V，电解电容C52的负端接地，14～18脚悬空，19脚与开关S203 的一端、电阻R203的一端、电容C203的一端相连，开关S203的另一端与电阻R206的一端相连，电阻R206的另一端接地，电容C203的另一端接地，20脚与SIM卡模块中SIM卡槽 ESD1的1脚、SIM卡模块中电容C64的一端、SIM卡模块中电容C65的一端、SIM卡模块中电阻R17的一端、SIM卡模块中SIM卡槽引脚接口J5的4脚、SIM卡模块中SIM卡槽引脚接口J5的1脚相连，21脚与SIM卡模块中SIM卡槽ESD1的3脚、SIM卡模块中电阻R17 的另一端、SIM卡模块中SIM卡槽引脚接口J5的6脚相连，22脚与SIM卡模块中SIM卡槽 ESD1的4脚、SIM卡模块中SIM卡槽引脚接口J5的5脚相连，23脚与SIM卡模块中SIM 卡槽ESD1的5脚、SIM卡模块中SIM卡槽引脚接口J5的3脚相连。
如图14a、14b和14c所示，所述SIM卡模块包括用于插SIM卡的SIM卡槽ESD1和SIM卡槽引脚接口J5，ESD1的1脚与电容C64的一端、电容C65的一端、J5的1脚和4脚、电阻R17的一端、4G传输模块中4G传输模块接口U10的20脚相连，2脚接地，3脚与电阻 R17的另一端、J5的6脚、4G传输模块中4G传输模块接口U10的21脚相连，4脚与J5的 5脚、4G传输模块中4G传输模块接口U10的22脚相连，5脚与J5的3脚、4G传输模块中4G传输模块接口U10的23脚相连，J5的2脚接地，J5的7脚和8脚悬空。
进一步优选地，所述摄像头P6型号为：OV7670，所述单片机U2和单片机U3型号为:STM32F103ZET6，所述外部存储芯片U1型号为：IS62WV51216，所述驱动芯片U4型号为：IR2104S，所述mos管VT1和VT2的型号为：IRF2104S，所述差分放大芯片U9型号为： AD620，所述串口转换芯片U5、U6、U7、U11型号为SP3232，所述4G传输模块U10型号为：USR-LTE-7S4。此处仅为一种可选的实施方式，在实际应用中不限于此，采用其他类似型号的设备和芯片，均属于本发明的保护范围之内。
采用了该发明中的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统及方法，用嵌入式技术构建基于机器视觉和脉冲涡流检测系统，通过对钢轨进行扫描检测，综合两者的检测结果，结合缺陷面积、长宽比等特征判断缺陷大小，对钢轨表面缺陷有无进行判别；引入物联网技术进行无线信号传输，可以实现实时检测，在线定位、远程控制等功能，增加4G-LTE 传输功能，移动、联通、电信4G高速接入，同时支持多制式通信接入，具有高度的可靠性，实现实时超远距离对钢轨进行探伤；该系统运用脉冲涡流技术、机器视觉技术以及物联网技术，具有较强的技术创新性和先进性，该系统运行稳定，可靠性高，具有较高的应用价值。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，其特征在于，所述系统包括：
视觉探伤子系统，包括第一单片机模块、摄像头模块和第一通信模块，在所述第一单片机模块的控制下，所述摄像头模块获取被检测物表面的图像，所述第一单片机模块对所述摄像头获取的图像进行处理，提取缺陷的形态特征，作为所述视觉探伤子系统的检测数据；
脉冲涡流探伤子系统，包括第二单片机模块、驱动模块、探头模块和第二通信模块，在所述第二单片机模块的控制下，所述驱动模块驱动所述探头模块对被检测物表面进行涡流探测，所述第二单片机模块对所述探头模块获取的被检测物涡流数据进行处理，提取缺陷特征值，作为所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
数据传输子系统，包括第三通信模块、第四通信模块和第五通信模块，所述第三通信模块和所述第四通信模块分别与所述第一通信模块和第二通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
数据处理子系统，与所述第五通信模块进行通信，接收所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并进行处理。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，其特征在于，所述视觉探伤子系统还包括外部存储模块，所述摄像头模块获取的图像存储于所述外部存储模块中。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，其特征在于，所述探头模块包括检测探头和参考探头，所述检测探头用于检测被检测物表面的涡流信号，所述参考探头用于检测干扰的涡流信号。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，其特征在于，所述脉冲涡流探伤子系统还包括信号调理模块，，所述检测探头和参考探头均与所述信号调理模块的输入端相连接，所述信号调理模块对所述被检测物表面的涡流信号进行放大处理和降噪处理，所述信号调理模块的输出端与所述第二单片机模块的输入端相连接。
5.根据权利要求4所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，其特征在于，所述信号调理模块包括差分放大芯片和运算放大器，所述差分放大芯片的输入端分别与所述检测探头的输出端和所述参考探头的输出端相连接，所述差分放大芯片的输出端与所述运算放大器的输入端相连接，所述运算放大器的输出端与所述第二单片机模块的输入端相连接。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，其特征在于，所述第一通信模块为第一串口模块，所述第二通信模块为第二串口模块，所述第三通信模块为第三串口模块，所述第四通信模块为第四串口模块。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，其特征在于，所述第五通信模块为4G传输模块，所述数据传输子系统还包括SIM卡模块，所述SIM卡模块与所述4G传输模块进行通信。
8.根据权利要求1所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，其特征在于，所述数据处理子系统包括基站、云服务器和上位机模块；
所述基站与所述第五通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并发送至所述云服务器；
所述上位机模块从所述云服务器中获取视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据，进行处理，得到被检测物的表面缺陷检测结果并进行显示。
9.一种基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的基于机器视觉和脉冲涡流的钢轨表面缺陷检测系统，所述方法包括如下步骤：
所述摄像头模块获取被检测物表面的图像；
所述第一单片机模块对所述摄像头获取的图像进行处理，提取缺陷的形态特征，作为所述视觉探伤子系统的检测数据；
所述驱动模块驱动所述探头模块对被检测物表面进行涡流探测；
所述第二单片机模块对所述探头模块获取的被检测物涡流数据进行处理，提取缺陷特征值，作为所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
所述第三通信模块和所述第四通信模块分别与所述第一通信模块和第二通信模块进行通信，获取所述视觉探伤子系统和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据；
所述数据处理子系统与所述第五通信模块进行通信，接收所述视觉探伤子系统的检测数据和所述脉冲涡流探伤子系统的检测数据并进行处理。
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