CN108120685A - 基于光声成像的钢丝绳芯检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光声成像的钢丝绳芯检测方法和装置，采用的光声成像技术对输送带无损耗，同时具备了纯光学成像和纯声学成像的优点，且对人体无辐射；装置工艺相对简化，可以广泛应用于输送带的检测，不会因为长时间工作而产生误判并且降低了维护要求；可靠性更高，采用光声效应不需要与输送带直接接触，减少了磨损问题，而且成像深度更高，分辨率也更高；不会因出现输送带裂口不宽不能使物料外露而不能检测的情况；能够避免重大安全事故的发生，减少运输物料的损耗和经济损失，提高生产效率。

Description

基于光声成像的钢丝绳芯检测方法和装置

技术领域

本发明涉及钢丝检测领域，尤其涉及一种基于光声成像的钢丝绳芯检测方法和装置。

背景技术

输送带是带式运输机的重要组成部分。随着输送带输送机朝着高速度，大规模、超长距离、大倾角的方向发展，钢绳芯输送带也越来越得到广泛的使用。由于强力输送带荷载量增加，被障碍物划伤及老化等原因而产生钢丝绳腐蚀、接头伸长以至断裂等故障，造成输送带断带、撕裂等损坏事故，影响正常生产，产生巨大的经济损失。近几年中国输送带输送机的使用量越来越大，其应用的范围越来越广，使用厂矿发生断带和撕裂等事故也越来越频繁。目前，我国很多工厂没有安装有效的输送带损坏保护及检测装置，在影响生产的同时也带来影响工厂安全运行的隐患。因此，进行输送带损坏保护及检测装置的研究具有重要的理论意义和实际意义。

国内外现有的输送带损坏保护和检测装置形式和种类繁多。归纳起来主要有以下几种：

嵌入法，这种方法在输送带中或输送带表面预埋金属导线、线圈、磁性物质或是一些导电、导磁材料，检测设备通过监测输送带中预埋物的完整性来判断输送带是否发生断带、撕裂或破损。这种方法在实际应用中有很大的局限性，首先此类保护装置工艺复杂、成本高，无法应用于大量已经安装运行的输送带的检测；其次，由于输送带的长时间连续运动，不可避免地会产生滚切的持续应力，使金属导线、线圈或其他预埋材料遭受磨损而断裂，从而造成误检；再者，由于输送带内嵌入检测物质，对输送带维护提出了更高的要求。

接触法，这种方法通常通过感测装置与输送带的接触来感知输送带的状况。一种方式使采用托辊直接与输送带接触感知输送带的运行速度、张力、压力等参数的变化，从而判断输送带状态。这种方法的缺点是可靠性不高。另一种方式是以托辊作为检测信号的发射和接收装置，通过安装在托辊上的装置产生和接收电、磁、光、声等信号，通过分析该信号而判断是否发生输送带纵向撕裂。由于托辊在输送带运行中一直与输送带接触，磨损很大，很容易导致感测装置托辊损坏而失灵。

探漏法，其核心思想是发生破损后，通过传感装置探测输送带外部的物料延伸或泄露。这种方法容易造成检测装置的损坏。更为严重的是检测滞后，将有可能造成较大的输送带破损，产生安全事故。

超声波检测技术法，这种装置由超声波检测和传送两部分组成。在输送带和机体之间安装上能够产生超声波的导波管，使之产生超声波振荡，通过检波器检波后发出信号。当输送带输送机处于正常运行状态时，超声波发送波和接受波正常，发出正常的信号。一旦输送带产生破损，导波管因弯曲而损坏，这时就会发出输送带保护信号，使带式输送机停机。例如采用水耦合超声波检测装置，但系统设备较多，稳定性欠佳。

Ｘ射线的检测技术法，该技术主要是采用Ｘ射线源辐射Ｘ射线穿透输送带，投射到感应器上形成清晰的钢丝绳芯输送带内部结构图像，并通过计算机对图像进行保存、处理、分析。Ｘ射线对人体有电离辐射害，其系统在设计上需要采用远程操作模式，并且在设备使用现场需要尽可能配置高防护等级的铅房进行辐射防护，费用昂贵。

综上所述，没有一种安全，便捷，对人体无辐射的且具有高分辨率高成像深度的钢丝绳绳芯传输带检测装置。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于光声成像的钢丝绳芯检测方法和装置。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，该方法的步骤包括：提供指定强度的激光光束，并使激光光束投射到输送带的钢丝绳芯的指定位置；获取激光光束投射到钢丝绳芯后发生光声转换后，转换成的超声信号；对超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号，并提取图像信号的纹理特征；根据图像处理纹理编码算法对纹理特征进行处理，并根据处理结果判断钢丝绳芯的损坏状况。

其中，在使激光光束投射到输送带的钢丝绳芯的指定位置的步骤之前，包括步骤：

在激光光束的投射光路上设置一反射镜，在激光光束投射到反射镜后，改变激光光束的照射方向；

在激光光束经反光镜改变方向后，在改变后的照射方向上设置透镜，以使激光光束经透镜处理后，输出覆盖输送带带宽的激光射束。

其中，透镜为多组凸透镜和凹透镜的组合。

其中，在对超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号的步骤中，对超声信号进行处理的方式至少包括滤波、放大及模数转换。

其中，在对超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号的步骤之后，还包括对图像信号进行图像预处理的步骤，图像预处理的处理方式包括：中值滤波、对比度调整、Gamma校正及图像反色相变换。

其中，提取图像信号的纹理特征的步骤中，纹理图像的提取方法包括：自相关函数方法、傅立叶频谱分析法、灰度共生矩阵方法及Gabor滤波器方法。

其中，根据图像处理纹理编码算法对纹理特征进行处理的步骤包括：

对实时接收的钢丝绳芯的图像信号进行归一化处理，获取图像中每一像素的灰度值；

对图像边缘切边并利用图像中每一像素的灰度值对图像进行编码，将图像中输送带边缘处的像素灰度值设置为0，其他位置的像素灰度值进行累加求和，计算图像中每行像素的灰度平均值；

将图像中灰度值大于所属行的灰度平均值的像素点的灰度值置为1。

其中，根据处理结果判断钢丝绳芯的损坏状况的步骤中，包括步骤：

计算相邻的像素点编码的差值，将差值与预设的阈值进行比较，以确定输送带的钢丝绳芯是否有缺陷，以及缺陷所在位置。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于光声成像的钢丝绳芯检测装置，包括：激光发射模块，用于提供指定强度的激光光束，并使激光光束投射到输送带的钢丝绳芯的指定位置；采集模块，用于获取激光光束投射到钢丝绳芯后发生光声转换后，转换成的超声信号；处理模块，用于对超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号，并提取图像信号的纹理特征；判断模块，用于根据图像处理纹理编码算法对纹理特征进行处理，并根据处理结果判断钢丝绳芯的损坏状况。

其中，输送带上设置带头检测传感器与输送带测速传感器，以进行带头检测和输送带速度测量，从而计算出输送带中的破损故障位置；同时设置输送带张紧装置13对输送带进行固定。

区别于现有技术，本发明的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法和装置采用的光声成像技术对输送带无损耗，同时具备了纯光学成像和纯声学成像的优点，且对人体无辐射；装置工艺相对简化，可以广泛应用于输送带的检测，不会因为长时间工作而产生误判并且降低了维护要求；可靠性更高，采用光声效应不需要与输送带直接接触，减少了磨损问题，而且成像深度更高，分辨率也更高；不会因出现输送带裂口不宽不能使物料外露而不能检测的情况；能够避免重大安全事故的发生，减少运输物料的损耗和经济损失，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于光声成像的钢丝绳芯检测方法的流程示意图；

图2是本发明提供的一种基于光声成像的钢丝绳芯检测装置的结构示意图；

图3是本发明提供的一种基于光声成像的钢丝绳芯检测装置的实物结构示意图；

图4是本发明提供的一种基于光声成像的钢丝绳芯检测装置中超声信号预处理与接收电路的结构示意图；

图5是本发明提供的一种基于光声成像的钢丝绳芯检测装置中装置与输送带结合的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明提供的一种基于光声成像的钢丝绳芯检测方法的流程示意图。该方法的步骤包括：

S110：提供指定强度的激光光束，并使激光光束投射到输送带的钢丝绳芯的指定位置。

通过一激光发生器提供指定强度的激光光束，并将激光光束投射到待检测的输送带上的指定位置。由于激光设置为直线射束，而且激光发生器的外形结构一般较大，为方便设备摆放，通常在激光发生器的射出光路上设置一反射镜。反射镜与水平面呈45°设置时，可改变激光光束的射出方向，使激光光束沿与原方向垂直的方向投射。从而节省了各模块的摆放空间。

进一步，在激光光束照射到输送带上之前，在照射光路上设置一透镜。在本发明中，所述的透镜是多组凸透镜和凹透镜的组合。由于本发明所使用的激光发生器射出的激光光束，其光斑直径只有5mm，所以采用凹透镜加凸透镜结合的方式，先通过凹透镜将激光光束扩散，再通过凸透镜将扩散的激光光束变换成平行光线，使光束照射到一定区域的整个输送带。优选的，通过设置多组凸透镜和凹透镜组合形成的透镜，使激光光束能够覆盖输送带的带宽。

S120：获取激光光束投射到钢丝绳芯后发生光声转换后，转换成的超声信号。

光声效应是指用光照射某种媒质时，由于媒质对光的吸收会使其内部的温度改变从而引起媒质内某些区域结构和体积变化；当采用脉冲光源或调制光源时，媒质温度的升降会引起媒质的体积涨缩，因而可以向外辐射声波。在本发明中，通过将激光射束投射到输送带后，发生光声效应，发出超声信号。在输送带向外辐射超声信号时，通过多元阵列超声探测器采集该超声信号。多元阵列超声探测器是采用多组多元线性探测器阵列组合形成，其横向探测面能覆盖所测量的输送带的宽度。

S130：对超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号，并提取图像信号的纹理特征。

在前一步骤中，由于通过光声效应产生的超声信号的强度较小，因此被多元阵列超声探测器接收后转换成的电信号的强度也较低，需要对该电信号进行处理。多元阵列超声探测器接收到的超声信号转换为电信号后，先经过带通滤波器滤波，滤掉信号中的无用成份；然后使用可变增益放大器将电信号放大到合适的范围；再通过A/D转换器将电信号转换为数字信号以进行处理。

通过将电信号输入到计算机中，从而得到电信号的图像信号，即为超声信号的图像信号。生成图像信号后，还包括对图像信号进行图像预处理的步骤，其中，图像预处理的处理方式包括：中值滤波、对比度调整、Gamma校正及图像反色相变换。

对图像信号进行预处理后，提取图像信号的纹理特征。纹理图像的提取方法包括：自相关函数方法、傅立叶频谱分析法、灰度共生矩阵方法及Gabor滤波器方法。

S140：根据图像处理纹理编码算法对纹理特征进行处理，并根据处理结果判断钢丝绳芯的损坏状况。

获取到纹理特征后，采用图像处理纹理编码算法进行处理。具体的处理过程如下：对实时接收的钢丝绳芯的图像信号进行归一化处理，获取图像中每一像素的灰度值；对图像边缘切边并利用图像中每一像素的灰度值对图像进行编码，将图像中输送带边缘处的像素灰度值设置为0，其他位置的像素灰度值进行累加求和，计算图像中每行像素的灰度平均值；将图像中灰度值大于所属行的灰度平均值的像素点的灰度值置为1。

计算水平方向、纵向相邻像素点的灰度差值和相邻钢丝间距。计算水平方向相邻像素点的灰度差值时，用相邻两行像素点的编码值相减，所得值可能为-1、0、1，差值为1 是钢丝所在处，而差值为-1 时恰好就是钢丝间距的缝隙。计算差值为-1 处的像素值与差分值为1 处的像素值之差，将所有行的差值累加，求取均值便是相邻钢丝的间距值。若水平方向相邻像素点的灰度差值中存在连续的0值，则说明存在缺陷；找到差值是1和差值是-1的位置，计算位置差值，若差值大于2 倍的相邻钢丝的间距值，则将此行标记为缺陷行。计算纵向相邻像素点的灰度差值时，设纵向每行初始值为0，标记为缺陷行的编码为1，用相邻两行像素点的编码值相减，差值可能为-1、0、1。差值为1 的便是缺陷垂直方向上的起始位置，差值为-1 的便是缺陷垂直方向上的结束位置。将以上所得缺陷和设置的阈值进行比较，将符合条件的缺陷进行保存。若差值大于2倍的相邻钢丝的间距值，则将此行标记为缺陷行；若所得的缺陷高度大于3 倍相邻钢丝的间距值，或者所得的缺陷宽度大于20 个像素，则保存此缺陷的相关参数，否则删除此缺陷。

此外，计算对纹理特征的处理方式还包括基于不变矩的缺陷检测算法、基于模板匹配的缺陷检测算法、基于Gabor 滤波器的缺陷检测算法、基于视觉注意模型的缺陷检测算法及基于BP 的缺陷检测算法。

进一步，输送带上设置带头检测传感器与输送带测速传感器，以进行带头检测和输送带速度测量，从而计算出输送带中的破损故障位置。

参阅图2，图2是本发明提供的一种基于光声成像的钢丝绳芯检测装置的结构示意图。该装置200包括：

激光发射模块210，用于提供指定强度的激光光束，并使激光光束投射到输送带的钢丝绳芯的指定位置。

采集模块220，用于获取激光光束投射到钢丝绳芯后发生光声转换后，转换成的超声信号。

处理模块230，用于对超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号，并提取图像信号的纹理特征。

判断模块240，用于根据图像处理纹理编码算法对纹理特征进行处理，并根据处理结果判断钢丝绳芯的损坏状况。

其中，采集模块220获取超声信号时，是使用探测面覆盖输送带宽度的多元线性探测器阵列进行采集。

参阅图3，图3是本发明提供的一种基于光声成像的钢丝绳芯检测装置的实物结构示意图。该装置300包括激光激励源1、光声信号预处理与接收电路2、计算机3、多元阵列超声探测器4、输送带5、反射镜6和透镜7。激光激励源1、超声信号预处理与接收电路2、计算机3、多元阵列超声探测器4均与电源8连接；激光激励源1由计算机3控制发出激光射束；激光激励源1发射激光经过反射镜6反射再经过透镜7进行激光扩散。透镜7采用多组凹透镜加凸透镜结合的方式。由于激光器射出的激光光束其光斑直径只有5mm，所以采用凹透镜加凸透镜结合的方式先将激光扩散再通过凸透镜变换成光线平行，使光束照射到一定区域的整个输送带5。激光照射到输送带5产生光声效应，发出的光声信号经过多元阵列超声探测器4接收变为压电信号，实现对输送带5进行实时监测。光声信号能量较小，使用多元阵列超声探测器4转换成压店电信号在毫伏级，因此需要先进行必要的放大后才能够进行数据转换。光声信号预处理与接收电路2包括带通滤波器9、可变增益放大器10和模数转换器11。多元阵列超声探测器4采集的超声信号通过带通滤波器9，滤掉信号中的无用成份；通过可变增益放大器10将信号放大到合适的范围，再通过模数转换器11转换为数字信号，然后传递给计算机3。光声信号预处理与接收电路2的具体结构如图4所示。计算机3进行图像预处理并提取图像的纹理特征，根据纹理特征进行输送带断裂检测。

其中，激光激励源1具体是安装线性阵列激光器，采用CO₂（二氧化碳）系列激光器。多元阵列超声探测器4采用多组多元线性探测器阵列，形成的横向探测面能覆盖所测量的输送带的宽度。

进一步，输送带5上设置带头检测传感器12与输送带测速传感器14，以进行带头检测和输送带速度测量，从而计算出输送带中的破损故障位置。输送带5采用输送带张紧装置13进行固定，输送带张紧装置13通过将输送带5夹持于其夹持件之间，可使输送带5在检测过程中保持稳定，解决输送带5在运动中因震动导致检测不准的问题，具体结构如图5所示。

区别于现有技术，本发明的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法和装置采用的光声成像技术对输送带无损耗，同时具备了纯光学成像和纯声学成像的优点，且对人体无辐射；装置工艺相对简化，可以广泛应用于输送带的检测，不会因为长时间工作而产生误判并且降低了维护要求；可靠性更高，采用光声效应不需要与输送带直接接触，减少了磨损问题，而且成像深度更高，分辨率也更高；不会因出现输送带裂口不宽不能使物料外露而不能检测的情况；能够避免重大安全事故的发生，减少运输物料的损耗和经济损失，提高生产效率。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，其特征在于，包括：

提供指定强度的激光光束，并使所述激光光束投射到输送带的钢丝绳芯的指定位置；

获取激光光束投射到钢丝绳芯后发生光声转换后，转换成的超声信号；

对所述超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号，并提取图像信号的纹理特征；

根据图像处理纹理编码算法对纹理特征进行处理，并根据处理结果判断所述钢丝绳芯的损坏状况。

2.根据权利要求1所述的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，其特征在于，在使所述激光光束投射到输送带的钢丝绳芯的指定位置的步骤之前，包括步骤：

在所述激光光束的投射光路上设置一反射镜，在所述激光光束投射到所述反射镜后，改变激光光束的照射方向；

在所述激光光束经反光镜改变方向后，在改变后的照射方向上设置透镜，以使所述激光光束经透镜处理后，输出覆盖输送带带宽的激光射束。

3.根据权利要求2所述的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，其特征在于，所述透镜为多组凸透镜和凹透镜的组合。

4.根据权利要求1所述的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，其特征在于，在对所述超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号的步骤中，对超声信号进行处理的方式至少包括滤波、放大及模数转换。

5.根据权利要求1所述的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，其特征在于，在对所述超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号的步骤之后，还包括对图像信号进行图像预处理的步骤，所述图像预处理的处理方式包括：中值滤波、对比度调整、Gamma校正及图像反色相变换。

6.根据权利要求1所述的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，其特征在于，提取图像信号的纹理特征的步骤中，纹理图像的提取方法包括：自相关函数方法、傅立叶频谱分析法、灰度共生矩阵方法及Gabor滤波器方法。

7.根据权利要求1所述的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，其特征在于，根据图像处理纹理编码算法对纹理特征进行处理的步骤包括：

对实时接收的钢丝绳芯的图像信号进行归一化处理，获取图像中每一像素的灰度值；

对图像边缘切边并利用图像中每一像素的灰度值对图像进行编码，将图像中输送带边缘处的像素灰度值设置为0，其他位置的像素灰度值进行累加求和，计算图像中每行像素的灰度平均值；

将图像中灰度值大于所属行的灰度平均值的像素点的灰度值置为1。

8.根据权利要求7所述的基于光声成像的钢丝绳芯检测方法，其特征在于，根据处理结果判断所述钢丝绳芯的损坏状况的步骤中，包括步骤：

计算相邻的像素点编码的差值，将所述差值与预设的阈值进行比较，以确定输送带的钢丝绳芯是否有缺陷，以及缺陷所在位置。

9.一种基于光声成像的钢丝绳芯检测装置，其特征在于，包括：

激光发射模块，用于提供指定强度的激光光束，并使所述激光光束投射到输送带的钢丝绳芯的指定位置；

采集模块，用于获取激光光束投射到钢丝绳芯后发生光声转换后，转换成的超声信号；

处理模块，用于对所述超声信号进行处理，生成超声信号的图像信号，并提取图像信号的纹理特征；

判断模块，用于根据图像处理纹理编码算法对纹理特征进行处理，并根据处理结果判断所述钢丝绳芯的损坏状况。

10.根据权利要求9所述的基于光声成像的钢丝绳芯检测装置，其特征在于，输送带上设置带头检测传感器与输送带测速传感器，以进行带头检测和输送带速度测量，从而计算出输送带中的破损故障位置；同时设置输送带张紧装置对输送带进行固定。