CN108508036B - 一种管道内表面光学检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道内表面光学检测系统及检测方法，该系统简化了对管道的检测问题，具有低成本、非接触、高精度、易操作的特点；该方法对管道的测量方法减少了计算的复杂性、改善了测量精度，LED照明光源置于照明物镜的物方焦平面上，LED照明光源发出的555nm光经照明物镜扩束整形后，以平行光均匀照射到透射式光栅上；投影物镜与a反射镜组成的光学系统，将光栅清晰投影成像到管道内壁上；成像物镜与b反射镜组成的光学系统，同时对管道内壁和光栅像再次会聚成像，并通过CCD相机采集数字图像；根据已知的各光学系统参数和光栅参数，并结合实验标定，便可测量出管道内壁的形貌等。
Description
技术领域
本发明涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种管道内表面光学检测系统及检测方法。
背景技术
随着科学技术的发展，智能化、非接触式测量方法的研究得到了人们广泛地重视。结构光测量技术日趋成熟，但由于具有高精度的机械驱动装置，使成本大为提高，不利于普及和应用。而现有测量方法在实际操作中需要两架摄像机在变焦、变光圈、变位置时同步一致，操作不便，技术实现存在困难，而且测量精度较低，适用领域窄，无法更有效地适应社会需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种管道内表面光学检测系统，结构简单合理、使用方便、测量精度高，尤其适合管道内表面缺陷的检测。
本发明所要解决的技术问题是还提供了一种管道内表面光学检测方法，简化计算，改善测量精度。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种管道内表面光学检测系统，包括照明投影系统、折转取景系统和成像采集系统；所述照明投影系统、折转取景系统和成像采集系统沿管道轴向排列。
所述投影系统包括沿管道轴线方向排布的LED照明光源、照明物镜、光栅、a光阑和投影物镜，所述照明物镜、光栅、a光阑和投影物镜的轴线重合，所述LED照明光源大小为1mm×1mm，发光波长为λ，λ为555nm。
所述照明物镜采用同轴布置的双凸透镜结构，照明物镜的输出光为直径大于20mm的平行光。
所述光栅为透射式光栅，四条光栅为一组、且光栅与光轴之间的夹角为7.5°，四条光栅的尺寸分别为0.005mm、0.01mm、0.02mm和0.05mm，光栅间隔为0.08mm，均匀排列在φ20mm的玻璃镜片上。
所述投影物镜像方焦平面位置设置a光阑，投影物镜为物方远心光路形式，投影物镜由6组透镜组合形成、且投影物镜为反摄远物镜，所述投影物镜焦距为f，f的取值为25mm，投影物镜的工作距离为175mm。
所述折转取景系统包括a反射镜和b反射镜，其中a反射镜和b反射镜与光轴之间的夹角分别为22.5°和45°。
所述成像采集系统包括同轴设置的b光阑、成像物镜和CCD相机。
所述成像物镜和b光阑用于限制光束，成像物镜为物方远心光路形式，所述成像物镜的倍率为0.3、工作距离为110mm，径深为17mm，CCD相机选用1/2英寸。
为解决上述技术问题，本发明还采取的技术方案是：一种管道内表面光学检测方法，具体包括以下步骤：
S1、通过对已知缺陷的管道内壁进行成像标定，获取投影物镜(4)和成像物镜(10)的垂轴放大率βt、βc以及管道内径D；
S2、对未知缺陷的身管内壁进行深度缺陷测量，假设采集图像的光栅像间距为l1，缺陷深度导致的光栅像错位为l2，则身管内壁缺陷的实际深度Δl为：
式中：Δ为实际光栅间距，Δ＝0.08mm；
S3、对深度缺陷凸凹情况进行判断，通过分析光学系统成像过程可知，当同一条光栅像向左错位时，缺陷为凹，向右错位时，缺陷为凸，由此，可测量出管道内壁任一区域的实际内径为：
在实际测量中，通过沿轴向平移和旋转本光学检测系统，便可实现全管道的内壁形貌测量。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：该系统简化了对管道的检测问题，具有低成本、非接触、高精度、易操作的特点；采用倾斜光栅，保证了光栅像平面与身管内壁重合，通过在投影物镜像方焦平面位置设置光阑，将投影物镜设计为物方远心光路形式避免了调焦不准而引起的测量误差问题；
采用上述技术方案还产生的有益效果在于：该方法本发明对管道的测量方法减少了计算的复杂性、改善了测量精度，本发明所采用的光学系统中的LED照明光源置于照明物镜的物方焦平面上，LED照明光源发出的555nm光经照明物镜扩束整形后，以平行光均匀照射到透射式光栅上；投影物镜与a反射镜组成的光学系统，将光栅清晰投影成像到管道内壁上；成像物镜与b反射镜组成的光学系统，同时对管道内壁和光栅像再次会聚成像，并通过CCD相机采集数字图像；根据已知的各光学系统参数和光栅参数，并结合实验标定，便可测量出管道内壁的形貌等。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述光学系统原理框图；
图2是本发明实施例所述光学系统结构图；
图3是本发明实施例所述机构光栅形式；
图4是本发明实施例所述倾斜7.5°的光栅成像光路图；
图5是本发明实施例所述CCD成像光路图；
图6是本发明实施例所述MTF曲线图。
其中：1-LED照明光源；2-照明物镜；3-光栅；4-投影物镜；5-a光阑；6-a反射镜；7-b反射镜；8-待测管道内表面；9-b光阑；10-成像物镜；11-CCD相机
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
参见图1，本发明提供了一种用于管道内表面检测的光学系统，该系统包括照明投影系统、折转取景系统、成像采集系统；所述照明投影系统、折转取景系统、成像采集系统沿管道轴向排列。
优选的，如图2所示，所述投影系统包括LED照明光源1、照明物镜2、光栅3、投影物镜4、a光阑5；其中LED大小为1mm×1mm，发光波长为λ＝555nm。
所述投影系统中的照明物镜2用于将来自LED发来的光线进行均匀化整形，转化为平行光输出，以为光栅3提供均匀照明，照明物镜2采用双凸透镜构建形式，输出光为直径＞20mm的平行光。
所述投影系统中的光栅3为透射式光栅，为保证光栅像平面与身管内壁重合，根据图6MTF曲线图可知，将光栅3沿光轴倾斜7.5°放置时，光栅在膛线上的像最清晰。同时四条光栅为一组，每条光栅尺寸分别为0.005mm、0.01mm、0.02mm和0.05mm，光栅间隔为0.08mm，均匀排列在φ20mm的玻璃镜片上，如图3所示。
为避免调焦不准而引起的测量误差，所述投影系统中的投影物镜4像方焦平面位置设置a光阑5，将投影物镜设计为物方远心光路形式；为保证较大的工作距离，采用6组透镜组合方式，将投影物镜4设计为反摄远物镜。其中，投影物镜4焦距为f＝25mm、工作距离为175mm。
优选的，如图2所示，所述折转取景系统由a反射镜6和b反射镜7组成，其中a反射镜6、b反射镜7分别与光轴夹角为22.5°和45°。a反射镜6对来自投影物镜4的光线折转135°后，将光栅像投射到管道内壁上，光栅3的成像光路如图4所示；b反射镜7同时以管道内壁和光栅像为物，将来自它们的光线折转90°，使其与光轴平行，并进入成像采集系统，如图5所示CCD相机成像光路。
优选的，如图2所示，所述成像采集系统包括b光阑9、成像物镜10、CCD相机11。
为消除测量误差，所述成像采集系统设置b光阑9对光束进行限制，将成像物镜10设计为物方远心光路形式；其中，成像物镜倍率为0.3、工作距离为110mm，径深为17mm，可满足17mm身管内壁深度缺陷的测量需求；CCD相机11选用1/2英寸，可满足21.3mm×16mm的身管内壁测量需求。
下面将上述的检测光学系统应用在管道内表面缺陷检测为例，详细介绍检测内表面缺陷的方法。
整个测量过程主要设备包括计算机、CCD相机、光栅投影控制器等，光栅投影控制器负责提供、控制照射内壁表面的结构光，再由CCD相机采集结构光照射内壁表面形成的光栅，为分析结构光条纹提供原始数据；计算机通过软件控制电信号以触发的形式控制CCD相机并讲采集得到的管道内壁信息存储在计算机中。
具体测量步骤如下：
(一)通过对已知缺陷的管道内壁进行成像标定，获取投影物镜和成像物镜的垂轴放大率βt、βc以及身管内径D；
(二)对未知缺陷的管道内壁进行深度缺陷测量。假设采集图像的光栅像间距为l1，缺陷深度导致的光栅像错位为l2，则身管内壁缺陷的实际深度Δl为：
式中：Δ为实际光栅间距，本设计中，Δ＝0.08mm；
(三)对深度缺陷凸凹情况进行判断。通过分析光学系统成像过程可知，当同一条光栅像向左错位时，缺陷为凹，向右错位时，缺陷为凸，由此，可测量出身管任一内壁区域的实际内径为：
本发明的光学系统成像原理是：LED照明光源1置于照明物镜2的物方焦平面上，LED照明光源发出的555nm光经照明物镜2扩束整形后，以平行光均匀照射到透射式光栅3上；投影物镜4与22.5°a反射镜6组成的光学系统，将光栅3清晰投影成像到管道内壁上；成像物镜10与45°b反射镜7组成的光学系统，同时对管道内壁和光栅像再次会聚成像，并通过CCD相机11采集数字图像；根据已知的各光学系统参数和光栅参数，并结合实验标定，便可测量出管道内壁的形貌等；在实际测量中，通过沿轴向平移和旋转本光学检测系统，便可实现全管道的内壁形貌测量。
Claims (5)
1.一种管道内表面光学检测系统，包括照明投影系统、折转取景系统和成像采集系统；其特征在于：所述照明投影系统、折转取景系统和成像采集系统沿管道轴向排列；所述照明投影系统包括沿管道轴线方向排布的LED照明光源(1)、照明物镜(2)、光栅(3)、a光阑(5)和投影物镜(4)，所述照明物镜(2)、光栅(3)、a光阑(5)和投影物镜(4)的轴线重合，所述LED照明光源(1)大小为1mm×1mm，发光波长为λ，λ为555nm；所述折转取景系统包括a反射镜(6)和b反射镜(7)，其中a反射镜(6)和b反射镜(7)与光轴之间的夹角分别为22.5°和45°；所述成像采集系统包括同轴设置的b光阑(9)、成像物镜(10)和CCD相机(11)；所述的光学检测 系统其进行管道内表面检测的方法，包括以下步骤：
S1、通过对已知缺陷的管道内壁进行成像标定，获取投影物镜(4)和成像物镜(10)的垂轴放大率βt、βc以及管道内径D；
S2、对未知缺陷的身管内壁进行深度缺陷测量，假设采集图像的光栅像间距为l1，缺陷深度导致的光栅像错位为l2，则身管内壁缺陷的实际深度Δl为：
式中：Δ为实际光栅间距，Δ＝0.08mm；
S3、对深度缺陷凸凹情况进行判断，通过分析光学检测 系统成像过程可知，当同一条光栅像向左错位时，缺陷为凹，向右错位时，缺陷为凸，由此，可测量出管道内壁任一区域的实际内径为：
在实际测量中，通过沿轴向平移和旋转本光学检测系统，便可实现全管道的内壁形貌测量。
2.如权利要求1所述的管道内表面光学检测系统，其特征在于：所述照明物镜(2)采用同轴布置的双凸透镜结构，照明物镜(2)的输出光为直径大于20mm的平行光。
3.如权利要求1所述的管道内表面光学检测系统，其特征在于：所述光栅为透射式光栅，四条光栅为一组、且光栅与光轴之间的夹角为7.5°，四条光栅的尺寸分别为0.005mm、0.01mm、0.02mm和0.05mm，光栅间隔为0.08mm，均匀排列在φ20mm的玻璃镜片上。
4.如权利要求1所述的管道内表面光学检测系统，其特征在于：所述投影物镜(4)像方焦平面位置设置a光阑(5)，投影物镜为物方远心光路形式，投影物镜由6组透镜组合形成、且投影物镜为反摄远物镜，所述投影物镜焦距为f，f的取值为25mm，投影物镜的工作距离为175mm。
5.如权利要求1所述的管道内表面光学检测系统，其特征在于：所述成像物镜(10)和b光阑(9)用于限制光束，成像物镜(10)为物方远心光路形式，所述成像物镜(10)的倍率为0.3、工作距离为110mm，景深为17mm，CCD相机选用1/2英寸。
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