CN114594162A - 高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统及方法，系统中，信号发射与接收模块实现超声信号的发射与接收；FPGA数据处理模块包括波束产生子模块和逻辑时序控制子模块以及位移解调算法子模块、DDR缓存子模块、算法滤波子模块、存储子模块和通信模块；ARM数据管理模块包括液晶显示子模块和按键控制子模块以及成像存储子模块和信号存储子模块；电源管理模块用于为其他模块提供电源。通过本发明的技术方案，实现超声信号高速率、多通道实时采集，实现丰富的测量功能，提高了检测效率和检验过程的智能化程度。

Description

高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统及方法
技术领域
本发明涉及管道损伤检测技术领域，尤其涉及一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统以及一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测方法。
背景技术
PE管(聚乙烯材料)由于材料自身强度高、耐磨性好、无毒、重量轻、安装方便等优良特点。因此PE管道被广泛应用于城市燃气、供水及农业灌溉等各个方面。PE管道系统熔接技术的优劣，直接关系到管道网络的运行效果和使用寿命，其熔接接口质量问题可能直接导致燃气、供水泄露等系列问题，从而影响城市生活。目前，聚乙烯管连接有多种方式，其中热熔对接是最常用的连接方式，但是在热熔对接过程中，管道对接区域材料结构和性能可发生变化，对接过程中不可避免地产生一些缺陷。对接头质量与对接过程加热温度，对接压力以及加热时间等工艺参数有关，而且在对接过程中，对接工艺参数不当可能会产生冷焊、气孔和夹杂等内部缺陷及错边、不对称等外部缺陷。因此有必要对高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷进行检测及评价。
外部缺陷可利用外观检验来确定，但内部缺陷目前只能利用无损检测技术来检测，超声技术适用性强，操作简单。而热熔接头的检测存在焊缝结构比较复杂、缺陷定位等主要难点。目前在超声检测中，主要还是依靠检测人员肉眼识别图像中的缺陷信息，凭工作经验判断产品等级。这种方法过于依赖现场人员的经验，而人员的主观判断也易于受到个人经验、现场环境、思维方式、技术水平等因素的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统及方法，通过FPGA+ARM的硬件架构，在FPGA内部构件加速算法，利用ARM进行主控，实现超声信号高速率、多通道实时采集，硬件系统采集到的数据通过有线和无线方式由TCP/IP协议发送至软件系统，并由软件系统建立和完善数据库，在此基础上，软件系统能够根据数据实现丰富的测量功能，并具有统计、分析、生成报表、远程诊断等功能，解决检测过程耗时、耗力、测不准的问题，同时也可以提高检测效率和检验过程的智能化程度。
为实现上述目的，本发明提供了一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，包括：硬件系统和软件系统；
所述硬件系统包括信号发射与接收模块、FPGA数据处理模块、ARM数据管理模块和电源管理模块，所述软件系统包括多种功能模块，所述软件系统与所述硬件系统之间实现通信连接；
所述信号发射与接收模块包括超声相控阵探头、波束合成芯片、高压放大芯片、隔离开关芯片和模拟前端芯片，实现超声信号的发射与接收；
所述FPGA数据处理模块包括用于产生超声信号的波束产生子模块和逻辑时序控制子模块以及对接收的超声信号进行处理的位移解调算法子模块、DDR缓存子模块、算法滤波子模块、存储子模块和通信模块；
所述ARM数据管理模块包括用于实现人机交互的液晶显示子模块和按键控制子模块以及用于管理和存储数据的成像存储子模块和信号存储子模块；
所述电源管理模块用于为所述信号发射与接收模块、所述FPGA数据处理模块和所述ARM数据管理模块提供电源。
在上述技术方案中，优选地，所述超声相控阵探头安装于扫查架上，所述位移解调算法子模块将所述扫查架的旋转位移运动转换为可量化的电子信号，实现实时位移的计算，并通过所述算法滤波子模块将位移信息与超声图像进行对应。
在上述技术方案中，优选地，所述软件系统的功能模块包括可视化界面、U盘加密、数据存储、数据查询、参数-缺陷映射关系、图像重构、图像处理、缺陷标注、缺陷分类、缺陷分级和报表输出；
所述可视化界面用于为所述液晶显示子模块提供可视化显示界面；
所述U盘加密校验U盘序列号并与预配置序列号对比，以实现针对指定U盘的读写功能；
所述数据存储用于存储所述硬件系统传输来的超声信号的原始信息和图像信息，所述数据查询提供查询接口；
所述参数-缺陷映射关系用于提供接头缺陷与所述硬件系统采集到的相应参数之间的匹配关系；
所述图像重构用于对超声图像进行重构，所述图像处理用于对超声图像进行进一步处理，所述缺陷标注用于对超声图像中的接头缺陷进行标注，所述缺陷分类和所述缺陷分级用于确定接头缺陷的种类和级别；
所述报表输出用于将基于所述超声相控阵探头的检测结果进行报表输出。
在上述技术方案中，优选地，所述逻辑时序控制子模块控制所述波束产生子模块产生正弦波束，所述波束合成芯片用于对所述正弦波束添加预设时间延迟以进行动态聚焦，并通过所述高压放大芯片对激励电压进行放大后通过所述超声相控阵探头实现超声信号发射；
所述隔离开关芯片用于对所述超声相控阵探头接收到超声信号进行隔离，所述模拟前端芯片对超声回波信号进行采集。
在上述技术方案中，优选地，所述算法滤波子模块包括前置滤波、预放大、时间增益、对数压缩、混频滤波和超声解调模块；
针对所述模拟前端芯片采集的超声信号，所述算法滤波子模块首先对超声信号进行前置滤波以消除干扰信号，对所述超声信号进行预放大，并添加对应的时间增益以对不同时间段接收到的超声信号进行线性叠加，再对所述超声信号进行对数压缩和混频滤波以提取所述超声信号的包络信息，通过对超声信号进行超声解调得出超声图像。
在上述技术方案中，优选地，所述FPGA数据处理模块与所述ARM数据管理模块之间通过FSMC总线实现通信连接，所述FPGA数据处理模块中的通信模块通过以太网口或4G无线模块与所述软件系统实现通信连接，通过TCP/IP协议传输数据。
在上述技术方案中，优选地，所述液晶显示子模块用于显示经过处理的超声图像，所述按键控制子模块用于管理输入的按键信息，所述成像存储子模块用于存储处理后的超声图像，所述信号存储模块用于存储由所述DDR缓存子模块读取的原始数据；
所述ARM数据管理模块还包括指示灯子模块和温湿度传感器，所述指示灯子模块用于指示ARM设备的运行状态，所述温湿度传感器用于采集ARM设备的操作环境温湿度。
本发明还提出一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测方法，应用于如上述技术方案中任一项公开的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，包括：
对硬件系统的各模块进行初始化，预设初始参数；
通过所述硬件系统的超声相控阵探头发射超声信号以对高密度聚乙烯管道热熔对接接头进行探测，并对超声回波信号进行采集；
通过所述硬件系统的FPGA数据处理模块对所述超声回波信号进行滤波和解调生成超声图像，并利用ARM数据管理模块的液晶显示子模块显示所述超声图像；
将所述FPGA数据管理模块和所述ARM数据管理模块对接收的数据进行整合和存储；
软件系统根据所述超声回波信号和所述超声图像，对接头缺陷进行标注、定位、分类和分级。
在上述技术方案中，优选地，所述对所述超声回波信号进行滤波的具体过程包括：
采用平滑处理方法对所述超声回波信号进行预处理；
采用线性滤波器的均值滤波运算，将每个像素点的灰度值置换为局部邻域内各点灰度值的均值。
在上述技术方案中，优选地，对接头缺陷的标注和定位为基于深度学习网络的智能识别，以卷积神经网络结构为基础结合径向基神经网络，构建深度学习网络；
通过卷积网络逐层挖掘所述超声图像中可疑缺陷区域的本质特征，并利用径向基网络对所述超声图像的缺陷进行智能识别。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过FPGA+ARM的硬件架构，在FPGA内部构件加速算法，利用ARM进行主控，实现超声信号高速率、多通道实时采集，硬件系统采集到的数据通过有线和无线方式由TCP/IP协议发送至软件系统，并由软件系统建立和完善数据库，在此基础上，软件系统能够根据数据实现丰富的测量功能，并具有统计、分析、生成报表、远程诊断等功能，解决检测过程耗时、耗力、测不准的问题，同时也可以提高检测效率和检验过程的智能化程度。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统的架构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的系统电源管理模块示意图；
图3为本发明一种实施例公开的硬件系统程序流程示意图；
图4为本发明一种实施例公开的软件系统程序流程示意图；
图5为本发明一种实施例公开的软件系统界面示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1、硬件系统；2、信号发射与接收模块；3、超声相控阵探头；4、高压放大芯片；5、波束合成芯片；6、隔离开关芯片；7、模拟前端芯片；8、FPGA数据处理模块；9、波束产生子模块；10、逻辑时序控制子模块；11、位移解调算法子模块；12、DDR缓存子模块；13、算法滤波子模块；14、前置滤波；15、对数压缩；16、混频滤波；17、预放大；18、时间增益；19、超声解调模块；20、存储子模块；21、4G无线模块；22、以太网口；23、电源管理模块；24、高压电源；25、FPGA电源；26、ARM电源；27、ARM数据管理模块；28、液晶显示子模块；29、按键控制子模块；30、成像存储子模块；31、信号存储子模块；32、指示灯子模块；33、其他外设；34、软件系统；35、可视化界面；36、U盘加密；37、数据存储；38、数据查询；39、参数-缺陷映射关系；40、图像重构；41、图像处理；42、缺陷标注；43、缺陷定位；44、缺陷分类；45、缺陷分级；46、报表输出。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，包括：硬件系统1和软件系统34；
硬件系统1包括信号发射与接收模块2、FPGA数据处理模块8、ARM数据管理模块27和电源管理模块23，软件系统34包括多种功能模块，软件系统34与硬件系统1之间实现通信连接；
信号发射与接收模块2包括超声相控阵探头3、波束合成芯片5、高压放大芯片4、隔离开关芯片6和模拟前端芯片7，实现超声信号的发射与接收；
FPGA数据处理模块8包括用于产生超声信号的波束产生子模块9和逻辑时序控制子模块10以及对接收的超声信号进行处理的位移解调算法子模块11、DDR缓存子模块12、算法滤波子模块13、存储子模块20和通信模块；
ARM数据管理模块27包括用于实现人机交互的液晶显示子模块28和按键控制子模块29以及用于管理和存储数据的成像存储子模块30和信号存储子模块31；
电源管理模块23包括高压电源24、FPGA电源25和ARM电源26，高压电源24用于将高压转换为可为其他模块提供的低压，FPGA电源25和ARM电源26用于分别为信号发射与接收模块2、FPGA数据处理模块8和ARM数据管理模块27等其他模块提供电源。
如图3所示，在该实施方式中，通过FPGA+ARM的硬件架构，在FPGA内部构件加速算法，利用ARM进行主控，实现超声信号高速率、多通道实时采集，硬件系统1采集到的数据通过有线和无线方式由TCP/IP协议发送至软件系统34，并由软件系统34建立和完善数据库，在此基础上，软件系统34能够根据数据实现丰富的测量功能，并具有统计、分析、生成报表、远程诊断等功能，解决检测过程耗时、耗力、测不准的问题，同时也可以提高检测效率和检验过程的智能化程度。
具体地，该系统采用C/S架构，包括硬件系统1(客户端)和软件系统34(服务器)。其中，硬件系统1的电源管理模块23连接系统中的所有需要供电的单元或模块；FPGA数据处理模块8与ARM数据管理模块27通过FSMC总线实现通信连接，硬件系统1(客户端)和软件系统34(服务器)可通过以太网口22或4G无线模块21实现通信连接，通过TCP/IP协议传输数据。
在上述实施方式中，优选地，超声相控阵探头3安装于扫查架上，位移解调算法子模块11将扫查架的旋转位移运动转换为可量化的电子信号，利用FPGA数据处理模块8采集以实现实时位移的计算，并通过算法滤波子模块13的超声解调模块19将位移信息与超声图像进行对应。
在上述实施方式中，优选地，逻辑时序控制子模块10控制波束产生子模块9产生正弦波束，波束合成芯片5用于对正弦波束添加预设时间延迟以进行动态聚焦，并通过高压放大芯片4对激励电压进行放大后通过超声相控阵探头3实现超声信号发射；
隔离开关芯片6用于对超声相控阵探头3接收到超声信号进行隔离，保护接收电路，模拟前端芯片7对超声回波信号进行采集。
在上述实施方式中，优选地，算法滤波子模块13包括前置滤波14、预放大17、时间增益18、对数压缩15、混频滤波16和超声解调模块19；
针对模拟前端芯片7采集的超声信号，算法滤波子模块13首先对超声信号进行前置滤波14以消除干扰信号，对超声信号进行预放大17，并添加对应的时间增益18以对不同时间段接收到的超声信号进行线性叠加，再对超声信号进行对数压缩15和混频滤波16以提取超声信号的包络信息，通过超声解调模块19对超声信号进行超声解调得出超声图像。
在上述实施方式中，优选地，ARM数据管理模块27通过ARM芯片控制其连接模块，液晶显示子模块28用于显示经过处理的超声图像，按键控制子模块29用于管理输入的按键信息以调节仪器的基本信息，成像存储子模块30用于存储处理后的超声图像，信号存储模块用于存储由DDR缓存子模块12读取的原始数据；
ARM数据管理模块27还包括指示灯子模块32和其他外设33，其他外设33可选用温湿度传感器，指示灯子模块32用于指示ARM设备的运行状态，温湿度传感器用于采集ARM设备的操作环境温湿度，以提醒用户防止设备因受潮损坏。
如图4和图5所示，在上述实施方式中，优选地，软件系统34的功能模块包括可视化界面35、U盘加密36、数据存储37、数据查询38、参数-缺陷映射关系39、图像重构40、图像处理41、缺陷标注42、缺陷定位43、缺陷分类44、缺陷分级45和报表输出46；
可视化界面35用于为液晶显示子模块28提供可视化显示界面；
U盘加密36校验U盘序列号并与预配置序列号对比，以实现针对指定U盘的读写功能，只有电脑插入指定U盘，该软件系统34才可以正常运行；
数据存储37用于存储硬件系统1传输来的超声信号的原始信息和图像信息，数据查询38提供查询接口；
参数-缺陷映射关系39用于提供接头缺陷与硬件系统1采集到的相应参数之间的匹配关系；
图像重构40用于对超声图像进行重构，图像处理41用于对超声图像进行进一步处理，缺陷标注42用于对超声图像中的接头缺陷进行标注，缺陷定位43用于确定超声图像中接头缺陷位置，缺陷分类44和缺陷分级45用于确定接头缺陷的种类和级别；
报表输出46用于将基于超声相控阵探头3的检测结果进行报表输出46。
本发明还提出一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测方法，应用于如上述实施方式中任一项公开的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，包括：
打开硬件系统1电源，对硬件系统1的各模块进行初始化，等待各部分初始化成功，并预设仪器的初始参数，包括阵元数量、探头频率、聚焦深度、偏转角度、波速、衰减系数等参数；
通过将超声信号经波束合成芯片5和高压放大芯片4加载到硬件系统1的超声相控阵探头3发射超声信号，以对高密度聚乙烯管道热熔对接接头进行探测，并对超声回波信号进行采集，并利用隔离开关芯片6和模拟前端芯片7对超声回波信号进行信号的采集与转化；
通过硬件系统1的FPGA数据处理模块8对超声回波信号进行滤波和解调生成超声图像，并利用ARM数据管理模块27的液晶显示子模块28显示超声图像；
将FPGA数据管理模块和ARM数据管理模块27对接收的数据进行整合并存储至硬盘；最后通过外置键盘按键结束数据采集和存储过程；
软件系统34在与硬件系统1连接，获取硬件系统1相关参数及数据后，根据超声回波信号和超声图像，可在远程对接头缺陷进行标注、定位、分类和分级，并输出报表。
在上述实施方式中，优选地，对超声回波信号进行滤波的具体过程包括：
采用平滑处理方法对超声回波信号进行预处理；
采用线性滤波器的均值滤波运算，将每个像素点的灰度值f(k,l)置换为局部邻域内各点灰度值的均值h(i,j)，计算公式如下：
Figure BDA0003535524230000091
其中，M是邻域N内的像素点总数，f(k,l)是邻域N内位置(k,l)处的灰度值。
在上述实施方式中，优选地，对接头缺陷的标注和定位为基于深度学习网络的智能识别，以卷积神经网络结构为基础结合径向基神经网络，构建深度学习网络；
通过卷积网络逐层挖掘超声图像中可疑缺陷区域的本质特征，并利用径向基网络对超声图像的缺陷进行智能识别。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，其特征在于，包括：硬件系统和软件系统；
所述硬件系统包括信号发射与接收模块、FPGA数据处理模块、ARM数据管理模块和电源管理模块，所述软件系统包括多种功能模块，所述软件系统与所述硬件系统之间实现通信连接；
所述信号发射与接收模块包括超声相控阵探头、波束合成芯片、高压放大芯片、隔离开关芯片和模拟前端芯片，实现超声信号的发射与接收；
所述FPGA数据处理模块包括用于产生超声信号的波束产生子模块和逻辑时序控制子模块以及对接收的超声信号进行处理的位移解调算法子模块、DDR缓存子模块、算法滤波子模块、存储子模块和通信模块；
所述ARM数据管理模块包括用于实现人机交互的液晶显示子模块和按键控制子模块以及用于管理和存储数据的成像存储子模块和信号存储子模块；
所述电源管理模块用于为所述信号发射与接收模块、所述FPGA数据处理模块和所述ARM数据管理模块提供电源。
2.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，其特征在于，所述超声相控阵探头安装于扫查架上，所述位移解调算法子模块将所述扫查架的旋转位移运动转换为可量化的电子信号，实现实时位移的计算，并通过所述算法滤波子模块将位移信息与超声图像进行对应。
3.根据权利要求1所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，其特征在于，所述软件系统的功能模块包括可视化界面、U盘加密、数据存储、数据查询、参数-缺陷映射关系、图像重构、图像处理、缺陷标注、缺陷分类、缺陷分级和报表输出；
所述可视化界面用于为所述液晶显示子模块提供可视化显示界面；
所述U盘加密校验U盘序列号并与预配置序列号对比，以实现针对指定U盘的读写功能；
所述数据存储用于存储所述硬件系统传输来的超声信号的原始信息和图像信息，所述数据查询提供查询接口；
所述参数-缺陷映射关系用于提供接头缺陷与所述硬件系统采集到的相应参数之间的匹配关系；
所述图像重构用于对超声图像进行重构，所述图像处理用于对超声图像进行进一步处理，所述缺陷标注用于对超声图像中的接头缺陷进行标注，所述缺陷分类和所述缺陷分级用于确定接头缺陷的种类和级别；
所述报表输出用于将基于所述超声相控阵探头的检测结果进行报表输出。
4.根据权利要求2所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，其特征在于，所述逻辑时序控制子模块控制所述波束产生子模块产生正弦波束，所述波束合成芯片用于对所述正弦波束添加预设时间延迟以进行动态聚焦，并通过所述高压放大芯片对激励电压进行放大后通过所述超声相控阵探头实现超声信号发射；
所述隔离开关芯片用于对所述超声相控阵探头接收到超声信号进行隔离，所述模拟前端芯片对超声回波信号进行采集。
5.根据权利要求4所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，其特征在于，所述算法滤波子模块包括前置滤波、预放大、时间增益、对数压缩、混频滤波和超声解调；
针对所述模拟前端芯片采集的超声信号，所述算法滤波子模块首先对超声信号进行前置滤波以消除干扰信号，对所述超声信号进行预放大，并添加对应的时间增益以对不同时间段接收到的超声信号进行线性叠加，再对所述超声信号进行对数压缩和混频滤波以提取所述超声信号的包络信息，通过对超声信号进行超声解调得出超声图像。
6.根据权利要求4所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，其特征在于，所述FPGA数据处理模块与所述ARM数据管理模块之间通过FSMC总线实现通信连接，所述FPGA数据处理模块中的通信模块通过以太网口或4G无线模块与所述软件系统实现通信连接，通过TCP/IP协议传输数据。
7.根据权利要求4所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，其特征在于，所述液晶显示子模块用于显示经过处理的超声图像，所述按键控制子模块用于管理输入的按键信息，所述成像存储子模块用于存储处理后的超声图像，所述信号存储模块用于存储由所述DDR缓存子模块读取的原始数据；
所述ARM数据管理模块还包括指示灯子模块和温湿度传感器，所述指示灯子模块用于指示ARM设备的运行状态，所述温湿度传感器用于采集ARM设备的操作环境温湿度。
8.一种高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7中任一项所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测系统，包括：
对硬件系统的各模块进行初始化，预设初始参数；
通过所述硬件系统的超声相控阵探头发射超声信号以对高密度聚乙烯管道热熔对接接头进行探测，并对超声回波信号进行采集；
通过所述硬件系统的FPGA数据处理模块对所述超声回波信号进行滤波和解调生成超声图像，并利用ARM数据管理模块的液晶显示子模块显示所述超声图像；
将所述FPGA数据管理模块和所述ARM数据管理模块对接收的数据进行整合和存储；
软件系统根据所述超声回波信号和所述超声图像，对接头缺陷进行标注、定位、分类和分级。
9.根据权利要求8所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测方法，其特征在于，所述对所述超声回波信号进行滤波的具体过程包括：
采用平滑处理方法对所述超声回波信号进行预处理；
采用线性滤波器的均值滤波运算，将每个像素点的灰度值置换为局部邻域内各点灰度值的均值。
10.根据权利要求8所述的高密度聚乙烯管道热熔对接接头缺陷检测方法，其特征在于，对接头缺陷的标注和定位为基于深度学习网络的智能识别，以卷积神经网络结构为基础结合径向基神经网络，构建深度学习网络；
通过卷积网络逐层挖掘所述超声图像中可疑缺陷区域的本质特征，并利用径向基网络对所述超声图像的缺陷进行智能识别。
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