CN114739946A - 一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其包括太赫兹源，与所述太赫兹源轴线相交具有焦点的太赫兹检测器，以及安装于六轴机械臂的前端用于提供三维运动轨迹扫描弧形支架；所述太赫兹源与太赫兹检测器均安装于弧形支架的内侧。所述弧形支架，弧形支架的圆点与焦点重合，以实现方便精确定位初始检测点。信号处理单元采用太赫兹时域光谱仪。通过设置于六轴机械臂前端的弧形支架实现了检测点在被测电缆表面上的准确定位和全周向检测，同时采用多种扫描方式以适应被测电缆的形状，有效避免了当太赫兹成像对称轴与检测点法线不重合时造成的信号衰减、图像对比度下降和物体轮廓失真，实现了电缆无损检测成像清晰的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹成像装置，具体讲涉及一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置及方法。
背景技术
绝缘电缆广泛应用于社会生产和国民生活的各个领域，尤其在房屋建设和基础电力设施建设工程方面是不可缺少的电工产品。绝缘电缆通常为多层结构，主要包括导电线芯(导体)、绝缘层及保护层等。导电线芯通常以金属铜或铝为导体材料，截面形状可为圆形、椭圆形和扇形等，用以传导电流。绝缘层通常由橡胶、油浸纸、聚(氯)乙烯等材料制成。其中，各分相绝缘保证各导电线芯间的电绝缘，而统包绝缘保证线芯与电缆外部实现电绝缘。保护层主要包括内护层和外护层，外护层可进一步分为铠装层及外被层，电缆的统包绝缘层由内护层提供防护，可避免机械损伤和受潮；外护层用来防护内护层，防止内护层受到外部环境腐蚀或机械损伤，其中，铠装层具有机械防护和电磁屏蔽的作用，材料通常为镀锌钢丝和镀锡铜丝，外被层有纤维绕包、聚(氯)乙烯护套等。
电缆的质量问题关乎国民生产安全，对于外观结构尺寸、标志检查、机械性能试验、电气性能试验、绝缘护套低温弹性和冲击强度试验、不延燃试验、耐火试验等项目的检测方法比较成熟，但是电缆内部缺陷检测手段比较欠缺，主要利用电缆电特性变化来定位内部缺陷，但是采用电特性变化进行内部缺陷检测就存在不直观的问题，通常还需要对电缆进行结构破坏才能检测内部缺陷。另一方面还存在小缺陷漏检的问题，无法满足持续改进产品质量的需求。
在现有技术中存在利用太赫兹进行无损检测的技术方案，应用最为广泛的是人或物品的安全检测，但成像质量不能满足电缆检测的精度需求。太赫兹是频率在0.1T～10T之间的一段电磁波，其具有独特的穿透性与指纹频谱特性，在成像与无损检测领域具有广阔的应用前景。在可见光波段，成像主要依靠物体漫反射，而在THz波段，成像主要依靠反射，此时，光线在被测物上的入射角和被测物体表面的凹凸变化都会对成像结果造成很大影响。
目前高精度的太赫兹成像装置基本都是基于XY二维扫描平台的，该种装置对于平面物体成像效果很好，但是对于曲面物体成像效果很差。图1展示了太赫兹源与检测器组成的反射式光学系统的对称轴与检测点法线重合的情况下以及太赫兹源与检测器平移后(即太赫兹源与检测器组成的反射式光学系统的对称轴与检测点法线不重合的情况下)其反射回波的收集情况。当对称轴与检测点法线重合时，太赫兹检测器能完全获取反射后的入射信号，被测物成像的轮廓会很清晰；当对称轴与检测点法线不重合时，入射信号经反射后无法完全被太赫兹镜头接收，此时虽然可以对被测物进行成像，但是其收集到的信号主要是漫发射信号，衰减很大，图像对比度下降，物体轮廓也会出现失真。
电缆的是连续的柱状物体，不易翻转调整检测位置，同时表面曲率较大，在扫描成像过程中传统平面扫描也难以解决被测电缆内部缺陷清晰成像的问题。
发明内容
为了解决现有太赫兹成像技术在电缆检测中存在成像效果差的问题。
本发明提出一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其包括：
机械臂，其包括其包括用于提供扫描运动的执行末端：
弧形支架，其外侧与所述执行末端连接；
太赫兹源，安装于所述弧形支架内侧，用于产生太赫兹波束；
太赫兹检测器，安装于所述弧形支架内侧，其轴线与所述太赫兹源轴线相交形成焦点，所述焦点与所述弧形支架的圆心重合；
所述执行末端按照设定的运动轨迹运动，进而带动所述太赫兹源与所述太赫兹探测器移动完成对被测电缆的扫描，得到所述被测电缆的内部三维层析图像。
将焦点与弧形支架圆心重合设置能够方便操作人员视觉判断焦点位置，以及将检测点设置在与电缆表面法线重合的位置，进而实现清晰准确的成像检测。
优选的，所述弧形支架内侧具有用于所述太赫兹源和太赫兹检测器滑动的滑轨，所述太赫兹源和太赫兹检测器通过电动结构在滑轨上实现受控滑动，以配合机械臂实现对被测电缆的全周向扫描，以解决测量整条电缆时不易翻转及机械臂难以实现全周向检测的问题。
优选的，所述弧形支架的圆弧角大于45°且小于350°。
优选的，所述弧形支架上具有用于在被测电缆表面指示检测点位置的激光指示器，所述激光指示器发出的可见激光在被测电缆表面形成的点状光斑以指示出所述监测点的位置，方便操作人员定位。
优选的，所述机械臂还包括基座，所述基座与所述执行末端连接。
优选的，所述太赫兹成像装置还包括还包括与机械臂、太赫兹源、太赫兹检测器相连的控制主机。
优选的，所述机械臂包括六轴机械臂，所述弧形支架安装于六轴机械臂的执行末端，以实现太赫兹成像装置的三维位置调节，按照设定的运动轨迹运动以实现扫描，进而实现精确和直观的太赫兹成像检测。
优选的，所述太赫兹成像装置还包括与所述六轴机械臂连接的运动控制器。
优选的，所述太赫兹成像装置还包括与所述太赫兹源连接的用于产生太赫兹波束的太赫兹泵浦单元。
优选的，所述太赫兹成像装置还包括与所述太赫兹检测器连接的信号处理单元。所述信号处理单元包括太赫兹时域光谱仪。
优选的，所述太赫兹成像装置还包括用于大范围移动的移动平台；所述移动平台与所述基座固定。
优选的，所述太赫兹成像装置还包括设置于所述移动平台上的机箱架。
一种用于电缆无损检测的太赫兹成像方法，其包含如下步骤：
机械臂的执行末端移动与所述执行末端连接的弧形支架，进而带动位于所述弧形支架内侧的太赫兹源和太赫兹检测器运动，使得所述太赫兹源和太赫兹检测器轴线相交形成的焦点与被测电缆上的初始检测点重合；所述执行末端按照设定的运动轨迹运动进而带动所述太赫兹源与所述太赫兹探测器移动完成对被测电缆的扫描，得到所述被测电缆的内部三维层析图像。
优选的，通过与所述机械臂连接的运动控制器接收与所述运动控制器连接的控制主机的控制指令，并基于所述控制指令控制所述机械臂的执行末端移动。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，包括：机械臂，其包括用于提供扫描运动的执行末端；弧形支架，其外侧与所述执行末端连接；太赫兹源，安装于所述弧形支架内侧；太赫兹检测器，安装于所述弧形支架内侧，其轴线与所述太赫兹源轴线相交形成焦点，所述焦点与所述弧形支架的圆心重合；所述执行末端按照设定的运动轨迹运动，进而带动所述太赫兹源与所述太赫兹探测器移动完成对被测电缆的扫描，得到所述被测电缆的内部三维层析图像。本发明通过设置于弧形支架实现了检测点在被测电缆表面上的准确定位，有效避免了当太赫兹成像对称轴与检测点法线不重合时造成的信号衰减、图像对比度下降和物体轮廓失真的问题，同时弧形支架还有利于对被测电缆进行全周向的检测。
2、本发明采用太赫兹信号作为成像系统的主动光源，可以利用太赫兹的穿透性对电缆内部结构进行探测与呈现，同时对电缆不会产生破坏，实现无损检测。
3、本发明利用太赫兹成像的图谱合一特性，在对电缆内部结构成像同时，可以获取电缆材料的光谱信息，大大扩展了缺陷检测的信息维度。
4、本发明为太赫兹成像装置配备六轴机械臂与手动位移平台能够实现现场电缆的大范围监测。
附图说明
图1为现有技术在电缆表面检测点不同定位情况的示意图；
图2为本发明用于电缆无损检测的太赫兹成像装置；
图3为本发明太赫兹无损检测成像方法的工作流程；
图4为本发明用于电缆无损检测的太赫兹成像方法；
其中：1-被测电缆、2-太赫兹源、3-太赫兹探测器、2’-错误位置的太赫兹源、3’-错误位置的太赫兹探测器、4-六轴机械臂、5-移动平台、6-运动控制器、7-信号处理单元、8-太赫兹泵浦单元、9-控制主机、10-机箱架、11-弧形支架。
具体实施方式
如图1所示，太赫兹源2与太赫兹探测器3组成的反射式光学系统的对称轴与检测点法线重合与不重合情况下的回波收集存在巨大差异，被测电缆1缆横截面一侧设置有由太赫兹源2和太赫兹探测器3组成的太赫兹成像装置，由于检测点在被测电缆表面的错误偏移，错误位置的太赫兹探测器3’不能正确接收到错误位置的太赫兹源2’发出太赫兹光波在被测电缆1上的反射信号。虚线为检测点表面法线，可以明显看到太赫兹源2与太赫兹探测器3组成的反射式光学系统的对称轴与检测点法线重合时，反射回波被完全接收，不重合时则反射回波不能被接收。
如图2所示，本专利的一个实施例，一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其包括：
六轴机械臂4，其包括基座，以及与基座连接的用于提供扫描运动的执行末端；
弧形支架11，其外侧与所述执行末端连接；
太赫兹源2，安装于所述弧形支架内侧，用于产生太赫兹波束；
太赫兹检测器3，安装于所述弧形支架内侧，其轴线与所述太赫兹源2轴线相交形成焦点，所述焦点与所述弧形支架的圆心重合；
所述执行末端按照设定的运动轨迹运动，进而带动所述太赫兹源2与所述太赫兹探测器3移动完成对被测电缆1的扫描，得到所述被测电缆1的内部三维层析图像。
移动平台5底部安装有带自锁装置的万向轮，可以手动推动进行平移，六轴机械臂4与机箱架10通过螺钉固定在移动平台5之上，当检测范围超过六轴机械臂4的工作范围之后可以手动控制移动平台5移动至下一工作段。太赫兹源2和太赫兹探测器3通过弧形导轨及电动装置安装在六轴机械臂执行末端固定的弧形支架11内侧，初始状态时所述弧形支架11的中轴线作为太赫兹源2和太赫兹探测器3组成的反射式光学系统的对称轴以方便操作者将焦点对准初始检测点，同时方便目测检查反射式光学系统的对称轴与检测点的法线是否重合，在扫描过程中通过六自由度的六轴机械臂4控制保证反射式光学系统的对称轴始终与被测电缆1检测点的法线重合。太赫兹源2与太赫兹探测器3通过光纤与信号传输线与用于产生太赫兹波束的太赫兹泵浦单元8连接，太赫兹泵浦单元8通过数据线与信号处理单元7连接，信号处理单元7则通过USB线或网线与控制主机9连接，实现太赫兹信号的发射、接收与处理，最终提取出被测电缆1内部每一个单点的图像信息。另外，六轴机械臂4通过控制线与运动控制器6连接，运动控制器6也通过USB线或网线与控制主机9连接，则控制主机9可以通过相应的运动控制软件对六轴机械臂4的运动轨迹进行编程控制，同时在检测时六轴机械臂4将检测点的位置信息回传给控制主机9，在控制主机9中将位置信息与对应的单点图像信息联系起来，最终呈现出被测电缆1内部的三维层析图像。
如图3所示，太赫兹无损检测成像方法的整个工作流程包括建立坐标系、检测点初始化、机械臂轨迹规划和数据采集与成像。
1)坐标系的建立：坐标原点为六轴机械臂4基座，Z轴为被测电缆1长度方向，Y轴为垂直于移动平台5的方向，根据右手法则确定X轴方向。
2)检测点的初始化：X在被测电缆1上标记初始检测点，通过六轴机械臂4的示教器控制执行末端，带动太赫兹源2与太赫兹探测器3移动，使反射式光学系统的焦点与初始检测点重合，并将被测电缆1的模型导入至六轴机械臂4的坐标系之中。
3)机械臂轨迹规划：本发明所述一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置为逐点扫描成像，可以螺旋成像，即执行末端绕被测电缆1轴线按照固定步进角旋转，同时延轴线方向按照固定步长平移；也可以逐圈成像，即执行末端绕被测电缆1轴线按照固定步进角旋转，扫描一圈之后，再按照固定步长沿被测电缆1轴线移动至下一位置，执行下一圈的扫描成像。
4)数据采集与成像：六轴机械臂4按照规划好的点云路径运动，在每一个检测点，太赫兹探测器3将该点的内部图像信息传回控制主机9，同时六轴机械臂4将该点的位置坐标也传回控制主机9，扫描完成后，通过算法重构将被测电缆1的内部三维层析图像呈现出来。
如图4所示，用于电缆无损检测的太赫兹成像方法，控制主机9控制作为信号处理单元7的太赫兹时域光谱仪开启，由太赫兹时域光谱仪分别向运动控制器6下达控制指令以及向太赫兹源2提供激发太赫兹波所需的偏压与飞秒激光；运动控制器6将内部存储的路径规划信息下发给六轴机械臂4，由六轴机械臂4带动太赫兹源2和太赫兹探测器3组成的太赫兹镜头沿着待测电缆1表面进行空间移动，同时将其空间坐标信息实时回传给运动控制器6，并由运动控制器6最终传送给作为信号处理单元7的太赫兹时域光谱仪；太赫兹镜头也实时将与空间坐标匹配的太赫兹时域脉冲传送给作为信号处理单元7的太赫兹时域光谱仪；最后，由作为信号处理单元7的太赫兹时域光谱仪将太赫兹脉冲及对应的位置信息传送给控制主机9，由控制主机进行图像的呈现，从而实现对被测电缆1内部缺陷的无损检测。
该成像方法中，将太赫兹源2与太赫兹探测器3安装在弧形支架11上，便于确定被测电缆1上检测点的正确位置；同时六轴机械臂4将六个维度的自由度都分配给了位于弧形支架11上的太赫兹源2和太赫兹检测器3，可以保证在每个检测点太赫兹源2与太赫兹探测器3组成的反射式光学系统的对称轴与检测点法线都能重合，确保了检测成像的精度。通过滑轨及电动装置将太赫兹源2与太赫兹探测器3安装在弧形支架11上，配合六轴机械臂4实现了对被测电缆1的全周向检测。而移动平台大大增加了成像装置的作业范围，适用于长距离的电缆现场检测。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种用于电缆无损检测的太赫兹成像方法，包括：
机械臂的执行末端移动与所述执行末端连接的弧形支架，进而带动位于所述弧形支架内侧的太赫兹源2和太赫兹检测器3运动，使得所述太赫兹源2和太赫兹检测器3轴线相交形成的焦点与被测电缆1上的初始检测点重合；所述执行末端按照设定的运动轨迹运动进而带动所述太赫兹源2与所述太赫兹探测器3移动完成对被测电缆1的扫描，得到所述被测电缆1的内部三维层析图像。
优选的，所述方法还包括：
通过与所述机械臂连接的运动控制器6接收与所述运动控制器6连接的控制主机的控制指令，并基于所述控制指令控制所述机械臂的执行末端移动。
优选的，所述运动轨迹包括逐点扫描、螺旋扫描和逐圈扫描。
优选的，所述螺旋扫描为执行末端带动所述太赫兹源2与太赫兹探测器3围绕被测电缆1轴线按照固定步进角旋转，同时延被测电缆1轴线方向按照固定步长平移。
优选的，所述逐圈扫描为执行末端带动所述太赫兹源2与太赫兹探测器3围绕被测电缆1轴线按照固定步进角旋转，扫描一圈之后，再按照固定步长延被测电缆1轴线移动至下一位置，执行下一圈的扫描成像。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (14)
1.一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，包括：
机械臂，其包括用于提供扫描运动的执行末端；
弧形支架(11)，其外侧与所述执行末端连接；
太赫兹源(2)，安装于所述弧形支架内侧；
太赫兹检测器(3)，安装于所述弧形支架内侧，其轴线与所述太赫兹源(2)轴线相交形成焦点，所述焦点与所述弧形支架(11)的圆心重合；
所述执行末端按照设定的运动轨迹运动，进而带动所述太赫兹源(2)与所述太赫兹探测器(3)移动完成对被测电缆(1)的扫描，得到所述被测电缆(1)的内部三维层析图像。
2.如权利要求1所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述弧形支架(11)内侧具有用于所述太赫兹源(2)和太赫兹检测器(3)滑动的滑轨。
3.如权利要求1所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述弧形支架(11)上具有用于在被测电缆(1)表面指示焦点位置的激光指示器。
4.如权利要求1所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述机械臂还包括基座，所述基座与所述执行末端连接。
5.如权利要求1所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述太赫兹成像装置还包括与所述机械臂、所述太赫兹源(2)、所述太赫兹检测器(3)相连的控制主机(9)。
6.如权利要求1所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述机械臂包括六轴机械臂(4)。
7.如权利要求1所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述太赫兹成像装置还包括与所述机械臂连接的运动控制器(6)。
8.如权利要求1所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述太赫兹成像装置还包括与所述太赫兹源(2)连接的太赫兹泵浦单元(8)。
9.如权利要求1所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述太赫兹成像装置还包括与所述太赫兹检测器(3)连接的信号处理单元(7)。
10.如权利要求9所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述信号处理单元(7)包括太赫兹时域光谱仪。
11.如权利要求4所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述太赫兹成像装置还包括用于大范围移动的移动平台(5)；所述移动平台(5)与所述基座固定。
12.如权利要求10所述的一种用于电缆无损检测的太赫兹成像装置，其特征在于，所述太赫兹成像装置还包括设置于所述移动平台(5)上的机箱架(10)。
13.一种用于电缆无损检测的太赫兹成像方法，其特征在于，包含如下步骤：机械臂的执行末端移动与所述执行末端连接的弧形支架，进而带动位于所述弧形支架内侧的太赫兹源(2)和太赫兹检测器(3)运动，使得所述太赫兹源(2)和太赫兹检测器(3)轴线相交形成的焦点与被测电缆(1)上的初始检测点重合；所述执行末端按照设定的运动轨迹运动进而带动所述太赫兹源(2)与所述太赫兹探测器(3)移动完成对被测电缆(1)的扫描，得到所述被测电缆(1)的内部三维层析图像。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
通过与所述机械臂连接的运动控制器(6)接收与所述运动控制器(6)连接的控制主机的控制指令，并基于所述控制指令控制所述机械臂的执行末端移动。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115656092A (zh) * | 2022-10-13 | 2023-01-31 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 高压电缆外护层与波纹管结构成像方法、设备及介质 |
| CN115773815A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-03-10 | 广东石油化工学院 | 基于机械臂的太赫兹反射成像系统 |
-
2022
- 2022-03-03 CN CN202210204718.7A patent/CN114739946A/zh active Pending
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