CN203534979U - 便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置 - Google Patents

Abstract

便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置属于光电检测技术领域。现有技术无法在线检测大型设备金属表面缺陷。本实用新型之装置中的光学成像系统包括激光器、摄像相机，图像采集卡接摄像相机，其特征在于，在摄像相机两侧各有一个激光器，摄像相机与两个所述激光器位于一个位移机构上；两个所述激光器光轴与摄像相机光轴呈相同夹角θ，在两个所述激光器前的光路上各安置一个柱面透镜，所述两个柱面透镜的光轴平行，且与位移机构的直线位移方向垂直；控制器分别与光学成像系统、位移机构、图像采集卡、无线传输模块有线电连接，无线传输模块与图像处理与显示PC呈无线通信关系。本实用新型用于大型物体如大型设备某一部位表面缺陷的在线检测。

Description

便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置，通过近距离激光扫描物体的金属表面并成像，现场检测在复杂环境下运行的设备的金属表面缺陷，属于光电检测技术领域。

背景技术

现有技术采用非接触激光扫描检测技术检测并记录物体金属表面缺陷的存在及变化，为研究缺陷产生原因、提高产品设计加工质量提供了重要依据，避免留下安全隐患；或者在被检物体的使用过程中及时发现缺陷的出现，如各种孔洞、裂缝等，从而及时消除安全隐患。现有金属表面缺陷激光扫描检测装置是一种固定式三维坐标检测装置，包括主体、测量系统、控制系统三大部分。主体是一种三轴系统，包括三坐标运动平台、位移检测系统、滑轨、驱动系统、制动器、转台等，用于安放被检物体，并实现被检物体的精确三维移动和转动。测量系统由测量头和摄像相机组成，测量头是一种激光三角测量探头，所发出的激光束照射被检物体表面并成像，由摄像相机获取图像信息。控制系统用于控制三坐标运动平台移动。在测量过程中，将被检物体固定在三坐标运动平台上，检测激光照射在被检物体表面上，由控制系统精密控制三坐标运动平台在X、Y、Z轴方向上的运动，实现激光扫描，由摄像相机摄取扫描图像，经过图像处理获取检测结果。该装置采用一个检测光源，为了消除检测死角，采用双相机来采集图像信息。该现有技术由于能够排除抖动影响，因此，稳定性高；能够方便快捷检测小型物体；另外，该现有技术还具有高精度智能化的特点。然而，该装置却不适合大型物体表面的测量，如大型管道、油罐、飞机蒙皮等，只能在固定场合测量体积较小的部件的金属表面；单光检测有死角，精度低，三维图像不完整；双相机的使用无形中增加了测量装置的成本。

实用新型内容

本实用新型其目的在于实现大型物体金属表面缺陷的激光检测，为此，我们发明了一种便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置，该检测装置能够在被检物体如大型设备运行现场以手持方式检测金属表面缺陷，能够检测形状复杂表面，不受检测环境掣肘影响，该装置成本低，同时具有高精度。

本实用新型之便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置中的光学成像系统包括激光器、摄像相机，图像采集卡接摄像相机，如图1所示，其特征在于，在摄像相机1两侧各有一个激光器2，摄像相机1与两个所述激光器2位于一个位移机构上；两个所述激光器2光轴与摄像相机1光轴呈相同夹角θ，在两个所述激光器2前的光路上各安置一个柱面透镜，所述两个柱面透镜的光轴平行，且与位移机构的直线位移方向垂直；控制器分别与光学成像系统、位移机构、图像采集卡、无线传输模块有线电连接，无线传输模块与图像处理与显示PC呈无线通信关系。

本实用新型其技术效果在于，在控制器的控制下，两个激光器发出检测激光，透过柱面透镜，在被测表面3上形成两个条形光斑，如图2所示，同时，在控制器的控制下，位移机构沿直线位移方向平移，摄像相机1、两个激光器2随之同步平移，实现对被测表面3被检部位的扫描，条形光斑扫描图像携带表面异常信息，由摄像相机1摄取，并由图像采集卡将图像数据传输给控制器。控制器是一个DSP芯片（数字信号处理器），对图像数据进行去噪、压缩、云点采集等预处理。经过预处理的图像数据被传输给无线传输模块，再由无线传输模块如Wi-Fi无线通信模块结合接口程序高速传递给图像处理与显示PC，在这里由表面三维结构重构算法对图像数据进行去噪、提取云点，分析被测表面3起伏及误差标定修正，选择合适的参数排除两线相互之间的干扰，通过三维云点拼接获取完整的信息图，实现三维重建，并通过可视化编程即窗口化开发软件获得三维仿真影像，最后由图像处理与显示PC中的三维仿真显示器显示，直观反映被测表面3的缺陷微观结构信息，所显示的图像与实际的被测表面3相比，不仅被放大，而且细部尽现，此时即可通过人眼观察被测表面3是否存在诸如凹凸、空洞、裂纹等缺陷。

本实用新型采用双激光器检测，左右两视图分别互补对方扫描中遇到的限制，能够消除复杂表面产生的视觉死角。以双激光器代替现有技术中的双相机，同样能够检测被测表面3的低视觉死角，测量精度高，同时减小装置体积、降低装置成本，实现便携和手持检测。采用高速数字信号处理芯片DSP，实时完成对扫描图像的处理，减小了传输数据量。采用无线通信方式而不是有线传输方式传递图像数据，也就是图像的获取与处理两分离，呈现出便携式特点，使得本实用新型能够不受检测环境掣肘影响，如大型物体某一部位表面缺陷的在线检测。

本实用新型之装置能够在80～180mm近距离内实现检测40mm×40mm范围内的被测表面，检测精度达到0.01mm。

附图说明

图1是本实用新型之便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置整体结构示意图，该图同时作为摘要附图。图2是采用本实用新型之便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置检测被测表面工况示意图。图3是本实用新型之便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置中的位移机构结构示意图。

具体实施方式

本实用新型之便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置中的光学成像系统包括激光器、摄像相机，图像采集卡接摄像相机，如图1所示。在摄像相机1两侧各有一个激光器2，摄像相机1与两个所述激光器2位于一个位移机构上。在位移机构中，连接台4位于位移平台5上面，如图3所示，二者通过滑轨机构连接；摄像相机1的底座6位于连接台4中部，所述底座6与连接台4通过燕尾槽机构连接，所述燕尾槽机构的轴线在水平平面内与位移机构的直线位移方向垂直；摄像相机1安装在底座6上，两个所述激光器2安装于连接台4上，并位于摄像相机1两侧。所述激光器2为半导体激光器，激光波长为650nm。摄像相机1为CCD相机，镜头选用5mm镜头，满足80～180mm测量范围的要求；在摄像相机1镜头前安装650nm窄带滤光片7，只允许650nm小范围波长的光透过，对检测激光束的通过无影响，减少环境光的干扰，以减小后期图像数据处理计算量。两个所述激光器2光轴与摄像相机1光轴呈相同夹角θ。在两个所述激光器2前的光路上各安置一个柱面透镜，所述两个柱面透镜的光轴平行，且与位移机构的直线位移方向垂直。两个激光器2出光口的距离2b为45mm，激光器2光轴与摄像相机1光轴夹角θ为30°，依此设计，在与两个激光器2出光口连线相距80mm处，两束激光的条形光斑重合。摄像相机1随底座6在燕尾槽机构上前后调整，由此调整两个激光器2出光口的距离2b，以改变激光器2光轴与摄像相机1光轴夹角θ，实现检测距离的调整。控制器分别与光学成像系统、位移机构、图像采集卡、无线传输模块有线电连接，无线传输模块与图像处理与显示PC呈无线通信关系。控制器采用DSP芯片。所述无线传输模块为Wi-Fi无线通信模块，这是由于本实用新型之装置要实现实时数据处理和显示，因此，对传输速度有较高要求,另外，有时传输距离尽量较远，而ZigBee传输速度较慢，Bluetooth传输距离较近，因此，只有Wi-Fi了。

如图2所示，以摄像相机1的镜头中心为坐标原点，以两个激光器2出光口连线为X轴，以摄像相机1光轴为Z轴建立空间坐标系。条形光斑中任意一点的位置（x,y,z）可以通过该点成像在摄像相机1的CCD相面的位置（x′,y′,f）计算得到，计算公式如下：

$x=\frac{{\mathrm{bx}}^{\′}}{f\cot \mathrm{\θ}-x^{\′}}---\left(1\right)$

$y=\frac{b{y}^{\′}}{f\cot \mathrm{\θ}-x^{\′}}---\left(2\right)$

$z=\frac{\mathrm{bf}}{f\cot \mathrm{\θ}-x^{\′}}---\left(3\right)$

式中：f为摄像相机焦距，θ为激光器光轴与摄像相机光轴夹角。

进而得到条形光斑，并由此获取三维重建所需的云点——空间点坐标。

图像处理与显示PC对采集的图像进行处理的过程包括：①对摄像相机1捕捉的激光灰度图滤波，减少噪声的影响；②确定激光的阈值T，滤除激光条形光斑中意外的环境光；③预先判定激光条形光斑占据CCD相面的像素数N，通过对剩余像素连续的N个值进行累加对比求极值获取包含最多激光条形光斑信息的点，去除干扰点；④对包含激光条形光斑信息的点进行最小二乘曲线拟合，并对拟合曲线求导取极值，获取激光条形光斑中心到亚像素级别。对处理后的信息带入到公式（1）、（2）、（3）中获取激光条形光斑所处的空间坐标，并通过无线传输模块将数据传输到图像处理与显示PC，通过软件实现左右两幅三维图的实时显示，并通过三维点云拼接补偿各自扫描结果中的死角数据。

Claims (6)

1.一种便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置，其中的光学成像系统包括激光器、摄像相机，图像采集卡接摄像相机，其特征在于，在摄像相机（1）两侧各有一个激光器（2），摄像相机（1）与两个所述激光器（2）位于一个位移机构上；两个所述激光器（2）光轴与摄像相机（1）光轴呈相同夹角θ，在两个所述激光器（2）前的光路上各安置一个柱面透镜，所述两个柱面透镜的光轴平行，且与位移机构的直线位移方向垂直；控制器分别与光学成像系统、位移机构、图像采集卡、无线传输模块有线电连接，无线传输模块与图像处理与显示PC呈无线通信关系。

2.根据权利要求1所述的便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置，其特征在于，在位移机构中，连接台（4）位于位移平台（5）上面，二者通过滑轨机构连接；摄像相机（1）的底座（6）位于连接台（4）中部，所述底座（6）与连接台（4）通过燕尾槽机构连接，所述燕尾槽机构的轴线在水平平面内与位移机构的直线位移方向垂直；摄像相机（1）安装在底座（6）上，两个所述激光器（2）安装于连接台（4）上，并位于摄像相机（1）两侧。

3.根据权利要求1所述的便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置，其特征在于，所述激光器（2）为半导体激光器，激光波长为650nm。

4.根据权利要求1所述的便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置，其特征在于，摄像相机（1）为CCD相机；在摄像相机（1）镜头前安装650nm窄带滤光片（7）。

5.根据权利要求1所述的便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置，其特征在于，控制器采用DSP芯片。

6.根据权利要求1所述的便携式金属表面缺陷激光扫描检测装置，其特征在于，所述无线传输模块为Wi-Fi无线通信模块。

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