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1、试验研究 全自动荧光磁粉检测系统 程 伟黄曙荣 (江苏盐城市电子设备厂,盐城 224003) (盐城工学院,盐城 224002) 陈健生 (北京内燃机厂,北京 100101) 摘 要 介绍荧光磁粉全自动探伤系统的核心部分,包括数字图象的摄取、 处理分析和设备监 控,并简要介绍该系统的实际应用效果。 主题词 自动化 磁粉检验系统 软件 信息处理 AUTOMATIC FLUORESCENTMAGNETIC PARTICLE INSPECTI ON SYSTEM Cheng WeiHuang Shurong (Yancheng Electric Equipment Plant) (Yancheng
2、Institute of Technology) Chen Jiansheng (Beijing Internal2Combustion Engine Plant) Abstract The software of automatic magnetic particle inspection system for detecting the surface defects in ball bearings ispresented, including digital i mage processing and device controlling. The practical applicat
3、ion effect of the system is also given. Keywords A utomatization M agnetic particle inspection system Software Signal processing 荧光磁粉全自动检测是近十多年来国际上发展 的光、 机、 电一体化表面自动探伤新技术,其原理是 在荧光磁粉探伤基础上采用CCD摄象系统及相关 的软件系统摄取、 处理、 分析工件上的缺陷磁痕以达 到自动探伤的目的。本文介绍荧光磁粉全自动检测 系统及其实际应用效果。 1 检测系统软件主要工作流程 系统主要工作流程为摄取磁痕显示彩色磁痕 显示的灰度
4、化自适应阈值处理滤波降噪区域 标号检测去除工件边界和伪缺陷显示确定缺陷 数目和类型输出验收? 拒收信号,现叙述如下。 1. 1 磁痕显示图象的摄取 在清洗和磁化等工序后,工件被置于摄取图象 工位,探伤机PLC给出 “请求摄象” 信号,本检测系 统在接收到信号以后,立即开启彩色摄象, CCD将 检测工件的磁痕显示摄入计算机主存储器,准备进 行数字图象的处理和分析。 1. 2 彩色图象的灰度化 为了便于精确分析磁痕显示图象,加快其处理 速度,必须将CCD摄取的24bit真彩图象按如下公 式进行灰度化 x= 0. 3r+ 0. 59g+ 0. 11b+ 0. 5 式中 r真彩图象的红色分量 b真彩图
5、象的蓝色分量 g真彩图象的绿色分量 这样,经过取整就能得到灰度为0255的256 级灰度图象,改变RGB三个分量的系数,可改变三 个分量对最后灰度图象的影响,起到选择性滤色的 作用,这样可在一定程度上消除杂光等噪声对图象 的影响。 图1为CCD摄取的380360象素24bit真 彩图象经过上述公式灰度化处理以后的灰度图象, 图2为该图象的灰度直方图,由于图象的灰度分布 比较均匀,为便于观察,图中的灰度百分比扩大了 20倍。如图所示,图象的最大灰度、 最小灰度、 最多 灰度和平均灰度分别为254, 0, 43和79,“大于平均 44. 11” 是指整幅图象中高于平均灰度的象素点占整 幅图象的百分
6、比。 1. 3 灰度图象的自适应阈值处理 为了从图象中将缺陷分离出来,必须对灰度图 505 第22卷第11期 2000年11月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 11 Nov. 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图1 灰度化以后的图象 图2 图象的灰度直方图 象进行二值化,即进行图象分割,分割后把缺陷的图 象象素二值化为亮点,而把其余的背景象素二值化 为黑点,接下来对图象进行特征抽取和分类,因而图 象分割十分重要,使
7、用阈值进行图象分割是一种简 单有效的图象区域分割法。 由于被检测工件表面情况各异,图象的不同部 分灰度分布也有较大的不同,缺陷与背景的对比度 亦不同,如用肉眼可以明显分辨出图1中的六条缺 陷,其最显著特征是缺陷图象呈狭长的线型,灰度与 周围背景相比有明显的不同,有相对清晰的边界,但 灰度与左右下的两块面积型亮斑相比并不是最高 的,象素的个数也不是很多,且每条缺陷的平均灰度 也有较大的差异,从图2的灰度直方图中可以看出, 整幅图象的最大灰度为254,最小灰度为0,平均灰 度为79,象素最多的灰度级是43,没有明显双峰,因 而无法找到适应整幅图象的最佳阈值,不能采用全 局阈值进行图象分割,只能将整
8、幅图象分成88和 1616的小块进行图象的二值分割,从而将缺陷图 象(与周围背景图象相比有较高的灰度)从整幅图象 中分离出来。 分块的大小与图象检测的缺陷宽度有关,若可 检测的缺陷的宽度大于块的象素个数,则缺陷就可 能无法正确检出,因此必须根据实际应用情况,如检 测缺陷图象的宽度和摄象的CCD镜头距被检测工 件的距离等参数确定块的大小。我们在实际应用中 采用的是1616的块,这样能适应更多种情况的 需要。 确定了块的大小,并不能保证所有的缺陷图象 都能正确分割出来,还需要确定每块的阈值,经过反 复测试,每一分块中的图象灰度直方图也没有明显 的双峰,最佳阈值难以确定。 我们采用下述算法对图 象进
9、行二值分割 f(x,y ) = 1 点(x,y)象素的灰度 c 块的平均灰度 0 点(x,y)象素的灰度 c 块的平均灰度 式中 c自适应信噪比系数 c与图象信噪比等许多参数有关系,其范围一 般为1. 02. 0,其值越大,图象二值化后留下的亮 的象素点越少,后续处理也就越容易,但对图象的质 量要求越高,否则就有可能将信噪比不是很高的缺 陷图象丢失,而c值越小,图象二值化后留下的亮的 象素点越多,后续处理也就越困难,但对图象的质量 要求相对较低,丢失缺陷图象的可能性也小。 图3为 图1的灰度图象经过自适应阈值处理后的黑白二值 图象,左面的图象自适应系数为1. 21,从图象中可 以看出所有的缺陷
10、图象都二值化为亮点,但其中点 状噪声和检测工件的边缘都留了下来,增大了分类 的难度,右面图象的自适应系数为1. 40,噪声亮点 大大减少,但缺陷图象的象素损失较多,从工业检测 的角度考虑只能采用1. 21的自适应系数。 因此必须 对软件进行测试,以确定最低的自适应系数。 图3 自适应阈值处理后的图象 图象的信噪比低,自然会联想到许多的图象增 强算法,如对数增强、 微分增强、Sobel边缘增强和 拉普拉斯算子增强等,但由于这些增强算法在增强 信号的同时,对噪声也进行了增强,对检测不利。 1. 4 滤波降噪处理 为了能将信噪比相对较低的缺陷图象从图象中 成功分割出来,用于二值化分割图象的自适应信噪
11、 比系数只能采用 1. 4的值,进行二值化后,图象中 会出现许多小的点状噪声,为此可采用多种滤波算 605 程 伟等:全自动荧光磁粉检测系统 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 法对图象进行滤波,不同滤波算法的效果也有明显 差异,其中33矩形滤波或55十字中值滤波对 消除小的点状噪声有一定的效果,但也使缺陷的图 象遭到腐蚀,故可考虑对滤波后的图象中仍存在的 亮的象素点进行相应的膨胀补偿,所以是否使用滤 波算法要根据实际情况权衡利弊。图4为进行5
12、5 十字中值滤波处理后的图象。 图4 十字中值滤波后的图象 1. 5 区域标号及初步检测 为了将二值化分割和滤波降噪后图象中的缺陷 检测出来,必须对二值化图象中的亮点进行标号,将 互相连通(八邻域连通)的亮点象素标识出来,作为 一个整体保存在内存中供以后进行分析统计。进行 连通成分标记的算法有多种,参考文献2中列出的 算法被分为两类,一类是局部邻域算法,另一类称为 “分而制之” 算法,局部邻域算法又分为局部递归运 算、 跟踪算法、 斑点着色算法和收缩法等,典型的分 而制之算法是简单连通成分标记算法。 灰度图象经过自适应二值化以后,特别是不经 过相应的滤波处理,图象中的连通分量的数量很多, 不同
13、的图象和不同的处理方式其结果数目变化很 大,范围从几个到数千个不等,从图3与图4的图象 可以明显看出这种巨大的差异,每个连通分量的象 素个数差异很大,象素最少的连通分量只有几个象 素,而象素最多的连通分量有近万个象素,而且处理 的结果还需要保存,因此必须仔细考虑算法的时间 复杂性和空间复杂性。 递归类算法尽管思路清晰,但 其所占时间和空间是难以控制的,因此我们经过反 复比较采用简单的非递归连通成分标记算法,并加 上动静态存储管理机制结合的方法管理标号结果缓 冲区,有效地控制了算法的时间和空间复杂性。 将所有的连通分量标记出来以后,就可以对每 个连通分量进行初步统计分类,很容易地求出连通 分量的
14、面积(连通分量的象数个数)、 周长(边缘跟踪 求出边缘象素个数)、 近似长度和宽度等基本度量参 数,然后根据检测标准进行检测,去掉不符合标准的 连通分量。图5是图3左边的图象没有经过滤波处 图5 区域标号及初步检测后的图象 理而直接进行区域标号和初步检测得到的图象,可 以看到绝大部分噪声图象都已经去掉。 1. 6 去除工件边界和伪缺陷显示 经过区域标号和初步检测以后,图象中仍存在 工件边缘等一些非缺陷图象,也就是存在伪缺陷图 象,因此必须对图象中存在的每一个连通区域进行 各种统计分析,区分并去除伪缺陷以及检测工件的 边界。 (1)去除边界 去除工件边界图象的简单办法 是在软件中记录下工件的外形
15、轮廓,然后再将图象 中外形轮廓象素点置为黑点,这样就可以有效去除 工件边界形成的伪缺陷图象,其缺点是对相应的硬 件设备精度和稳定性要求较高。而其它较复杂的方 法则可以根据边界图象本身的特点加以去除。 (2)去除其它伪缺陷 人眼之所以能分辨实际 图象中的缺陷,一是由于缺陷图象与周围的背景有 明显的区别,因此,把缺陷图象与缺陷周围图象的各 种参数进行比较,可以有效去除这类伪缺陷图象。 可 供选择的参数有平均灰度、 灰度方差、 扭曲度、 峰度、 熵、 灰度梯度等;二是缺陷图象的形状不很复杂,简 单的线性较多,而伪缺陷图象一般形状复杂,因而可 用矩形度和圆形度等参数进行比较。图6是去除所 有伪缺陷图象
16、以后的检测结果。 图6 最后检测结果 1. 7 确定缺陷数目和类型 对最后留下的图象中的连通区域进行统计分 析,确定每一缺陷的形状、 长度和宽度等特征。 1. 8 输出验收? 拒收控制信号 705 程 伟等:全自动荧光磁粉检测系统 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 根据检测结果,输出被检测工件是合格验收还 是拒收的信号,控制探伤机相应的成品、 废品门的动 作,完成整个检测工序,并给出可以检测下一个工件 的控制信号。 2 软件设计 软件编程语言
17、采用目前国际上较为流行的 M icrosoft V isual C+ +5. 0,根据面向对象的编程 思想,以W indow s系统标准的多文档界面作为主控 界面,以W in32多线程编程技术为核心,实现实时 设备监控和图象处理并发运行。在程序设计的过程 中,完全采用32位编程技术,实现了设备监控和图 象处理的所有功能。 3 成果应用 全自动荧光磁粉探伤系统是光机电一体化高新 技术产品。 由盐城电子设备厂牵头组织,经过一年多 的努力,成功研制一台GCTC21型铁路滚柱轴承十 工位图象识别磁痕全自动荧光检测系统。其主要技 术指标为,磁化电流:周向01 000A ,纵向0 4 000A T,复合(
18、周向+纵向 ); 灵敏度: 15?50 A型 试片全方位显示清晰;检出速度: 4s? 只,单班检测 5 000只以上;退磁效果: 210- 4 T; 暂载率: 80%;电源:三相四线380V?50Hz;外形尺寸: 2 400 mm1 600mm1 800mm;重量:约1 500kg;图象 处理系统:正确检出长度1mm的裂纹及材料缺陷 磁痕,有图象监控和记录功能,对检出裂纹的数量、 长度和位置给予标定,探伤结果可存档,能够按工件 技术条件和判定条件制定合格、 不合格或重检信号, 实现工件的自动分类。 目前该系统已进入试运行和生产验证阶段,正 在对该系统的光机电组合进行优化、 完善和提高。 参考文
19、献 1 Kenneth R.数字图象处理.北京:清华大学出版社, 1998. 447- 544 2 崔 屹.数字图象处理技术与应用.北京:电子工业出版 社, 1997. 121- 200 3 KruglinskiDavid J.Inside V isual C+ + .4th Edition, W ashington: M icrosoft Press, 1997. 4 Jeffrey R ichter.A dvanced W indow s the Developers Guide to W in32 A P I forW indow sN T3. 5 andW indow s 95. W
20、ashington: M icrosoft Press, 1995. 10- 123 收稿日期: 2000201210 (上接第504页) 在ISO?D IS 2694标准中也有类似规定,即对交 叉部位的条状夹渣要求作U T,若RT长度超标,而 U T反射波高低于参考线,则可评定为合格。 (3)对条状夹渣和条状孔的评定,缺陷容限单 长多为1?3T,总长多为T(在12T焊缝长度内)。法 国还按焊缝系数(0. 85和 1. 0) 分别规定容限。 对圆孔和圆形夹渣的评定,一般均从单个尺寸 一定面积内群集总数、 线排列间距和累计长度等方 面进行限制。 法国(AppveN 12) 和ISO?D IS标准
21、用 气孔容限图作为评定质量的比照依据。德国对气孔 允许尺寸和出现次数的限制与U T同值。在法国电 力局E. D. F验收标准中还规定,气孔和夹渣尺寸虽 合格,但若位于疲劳区近表面,仍可判为不合格。 12 小结 (1)欧洲标准可在焊接缺陷质量评定诸多方面 为修订、 完善我们自己的国标和行标提供借鉴,特别 是角接焊缝、 单面焊和小径管缺陷的评定。 (2)欧洲国家对焊接缺陷评定合格与否,主张 参照缺陷性质、 数量、 大小、 位置等数据综合决定。 特 别是对RT和U T缺陷定量提出了挑战性要求,这 方面亟盼国内无损检测 级人员在近期通过实验研 究找到相应的有效模式。 参考文献 1 EN 444-199
22、4 Non2Destructive TestingGeneral Principles for Radiographic Exam ination ofM aterials by X and Gamma Rays 2 EN 462- 1- 1994 Non2Destructive TestingI mage Q uality of Radiographs: Part 1 I mageQ uality Indicators (W ire Type)Determ ination of I mage Q uality V alue 3 EN 584 -1 -1995 Non2Destructive
23、Testing Industrial Radiographic Film: Part 1 Classification of Film System s for Industrial Radiography 4 EN 25817- 1992, ISO 5817: 1992 A rc2W elded Joints inSteelGuidanceonQ ualityL evelsfor I mperfections 5 Review of Worldw ide W eld D iscontinuity A cceptance. WRC BULL ET I N(268), 1981. 6 李 衍.焊缝质量无损检测评定最新国际标准介绍.无损 检测, 2000, 22(4): 172- 177 (全文完) 收稿日期: 1999201206 805 程 伟等:全自动荧光磁粉检测系统 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载