CN104697928A - 基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置，包括连续波太赫兹波源（1）、第一离轴抛物面镜（2）、第二离轴抛物面镜（3）、样品台（4）、聚乙烯透镜（5）、太赫兹阵列相机（6）和计算机（7）；其中还包括一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测方法；本发明可以对聚乙烯管焊缝进行快速、在线检测，并通过计算机对所测结果进行在线处理和显示。该装置具有检测速度快、检测灵敏度高、安全等特点，可应用于聚乙烯管焊缝质量或在役状态检测等领域，具有重要的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置与方法，属于太赫兹技术应用领域领域。
背景技术
聚乙烯管的原材料是聚乙烯，它是一种高分子量的有机合成材料。聚乙烯管一般采用中密度和高密度聚乙烯加工而成。目前聚乙烯管为国际上应用最为成熟的塑料压力管之一，具有耐腐蚀、密封性好、韧性高等特点，广泛应用于输水输油输气管道工程。
聚乙烯管的连接经常采用热熔连接方式，即在两根直通的聚乙烯管对接处，利用通电加热的方式使聚乙烯管接头局部融化焊接起来，该连接方式的工艺和设备都比较简单，虽然工艺比较成熟，但焊缝中仍然不可避免地出现一些质量问题。为了安全起见，必须对聚乙烯管焊缝进行无损探伤以保证焊接质量。
目前常规的无损检测方法主要有超声波、磁粉、涡流、X射线和渗透等五种方法。由于聚乙烯材料不导电，显然不能采用磁粉和涡流探伤法；而焊缝的缺陷有表面缺陷也有内部缺陷，因此也不能采用渗透法；虽然X射线可以检查内部缺陷，但是具有放射性等危险；由于聚乙烯材料中的声速比金属中的声速要小很多，给超声探伤法带来了极大的困难。
太赫兹(1 THz=1012 Hz)波通常是指频率范围在0.1 THz到10 THz的电磁波辐射，处于微波与红外光之间。太赫兹波技术具有以下特点：(1)采用光脉冲取样探测方法，可以获得太赫兹波的瞬态电场，即可同时得到幅度和相位信息。(2) 太赫兹辐射可以深入到无极性非金属材料中，太赫兹辐射对陶瓷、塑料、纺织纤维等很多物质透射率高，可用于上述材料及其相关产品的质量控制。(3)太赫兹辐射是一种非常安全的电磁辐射，频率为1 THz的电磁波的光子能量只有4mev，是X射线的百万分之一，对人体几乎没有危害。(4)太赫兹波波长较长，受物质颗粒散射影响很小。
太赫兹成像是最近几年才发展起来的一种成像技术。然而现有太赫兹成像技术对成像物体采用逐点扫描的方式进行成像，虽然图像中所包含的物质信息非常丰富，但是成像时间却非常长，难以满足在线和实时检测的要求。基于微测辐射热探测器阵列相机的太赫兹波成像技术应时而生。微测辐射热探测器阵列相机可以一次性采集成像物体的图像，类似于相机拍照的机理，所以基于微测辐射热探测器阵列相机的太赫兹波成像技术无须机械运动扫描机构，具有灵敏度高、效率高等优点。
已有研究结果表明，太赫兹波对聚乙烯材料具有很高的透射率，而聚乙烯管焊缝处如果出现缺陷则在太赫兹波的传播过程中会引起太赫兹波的幅值和相位发生明显的变化，据此，提出采用微测辐射热探测器阵列相机，应用太赫兹焦平面成像的方法对聚乙烯管焊缝质量进行检测与评估。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置与方法，能够解决目前聚乙烯管焊缝检测中存在效率低、精度低、不可靠等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置，
包括连续波太赫兹波源、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、样品台、聚乙烯透镜、太赫兹阵列相机和计算机；
所述的连续波太赫兹波源经第一离轴抛物面镜后被准直，然后经第二离轴抛物面镜后聚焦照射到样品台的待测聚乙烯管上，太赫兹波透过待测聚乙烯管后被聚乙烯透镜准直，再利用太赫兹阵列相机成像，并将成像数据输入到计算机进行在线处理与显示。
所述的连续太赫兹波源为耿氏二极管、量子级联激光器等连续太赫兹波源。
所述的样品台无须在运动装置的控制下逐像素移动扫描，成像时间短、效率高。
所述的太赫兹阵列相机为微测辐射热阵列探测器，探测灵敏度高。
所述的聚乙烯透镜是高密度聚乙烯透镜或硅透镜。
一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测方法，包括以下步骤：
1）根据在聚乙烯管焊缝中发现的所有类型缺陷如裂纹、气孔、夹渣、未焊透和未熔合五大类，制作含有上述所有类型缺陷的聚乙烯管焊缝标准试件；
2）应用检测装置获取制作的聚乙烯管焊缝标准试件中所含全部缺陷的太赫兹连续图像，利用得到的全部缺陷的太赫兹连续图像构建样本训练集，并建立聚乙烯管焊缝缺陷类型的识别模型，根据所建立的样本训练集确定缺陷类型识别模型的参数，如此，应用所建立的缺陷类型识别模型可建立缺陷类型与其太赫兹连续图像的一一映射关系；
3）应用检测装置获取待检测聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像，将得到的太赫兹连续图像输入到步骤2)中建立的缺陷类型识别模型，根据缺陷类型识别模型的输出结果即可判定待检测聚乙烯管焊缝中是否存在缺陷，若存在缺陷，则根据缺陷类型识别模型的输出结果确定缺陷类型。
所述的步骤2）为应用检测装置测量聚乙烯管焊缝标准试件中所有类型缺陷的太赫兹连续图像，其中连续太赫兹波源发出太赫兹波后经过第一离轴抛物面镜后准直，经第二抛物面镜后被聚焦，然后照射到样品台处的含有已知类型缺陷的聚乙烯管焊缝标准试件上，透过后的太赫兹波携带了样品信息，经聚乙烯透镜后被准直，并照射到太赫兹阵列相机上，太赫兹阵列相机将太赫兹波信号转化成为相应的图像信息并输入到计算机中，首先从聚乙烯管焊缝标准试件的太赫兹连续图像中确定焊缝区域，然后在焊缝区域中提取缺陷的图像特征，再采用模式识别方法建立聚乙烯管焊缝缺陷类型识别模型，其中的模式识别方法为神经网络法或支持向量机法。
所述的步骤3）中获得待测聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像后，首先从聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像中确定焊缝区域，然后在焊缝区域中提取图像特征，并将其输入到步骤2）建立的缺陷类型识别模型中，最后根据缺陷类型识别模型的输出结果确定是否存在缺陷，若存在缺陷，明确缺陷类型。
本发明的有益效果是：本发明基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置与方法，无需复杂的前处理过程，测试时间短，可以对聚乙烯管焊缝质量进行准确、快速、有效的检测与评价。
本发明所提出的装置和方法灵敏度高，还可以应用于其他材质的塑料聚合物管道的无损检测和在役评估等领域。
附图说明
图1为基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置的结构示意图；
图2为太赫兹波成像分辨率示意图；
图3为焊缝缺陷类型识别模型的建立流程图；
图4为焊缝缺陷识别流程图。
图中：1、太赫兹光源，2、第一离轴抛物面镜，3、第二离轴抛物面镜，4、样品台，5、聚乙烯透镜，6、太赫兹阵列相机，7、计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置，
包括连续波太赫兹波源1、第一离轴抛物面镜2、第二离轴抛物面镜3、样品台4、聚乙烯透镜5、太赫兹阵列相机6和计算机7；
所述的连续波太赫兹波源1经第一离轴抛物面镜2后被准直，然后经第二离轴抛物面镜3后聚焦照射到样品台4的待测聚乙烯管上，太赫兹波透过待测聚乙烯管后被聚乙烯透镜5准直，再利用太赫兹阵列相机6成像，并将成像数据输入到计算机7进行在线处理与显示。
所述的连续太赫兹波源1为耿氏二极管、量子级联激光器等连续太赫兹波源。
所述的样品台4无须在运动装置的控制下逐像素移动扫描，成像时间短、效率高，因此可以进行实时成像，进行成像时通过调整样品台到第二离轴抛物面镜3和聚乙烯透镜5之间的距离可以调整图像的放大率；聚乙烯透镜5可以是高密度聚乙烯透镜或硅透镜；太赫兹阵列相机6采用灵敏度较高的微测辐射热探测器阵列相机，测辐射热探测器也是一种量热探测器，利用热敏电阻在收到热辐射时的阻值变化来测量辐射的强度，测辐射热探测器是已经商品化的太赫兹波段直接探测器中灵敏度最高的一种，其灵敏度比热释电相机高2~3个数量级，其噪声等效功率（NEP）可以达到10-12~10-15 WHz-1/2，因此应用于太赫兹成像降低了系统对太赫兹波源1的辐射功率要求。
如图3和图4所示：一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测方法，包括以下步骤：
1）根据在聚乙烯管焊缝中发现的所有类型缺陷如裂纹、气孔、夹渣、未焊透和未熔合五大类，制作含有上述所有类型缺陷的聚乙烯管焊缝标准试件；
2）应用上述装置获取制作的聚乙烯管焊缝标准试件中所含全部缺陷的太赫兹连续图像，利用得到的全部缺陷的太赫兹连续图像构建样本训练集，并建立聚乙烯管焊缝缺陷类型的识别模型，根据所建立的样本训练集确定缺陷类型识别模型的参数，如此，应用所建立的缺陷类型识别模型可建立缺陷类型与其太赫兹连续图像的一一映射关系；
3）应用上述装置获取待检测聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像，将得到的太赫兹连续图像输入到步骤2)中建立的缺陷类型识别模型，根据缺陷类型识别模型的输出结果即可判定待检测聚乙烯管焊缝中是否存在缺陷，若存在缺陷，则根据缺陷类型识别模型的输出结果确定缺陷类型。
所述步骤2）为检测装置测量聚乙烯管焊缝标准试件中所有类型缺陷的太赫兹连续图像，其中连续太赫兹波源1发出太赫兹波后经过第一离轴抛物面镜2后准直，经第二抛物面镜3后被聚焦，然后照射到样品台4处的含有已知类型缺陷的聚乙烯管焊缝标准试件上，透过后的太赫兹波携带了样品信息，经聚乙烯透镜5后被准直，并照射到太赫兹阵列相机6上，太赫兹阵列相机6将太赫兹波信号转化成为相应的图像信息并输入到计算机7中，首先从聚乙烯管焊缝标准试件的太赫兹连续图像中确定焊缝区域，然后在焊缝区域中提取缺陷的图像特征，再采用模式识别方法建立聚乙烯管焊缝缺陷类型识别模型，其中的模式识别方法可以为神经网络法或支持向量机法。
所述步骤3）中获得待测聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像后，首先从聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像中确定焊缝区域，然后在焊缝区域中提取图像特征，并将其输入到步骤2）建立的缺陷类型识别模型中，最后根据缺陷类型识别模型的输出结果确定是否存在缺陷，若存在缺陷，明确缺陷类型。
由于在聚乙烯管焊缝质量检测的太赫兹连续成像中，本发明装置与方法仅关注焊缝中的缺陷，因此首先采用图像增强、图像分割等图像处理方法提取焊缝区域，以减小图像分析范围，减小计算量，提高图像处理速度。
其中图像增强是指对图像的某些特征，如边缘、对比度、轮廓进行强调和锐化，以便于显示、观察或进一步的分析与处理。图像增强不增加图像数据中的相关信息，但是增加图像中所选特征的动态范围，从而使这些特征更加容易辨认和检测。
焊缝的太赫兹图像中背景会占很大区域，而焊缝只是图像的一小部分，焊缝的缺陷也只集中在焊缝内，因此有必要将焊缝区域的图像部分提取出来，以减小后续处理的计算量，提高焊缝缺陷的识别速度。
由于焊缝处热熔后发生的变化会使得其成分和结构发生很大变化，这在对应太赫兹图像上会有明显的特征，在采集的太赫兹图像上可以明显看出其灰度有很大差异，因此根据图像中要提取的目标和背景在灰度上的差异，可以将焊缝区域提取出来，提取时采用阈值分割法，选择一个合适的阈值，将灰度图像的数据分成大于阈值的像素群和小于阈值的两部分，得到目标和背景，形成二值图像。
将提取出的焊缝区域的像素点恢复原图像中的值，而将背景部分则设置为灰度最大值，即为背景。对于提取出来的焊缝区域继续采用图像增强和图像分割的方式提取其中的图像信息，经处理后可以提取出其中的缺陷区域。此外再采用缺陷边缘提取的方法，通过对缺陷的边缘进行锐化处理，采用基于数学形态学的方法提取图像边缘信息。利用缺陷区域和缺陷边缘的信息作为缺陷的特征，可以实现焊缝的缺陷识别。
以上述提取的信息作为特征，采用神经网络或支持向量机等模式识别方法可以建立缺陷识别模型。
所述步骤3）中获得待分析聚乙烯管道焊缝的太赫兹波连续图像后，首先从标准试件的太赫兹图像中提取焊缝区域，然后在焊缝区域中提取焊缝中的缺陷区域和缺陷边缘等特征，并应用步骤2）建立的焊缝缺陷分类识别模型进行分析，确定缺陷类型。
在本发明提出的太赫兹焦平面成像系统中，根据瑞利判据，最小可分辨角度为
θ0＝1.22λ/d (1)
其中θ0是最小可分辨角度，λ为太赫兹波的波长，d是聚乙烯透镜的直径，而在物平面上，假设最小能被分辨的两点之间的距离为x，则从图2可以得出
θ0＝x/L (2)
式中x是样品上最小可分辨的距离，即分辨率，L是样品到透镜之间的距离，将式(1)带入式(2)可得
x＝1.22λL/d (3)
由此可以通过调整样品3与聚乙烯透镜5之间的距离改变太赫兹成像的分辨率，同时增大聚乙烯透镜5的数值孔径也可以增大成像分辨率。合理调整样品3与聚乙烯透镜5之间的距离，可以使成像分辨率达到0.4mm量级，可以满足聚乙烯管中焊缝缺陷识别的要求。
本发明所提出的基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测方法，还可以应用于其他的塑料管道的缺陷检测中。根据要分析的管材质的不同，选取合适的太赫兹频段进行分析。但是需要注意的是分析不同材料的管道时，需要重新制作标准试件，获取标准试件中所含全部缺陷的太赫兹图库，以此建立样本训练集，进而重新确定缺陷类型识别模型参数，再将其用于待测试件的图像分析与处理，否则将出现检测误差甚至完全错误的结果。
Claims (8)
1.一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置，其特征在于，
包括连续波太赫兹波源（1）、第一离轴抛物面镜（2）、第二离轴抛物面镜（3）、样品台（4）、聚乙烯透镜（5）、太赫兹阵列相机（6）和计算机（7）；
所述的连续波太赫兹波源（1）经第一离轴抛物面镜（2）后被准直，然后经第二离轴抛物面镜（3）后聚焦照射到样品台（4）的待测聚乙烯管上，太赫兹波透过待测聚乙烯管后被聚乙烯透镜（5）准直，再利用太赫兹阵列相机（6）成像，并将成像数据输入到计算机（7）进行在线处理与显示。
2. 根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置，其特征在于，所述的连续太赫兹波源（1）为耿氏二极管、量子级联激光器等连续太赫兹波源。
3. 根据权利要求1所述的一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置，其特征在于，所述的样品台（4）无须在运动装置的控制下逐像素移动扫描，成像时间短、效率高。
4. 根据权利要求1所述的一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置，其特征在于，所述的太赫兹阵列相机（6）为微测辐射热阵列探测器，探测灵敏度高。
5. 根据权利要求1所述的一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测装置，其特征在于，所述的聚乙烯透镜（5）是高密度聚乙烯透镜或硅透镜。
6. 一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）根据在聚乙烯管焊缝中发现的所有类型缺陷如裂纹、气孔、夹渣、未焊透和未熔合五大类，制作含有上述所有类型缺陷的聚乙烯管焊缝标准试件；
2）应用权利要求1所述装置获取制作的聚乙烯管焊缝标准试件中所含全部缺陷的太赫兹连续图像，利用得到的全部缺陷的太赫兹连续图像构建样本训练集，并建立聚乙烯管焊缝缺陷类型的识别模型，根据所建立的样本训练集确定缺陷类型识别模型的参数，如此，应用所建立的缺陷类型识别模型可建立缺陷类型与其太赫兹连续图像的一一映射关系；
3）应用权利要求1所述装置获取待检测聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像，将得到的太赫兹连续图像输入到步骤2)中建立的缺陷类型识别模型，根据缺陷类型识别模型的输出结果即可判定待检测聚乙烯管焊缝中是否存在缺陷，若存在缺陷，则根据缺陷类型识别模型的输出结果确定缺陷类型。
7. 根据权利要求5所述的一种基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测方法，其特征在于，所述的步骤2）为应用权利要求1所述的装置测量聚乙烯管焊缝标准试件中所有类型缺陷的太赫兹连续图像，其中连续太赫兹波源（1）发出太赫兹波后经过第一离轴抛物面镜（2）后准直，经第二抛物面镜（3）后被聚焦，然后照射到样品台（4）处的含有已知类型缺陷的聚乙烯管焊缝标准试件上，透过后的太赫兹波携带了样品信息，经聚乙烯透镜（5）后被准直，并照射到太赫兹阵列相机（6）上，太赫兹阵列相机（6）将太赫兹波信号转化成为相应的图像信息并输入到计算机（7） 中，首先从聚乙烯管焊缝标准试件的太赫兹连续图像中确定焊缝区域，然后在焊缝区域中提取缺陷的图像特征，再采用模式识别方法建立聚乙烯管焊缝缺陷类型识别模型，其中的模式识别方法为神经网络法或支持向量机法。
8. 根据权利要求5所述的基于太赫兹焦平面成像的聚乙烯管焊缝检测方法，其特征在于，所述的步骤3）中获得待测聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像后，首先从聚乙烯管焊缝的太赫兹连续图像中确定焊缝区域，然后在焊缝区域中提取图像特征，并将其输入到步骤2）建立的缺陷类型识别模型中，最后根据缺陷类型识别模型的输出结果确定是否存在缺陷，若存在缺陷，明确缺陷类型。
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