用子波变换的管内壁测量仪

　　1　引　　言

　　工业生产中大量使用圆管类零件。如一些油泵管、滑膛炮的炮筒管等对管内壁尺寸形貌的精度要求较高,在加工和使用过程中需要精确检测,以了解管内壁表面的尺寸形貌及缺陷。目前常用的管内壁表面检测法有空气塞规法、涡流法、超声法[1][2]、光学单点扫描法[3]以及光环图像法等[4]。前三种方法由于测量分辨率太低(低于0.5mm)以及需被测管为金属等,应用受到限制。单光点扫描法具有很高的检测分辨率,但由于单点扫描速度过慢,测量效率较低(测量3m长的管件约需30分钟)。光环法具有快速的测量速度。Henry[4]研制了基于光环法的管内壁表面测量系统用于测量下水管道的形貌和缺陷。由于结构的限制,其测量分辨率虽比前三种有所提高,但也只达到0.3mm。

　　本文研制了一种管内壁测量仪用于测量管形件内表面尺寸、形貌和表面缺陷。该测量仪可用于测量光洁度低于或等于10的金属、非金属等材质的管形件。测量仪主要由半导体激光器、圆环光带发生器、CCD摄像机等组成。圆环光带发生器将半导体激光器的入射光束变换成一标准圆环光带投射于被测内表面上,然后将带有被测内表面尺寸形貌信息的圆环光带成像于CCD摄像机。根据光散射和光反射的理论,合理的参数被选以优化测量系统。用一自动行走的小车驱动测量仪,将以0.1mm分辨率测量公称直径80—140毫米管内壁的尺寸、形貌和表面缺陷。因一次可完成管内壁一截面的检测,测量3m长的管件仅需10分钟。分析表面形貌常用付立叶变换的方法完成。但由于该方法只给出频率发生的数值,而不能确定频率发生的位置,故存在一定的不足。在本文中子波变换被引入作为分析和评价被测表面特征的工具,以实现多尺度观察和分离被测表面特征的目的。

　　2　测量原理

　　2.1　基本原理

　　图1给出测量原理图。半导体激光器1发射的光束经圆环光带发生器2后形成一标准圆环形光带,经发射接收光窗3入射于被测管内壁某一截面处7,入射光束在管内壁7处产生的散射、反射光束再经发射接收光窗3由接收透镜4聚焦于CCD摄像机5的光敏面上形成一圆环形的像,经图像处理可得知管内壁某截面处的尺寸形貌。小车6由电机驱动沿管轴方向运动,整个管内壁的尺寸形貌即可获得。

　　管内壁尺寸沿径向方向的变化与CCD摄像机上像点距光轴间距离的几何关系亦可由图1示出。由圆环光带发生器点A处发射的光束照射于管内壁点M处,点N为点M经接收透镜4在CCD摄像机上所成的像点。角α为光束AM与接收透镜光轴之间的夹角(即圆环光带发生器的发射半角)。点M到光轴间的距离为R,像点N到光轴间的距离为r,点A到接收透镜4的距离为m,接收透镜4到CCD摄像机光敏面之间的距离为f(即为该透镜的焦距),根据几何关系可得式: