CN1261760C - 电器开关触头结合质量的超声成像无损检测方法及检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电器开关触头结合质量的超声成像无损检测方法及其检测系统，基于超声无损检测原理和图像处理方法，采用水浸聚焦探头对开关触头结合面进行逐点扫描，对每一点的超声反射回波检波信号采样，组成结合面的超声扫描图像，选取合适阈值，运用图像处理的方法分离超声图像中的结合区域与未结合区域，并且计算界面结合率。检测检测系统由超声信号发生器、探头、三维精密扫描平台、图像采集卡、步进电机驱动卡、步进电机驱动电源、工业控制计算机以及系统软件组成。本发明自动化程度高，具有检测准确、高效、可靠等特点，实现了开关触头结合质量的无损检测。
Description
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，具体涉及到一种电器开关触头结合质量的超声成像无损检测方法及其检测系统。
背景技术
电触头是电器开关中的关键组成部件，电触头包括触点和支承体两部分，触点与支承体结合质量的好坏直接影响到电器开关能否可靠稳定的工作。触头结合质量检测的传统方法主要采用的是破坏性试验方法。破坏性试验方法是用工具沿着结合面将触点剔除，使结合界面暴露，通过估计用力的大小和结合面的结合率来判断结合质量的好坏。这种方法显然存在很多弊端，不能够准确检测结合质量。此外，一些非破坏性试验方法如X射线方法和红外成像方法也被用于触头结合质量的检测，但是由于这些方法所需的设备昂贵，对缺陷的分辨力较低，一般难以被广泛采用。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺陷或不足，本发明的一个目的在于，提供一种触头结合质量的超声成像无损检测方法，该方法和系统能够快速、简便、准确的检测触头结合质量。本发明利用超声无损检测原理和图像处理技术，采用水浸聚焦探头对开关触头结合面进行逐点扫描，对每一点的超声反射回波检波信号采样，组成结合面的超声扫描图像，选取合适阈值，运用图像处理的方法分离超声图像中的结合区域与未结合区域，并且计算界面结合率。
本发明的另一个目的是提供实现上述方法的检测系统。
为实现上述目的，本发明的采用如下技术方案。
一种触头结合质量的超声成像无损检测方法，包括以下步骤：
(1)将被测工件装配于检测系统水槽中的夹具上，使工件的触头被测结合界面与超声入射声束垂直；
(2)调整检测系统参数，检测参数主要包括材料声速、触头厚度、探头扫描范围；
所述的材料声速采用标称纵波声速，对于银合金材料的触头，材料声速选取银的标称纵波声速3600m/s；
(3)将探头置于触头上方，根据检测参数，三维精密扫描平台带动探头对被测结合面自动聚焦；
(4)根据反射回波检波信号确定采样闸门位置；
(5)对被测结合面进行自动扫描，并且实时成像；
(6)分析结合面超声图像，选取阈值，分割结合区域与未结合区域，并且计算界面结合率；
所述方法中超声图像的分割与结合率的计算中选取的阈值由以下方法得到：对同一类型的不同工件进行检测并且记录超声图像，将检测后的工件经过锯刨磨加工，除去接头支承体(铜)，直到铜层厚度大约0.3mm左右，然后用三氯化铁溶液浸泡进行腐蚀，等铜层完全除去后，将试样取出，接头只剩下结合面和上层银触点，结合面清晰可见，用数码相机对结合面拍照，采用图像处理的方法计算结合面的实际结合率，根据此结果选取适当阈值计算工件超声图像的结合率，使得计算结合率与实际结合率一致，确定该工件的阈值。对同类型不同工件进行同样的操作，对多个工件阈值取平均值，就得到了该类型工件的阈值。
(7)自动生成并且打印检测报告。
所述方法具有广泛适用性，不仅适用于高压开关触头结合质量的检测，也适用于低压开关触头结合质量的检测，同时该方法适用于触头钎焊界面、点焊界面和烧结界面的检测。
所述方法可以对触头计算整体结合率，也可以计算触头局部的结合率。
所述方法可以计算矩形触头的结合率，也可以计算其他形状(如圆形、椭圆形、梯形和非规则形状)触头的结合率。
实现上述方法的一种开关触头结合质量的超声成像无损检测系统，其特点是：包括超声信号发生器、探头、三维精密扫描平台、图像采集卡、步进电机驱动卡、步进电机驱动电源、带有系统软件的工业控制计算机以及打印机，通过电联接构成；
其中图像采集卡、步进电机驱动卡、打印机分别与工业控制计算机连接；步进电机驱动卡上连接有步进电机驱动电源，并通过步进电机驱动电源并与三维精密扫描平台连接；图像采集卡通过超声信号发生器和三维精密扫描平台实现连接；探头分别与图像采集卡和三维精密扫描平台连接；图像采集卡在系统软件作用下进行模数转换、数据交换存储与超声成像，并由系统软件对超声图像进行显示处理，同时对结合质量进行评价，评价结果由打印机以检测报告的型式输出。
上述图像采集卡电路由模数转换通道、时钟发生器、窗口控制器、A、B、C扫描方式选择电路、测声速电路、DMA通道、图像数据存储及总线管理电路组成；图像采集卡的输入信号包括回波RF信号和检波信号、超声信号发生器同步触发信号以及闸门信号。
所述的时钟发生器由起振电路和分频器组成，起振电路是一个高精度的带温度补偿的卧式晶体振荡器，它产生80MHz的时钟信号，经分频器作用产生40MHz和20MHz的时钟信号；
所述的测声速电路通过计算闸门信号的位置来确定声波的实际声速，同时确定缺陷采样起始点。
所述的DMA通道使图像采集卡独立于计算机，自动完成图像数据的采集和存储。
图像采集卡在系统软件作用下进行模数转换、数据交换存储与超声成像。并由系统软件对超声图像进行显示处理，同时对结合质量进行评价，评价结果由打印机以检测报告的型式输出。
本发明由于采用了超声无损检测原理和图像处理方法，能够准确、可靠实现开关触头结合质量的无损检测。
附图说明
附图1为电器开关触头超声无损检测检测系统的系统原理图。
附图2为自动扫描检测系统原理图。
附图3为图像采集卡电路原理框图。
附图4为系统软件原理框图。
附图5为硬币表面超声扫描图像。
附图6为高压开关触点检测图像和实物图像对照图，其中(a)为检测图像，(b)为实物图像。
附图7为低压开关触点检测图像和实物图像对照图，其中(a)、(c)、(e)分别为矩形、梯形和不规则形状触头的检测图像，(b)(d)(f)分别为矩形、梯形和不规则形状触头结合界面的实物图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图1为电器开关出点结合质量超声无损检测检测系统的系统原理图。工业控制计算机7(以下称工业PC机)和图像采集卡4、步进电机驱动卡5以及打印机8连接。步进电机驱动卡与驱动电源6连接。工业PC机7通过系统软件9向步进电机驱动卡发出指令，步进电机驱动卡通过驱动电源作用使三维精密扫描平台3带动探头2运动，完成自动聚焦或者自动扫描。探头2受到超声发射接收器1的激发作用，发射出一定频率与强度的超声波，在触头结合界面发生反射，反射波被探头接收，由超声发射接收器将反射波传送到图像采集卡，由图像采集卡在系统软件作用下进行模数转换、数据交换存储与超声成像。并由系统软件对超声图像进行显示处理，同时对结合质量进行评价，评价结果由打印机以检测报告的型式输出。
附图2是自动扫描检测系统原理图。X、Y、Z轴采用丝杠传动，由步进电机或者伺服电机提供转动力。其丝杠可以选用直线丝杠或者是滚珠丝杠，其运动速度10mm/s～200mm/s。X轴10与Y轴11带动探头水平运动，完成扫描功能，Z轴12带动探头垂直运动，完成自动聚焦功能。水槽13中的水起到耦合剂的作用。夹具14的作用是保证工件被测结合界面与超声入射声束垂直。
附图3是图像采集卡电路原理框图。图像采集卡电路由模数转换通道15、时钟发生器16、窗口控制器17、A、B、C扫描方式选择电路18、测声速电路19、DMA通道20、图像数据存储21及总线管理电路22组成。图像采集卡的输入信号包括回波RF信号和检波信号、超声信号发生器同步触发信号以及闸门信号。模数转换通道由信号调整电路23和高速AD转换器24组成。信号调整电路由低噪声、高精度、高速度的宽带运算放大器构成，其作用是将输入信号调整到AD转换器所需范围之内，高速AD转换器采用AD9058，，转换精度为8位，最高采样速度为50MSPS，RF信号与检波信号由模数转换通道进行模数转换和采样。时钟发生器由起振电路和分频器组成，起振电路是一个高精度的带温度补偿的卧式晶体振荡器，它产生80MHz的时钟信号，经分频器作用产生40MHz和20MHz的时钟信号。时钟发生器为整个接口电路提供了一个时钟基准，使整个电路协调工作。测声速电路由两片D触发器和一片8254可编程计数器组成，测声速电路通过计算闸门信号的位置来确定声波的实际声速，同时确定缺陷采样起始点。ABC扫描选择电路由一片8254可编程计数器构成，其作用是使电路完成A、B、C扫描功能，在A扫描时，模数通道采集RF信号，在B、C扫描时采集检波信号。窗口控制器由一片8254可编程计数器，一片GAL16V8A芯片和一片D触发器组成，其作用是确定超声检测的扫描范围。DMA通道由DMA控制器、地址发生器和内部总线组成。DMA控制器的作用是产生DMA所需的各种控制信号。地址发生器由4片4位二进制计数器(74F161)组成，产生16位地址。内部总线包括16位地址总线，8位数据总线和控制总线。DMA通道使图像采集卡独立于计算机，自动完成图像数据的采集和存储。数据存储器采用2片CY7C198静态RAM，它是一个12ns的32K×8的芯片，图像数据存储总容量为64K。总线管理电路由两片GAL16V8A芯片和两片GAL20V8A芯片组成。
附图4是系统软件原理框图。系统软件在Windows 98平台下，由Visual C++开发而成，由数据库管理模块25、参数输入模块26、接口电路初始化模块27、自动聚焦模块28、A、B、C扫描模块29、声速测定模块30、信号和图像处理模块31、缺陷分析和判定模块32等组成。数据库管理模块包括图像数据库33和检测参数数据库34两部分。图像参数的输入可以直接输入，也可以调用检测参数数据库中的数据。参数输入后，接口电路根据参数进行初始化，这时整个系统可以进行声速测定或者是自动聚焦。自动聚焦后，选择A、B、C扫描方式对工件进行扫描，扫描结束后利用信号与图像处理模块对扫描结果进行处理，进一步可以利用缺陷分析和判定模块对扫描结果进行评价。
采用本发明的方法，被测工件可以是高压开关触头，也可以是低压开关触头；被测工件可以是钎焊触头结合，也可以是烧结触头界面结合或点焊触头结合，所述界面结合率可以是触头整体面积的结合率，也可以是触头局部面积的结合率，触头形状可以是矩形也可以是其他形状。
材料声速采用标称纵波声速，对于银合金材料的触头，材料声速选取银的标称纵波声速3600m/s。
扫描采样间距可以根据分辨率要求进行调节，图像像素级可以选择256级或者16级，图像显示可以采用伪彩色图像或者灰度图像两种方式。
实施例1：
参照附图5，附图5为一元硬币表面扫描图像，由图5可以看出，运用本发明的方法与检测系统能够正确对硬币表面成像，而且分辨率较高，因此证明了本发明的可行性和有效性。
实施例2：
参照附图6，附图6为高压开关触头环形钎焊界面的检测图像与实物照片。由附图5可以看出，检测图像与实物照片有较好的一致性，检测图像准确的反映了触头与支承体之间界面的结合情况。采用本发明所述的方法计算得到该类型工件的分割阈值为120，附图6中的触头的分割阈值：120，结合率为72％。
实施例3：
参照附图7，附图7为低压开关触头检测图像与实物照片。(a)、(c)、(e)分别为矩形、梯形和不规则形状触头的检测图像，(b)(d)(f)分别为矩形、梯形和不规则形状触头结合界面的实物图像。(a)为分割阈值：130，结合率：71％；(c)为分割阈值：140，结合率：84％；(e)为分割阈值：120，结合率：92％。附图5可以看出，检测图像与实物照片有较好的一致性。通过计算得到表1所示的结果。由此可以看出，该发明不仅适用于高压开关触头的检测，也适用于低压开关触头的检测。
表1不同形状触头的检测结果
| 工件形状 | 分割阈值 | 结合率％ |
| 矩形梯形不规则形状 | 130140120 | 718492 |
Claims (7)
1.一种开关触头结合质量的超声成像无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将被测工件装配于检测系统水槽中的夹具上，使工件的触头被测结合界面与超声入射声束垂直；
(2)调整检测系统参数，检测参数主要包括材料声速、触头厚度、探头扫描范围；
所述的材料声速采用标称纵波声速，对于银合金材料的触头，材料声速选取银的标称纵波声速3600m/s；
(3)将探头置于触头上方，根据检测参数，三维精密扫描平台带动探头对被测结合面自动聚焦；
(4)根据反射回波检波信号确定采样闸门位置；
(5)对被测结合面进行自动扫描，并且实时成像；
(6)分析结合面超声图像，选取阈值，分割结合区域与未结合区域，并且计算界面结合率；
所述的超声图像的分割与结合率的计算中选取的阈值由以下方法得到：
对同一类型的不同工件进行检测并且记录超声图像，首先将检测后的工件经过锯刨磨加工，除去触头的铜支承体，直到铜层厚度为0.3mm左右，然后用三氯化铁溶液浸泡进行腐蚀，等铜层完全除去后，将试样取出，接头只剩下结合面和上层银触点，结合面清晰可见，用数码相机对结合面拍照，采用图像处理的方法计算结合面的实际结合率，根据此结果选取适当阈值计算工件超声图像的结合率，使得计算结合率与实际结合率一致，确定该工件的阈值；对同类型不同工件进行同样的操作，对多个工件阈值取平均值，就得到了该类型工件的阈值；
(7)自动生成并且打印检测报告。
2.按照权利要求1所述的开关触头结合质量的超声成像无损检测方法，其特征在于，所述被测工件是高压开关触头，或者是低压开关触头；被测工件是钎焊触头结合，或者是烧结触头界面结合或点焊触头结合，所述界面结合率是触头整体面积的结合率，或者是触头局部面积的结合率，触头形状是矩形。
3.按照权利要求1所述的开关触头结合质量的超声成像无损检测方法，其特征在于，扫描采样间距根据分辨率要求进行调节，图像像素级选择256级或者16级，图像显示采用伪彩色图像或者灰度图像两种方式。
4.一种开关触头结合质量的超声成像无损检测方法的检测系统，其特征在于：包括超声信号发生器(1)、探头(2)、三维精密扫描平台(3)、图像采集卡(4)、步进电机驱动卡(5)、步进电机驱动电源(6)、带有系统软件(9)的工业控制计算机(7)以及打印机(8)，通过电联接构成；
其中图像采集卡(4)、步进电机驱动卡(5)、打印机(8)分别与工业控制计算机(7)连接；步进电机驱动卡(5)上连接有步进电机驱动电源(6)，并通过步进电机驱动电源(6)与三维精密扫描平台(3)连接；图像采集卡(4)通过超声信号发生器(1)和三维精密扫描平台(3)实现连接；探头(2)分别与图像采集卡(4)和三维精密扫描平台(3)连接；图像采集卡(4)在系统软件(9)作用下进行模数转换、数据交换存储与超声成像，并由系统软件对超声图像进行显示处理，同时对结合质量进行评价，评价结果由打印机以检测报告的形式输出；
所述的图像采集卡电路由模数转换通道(15)、时钟发生器(16)、窗口控制器(17)、A、B、C扫描方式选择电路(18)、测声速电路(19)、DMA通道(20)、图像数据存储(21)及总线管理电路(22)组成；图像采集卡的输入信号包括回波RF信号和检波信号、超声信号发生器同步触发信号以及闸门信号；
所述的时钟发生器(16)由起振电路和分频器组成，起振电路是一个高精度的带温度补偿的卧式晶体振荡器，它产生80MHz的时钟信号，经分频器作用产生40MHz和20MHz的时钟信号；
所述的测声速电路(19)通过计算闸门信号的位置来确定声波的实际声速，同时确定缺陷采样起始点；
所述的DMA通道(20)使图像采集卡独立于计算机，自动完成图像数据的采集和存储。
5.如权利要求4所述的开关触头结合质量的超声成像无损检测方法的检测系统，其特征在于，所述三维精密扫描平台(3)由X轴(10)、Y轴(11)、Z轴(12)三维运动模块组成，每一维运动模块由丝杠和电机组成，X轴(10)和Y轴(11)使探头实现水平运动，Z轴(12)使探头实现垂直运动。
6.如权利要求4所述的开关触头结合质量的超声成像无损检测方法的检测系统，其特征在于，所述三维精密扫描平台(3)的丝杠选用直线丝杠或者是滚珠丝杠，电机选用步进电机或者是伺服电机，其运动速度10mm/s～200mm/s。
7.如权利要求4所述的开关触头结合质量的超声成像无损检测方法的检测系统，其特征在于，所述系统软件(9)由数据库管理模块(25)、接口电路初始化模块(26)、参数输入模块(27)、自动聚焦模块(28)、A、B、C扫描模块(29)、声速测定模块(30)、信号和图像处理模块(31)、缺陷分析和判定模块(32)组成。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060628 Termination date: 20121107 |