隨著現(xiàn)代科學技術以及復雜自動控制系統(tǒng)和信息處理與技術的提高，光電檢測技術作為一門研究光與物質相互作用發(fā)展起來的新興學科，已成為現(xiàn)代信息科學的一個極為重要的組成部分。光電檢測技術具測量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動化程度高等突出特點，令其發(fā)展十分迅速，并推動著信息科學技術的發(fā)展。它將光學技術與現(xiàn)代電子技術相結合，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學、軍事和空間科學技術等領域。

無損檢測技術是隨著高科技發(fā)展應運而生的一門新技術,該技術不同于傳統(tǒng)的物理化學分析方法，它主要運用物理學方法如光學、電學和聲學等手段對產(chǎn)品進行分析，且不破壞樣品，在獲取了樣品信息時保證了樣品的完整性，無損檢測技術檢測速度較傳統(tǒng)的物理化學方法迅速，又能有效地判斷出從外觀無法得出的樣品內部品質信息。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，帶動了化學計量學的發(fā)展，極大地促進了無損檢測技術在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用。

光電檢測技術也是一種非接觸的檢測技術，它的實施過程也不會對樣品造成傷害，能夠很好的獲取樣品的信息，所以說它也是一種無損檢測技術。光電檢測技術在機器零部件的探傷方面得到了廣泛的應用，在機械零部件的無損檢測中常用的光電檢測技術有紅外成像技術、機器視覺技術和X射線無損檢測技術，在本文中將對這幾種技術以及他們在無損檢測中的應用作詳細的介紹。一、光電檢測技術與無損檢測

（一）光電檢測技術原理

光電檢測技術是光電信息技術的主要技術之一，它是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子其件作為基礎，通過對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接受光輻射并轉換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數(shù)轉換接口輸入計算機運算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)。

光電檢測技術主要包括光電變換技術、光信息獲取與光測量技術以及測量信息的光電處理技術等。主要有如下特點：

1.精度高。激光干涉法測量長度的精度可達0.05um/m；用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可以達到1m。

2.高速度。光電檢測技術以光為媒介，而光的傳播速度非?？?，無疑用光學方法獲取和傳遞信息是最快的。

3.距離遠、大量程。光是最便于遠距離傳輸?shù)慕橘|，尤其適用于遙控和遙測，如光電跟蹤等。

4.非接觸測量。光照到被測物體上可以認為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實現(xiàn)動態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的。

（二）光電檢測技術的發(fā)展趨勢

通過上面對光電檢測技術的原理和特點的分析，同時隨著各國在技術創(chuàng)新方面的日新月異，光電檢測技術的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：

向高精度方向發(fā)展：檢測精度向高精度方向發(fā)展，納米、亞納米高精度的光電檢測新技術是今后的發(fā)展熱點；

向智能化方向發(fā)展：檢測系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，如光電跟蹤與光電掃描測量技術；

向數(shù)字化方向發(fā)展：檢測結果向數(shù)字化，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化方向發(fā)展；

向多元化方向發(fā)展：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數(shù)、多維測量等多元化方向發(fā)展，并向人們無法觸及的領域發(fā)展，如微空間三維測量技術和大空間三維測量技術；

向微型化方向發(fā)展：光電檢測儀器所用電子元件及電路向集成化方向發(fā)展，光電檢測系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光機電檢測系統(tǒng)發(fā)展；

向自動化方向發(fā)展：檢測技術向自動化、非接觸、快速在線測量方向發(fā)展，檢測狀態(tài)向動態(tài)測量方向發(fā)展。

光電檢測技術的發(fā)展趨勢是與科技的整體發(fā)展趨勢相適應的，還有一些是自己所特有的，整體上來說，是想著高精度、高速度方向發(fā)展。

（三）無損檢測技術概述

無損檢測NDT（Non-destructive testing），就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質和數(shù)量的所有技術手段的總稱。NDT是指對材料或工件實施一種不損害信息，進而判定被檢對象所處技術狀態(tài)，如合格與否、剩余壽命等或不影響其未來使用性能或用途的檢測手段。

通過使用NDT，能發(fā)現(xiàn)材料或工件內部和表面所存在的缺陷，能測量工件的幾何特征和尺寸，能測量材料或工件的內部組成、結構、物理性能和狀態(tài)等。無損檢測方法可以分為常規(guī)無損檢測方法和非常規(guī)無損檢測方法。常規(guī)無損檢測方法有超聲檢測Uitrasonic Testing，射線檢測 Radiographic Testing，磁粉檢測 Magnetic particle Testing，滲透檢測 Penetrant Testing，渦流檢測 Eddy current Testing；非常規(guī)無損檢測技術有聲發(fā)射 Acoustic Emission，泄露檢測 Leak Testing，光全息照相 Optical Holography，紅外熱成像，微波檢測 Microwave Testing。

隨著這些年的飛速發(fā)展，無損檢測技術逐漸由定性檢測向定量檢測方向發(fā)展，在檢測過程中，不僅要探測出缺陷的有無及位置，還要測定出缺陷的類型、尺寸、形狀和取向。

通過上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)光電檢測技術和無損檢測技術的本質都是通過傳感器獲取物件的狀態(tài)信息。通過傳感器檢測到的電信號，經(jīng)過后續(xù)的處理，從而得到物件的狀態(tài)信息，確定物件的運行狀態(tài)。從這個層面上判斷，二者應該有很大的交集，事實也是這樣的，光電檢測技術在無損檢測領域得到了廣泛的應用，主要包括紅外成像技術、機器視覺技術和X射線等技術。

二、紅外成像無損檢測技術

（一）紅外成像原理

紅外線是介于可見光和微波之間的電磁波，它的波長范圍在0.77-1000um，頻率為。

在自然界中,任何高于絕對溫度的物體都是紅外輻射源，具有輻射現(xiàn)象。斯蒂芬-玻爾茲曼定律告訴我們，發(fā)射的紅外線強度為：

其中是灰體發(fā)射系數(shù)，為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T是物體的絕對溫度。

紅外無損檢測是測量通過物體的熱量和熱流的傳遞，當物體內部存在裂縫或其它缺陷時，它將改變物體的熱傳導，使物體表面溫度分布出現(xiàn)差異或不均勻變化，利用這些差異或不均勻的變化圖像，可直觀地查出物體的缺陷位置。當然具體的熱量輸入方式會有多種。圖2.2說明了熱量在在無缺陷和有缺陷物體中的分布情況。

通過圖2.2可以發(fā)現(xiàn)，當物體中存在缺陷時，熱量穿過物體的量和被物體反射的量都不再是均勻分布的，而從被測物某一點輻射的紅外人射垂直和水平的光學掃描鏡上，通過垂直及水平掃描鏡聚集到紅外線探測器上，把紅外線能量信號轉換成電信號，經(jīng)過放大器放大及信號處理器處理。經(jīng)過處理的信號反映出被測體表面溫度場的分布的紅外圖像信號，這個紅外圖像可以直接反映被測物體是否存在質量缺陷等問題。

紅外成像技術通常用于檢測金屬或非金屬材料質量、探測內部缺陷，尤其是對焊接缺陷的檢測，存在其他檢測方法無法比擬的優(yōu)點。

（二）焊接缺陷的檢測

機械設備中，有些金屬結構件由于焊接等原因質量不合格，從而影響了機械強度和使用壽命，甚至釀成事故。對焊口缺陷的檢測，是保證焊接質量的關鍵，但焊口表面起伏不平，采用射線、超聲波、渦流等方法都難于發(fā)現(xiàn)內部的缺陷；而紅外熱成像技術不受物體表面形狀的限制，能快速、準確地檢測出焊接區(qū)的各種缺陷。具體的原理已經(jīng)在前面進行了詳細的論述，只是這里的熱源采用的電流發(fā)熱。實際的焊接區(qū)剖視圖如圖2.3所示，（a）焊接區(qū)無缺陷，（b）焊接區(qū)有缺陷。若將一交流電壓加在焊接區(qū)的兩端，在焊口上會有交流電通過，由于電流的集膚效應，靠近表面的電流會比下層大。由于電流的作用，焊口將產(chǎn)生一定的熱量，熱量的大小正比于材料的電阻率和電流密度的平方。在沒有缺陷的焊接區(qū)內，電流分布是均勻的，各處產(chǎn)生的熱量大致相等，焊接區(qū)的表面溫度分布是均勻的。而存在缺陷的焊接區(qū)，由于缺陷的電阻很大，使這一區(qū)域損耗增加，溫度升高。通過紅外成像設備，可以很好的得到紅外圖像，從而準確地判斷熱點，進而斷定存在的焊接缺陷。

在檢測焊接缺陷時通常采用交流電加熱，這樣做的好處是可以通過改變電源的頻率來控制電流的透入深度。低頻電流透入較深，對發(fā)現(xiàn)內部缺陷有利；高頻電流集膚效應強，表面溫度特性比較明顯。

三、機器視覺技術與無損檢測

（一）機器視覺技術概述

機器視覺是就是用機器代替人眼來做測量和判斷，它在半導體生產(chǎn)、汽車制造、醫(yī)藥包裝等工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛應用。在機器視覺系統(tǒng)中，機器視覺產(chǎn)品將被攝取目標轉換成圖像信號，傳輸給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數(shù)字化信號，圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標特征，從而得到感興趣的目標信息。

人眼視覺系統(tǒng)的組成如圖3.1所示。機器視覺系統(tǒng)與人眼視覺系統(tǒng)的原理相類似，也由信號采集、信號傳輸、信號處理等部分組成，由于機器視覺系統(tǒng)通常在工業(yè)中得到應用，所以在工業(yè)機器視覺系統(tǒng)中，通常會包含一個執(zhí)行機構，可以得到常用的機器視覺系統(tǒng)組成如圖3.2所示。

機器視覺系統(tǒng)最重要的一個部分是圖像處理與決策模塊，從邏輯上可分為三階段：圖像的預處理、特征提取、模式識別和理解。圖像的預處理是將由成像設備獲得的低質量數(shù)字圖像(反差小、模糊、變形等)經(jīng)過噪聲過濾、 平滑處理、 圖像增強等處理變成易于進行特征提取等后續(xù)操作的過程。圖像特征提取就是從經(jīng)過底層處理的圖像中提取有利于圖像識別和理解的主要特征量，用有限的特征來描述原始圖像中的目標, 圖像的特征包括形狀特征、紋理特征、結構特征、顏色特征和分形特征等。特征提取主要方法有區(qū)域分割、邊緣檢測和紋理分析等。

（二）機器視覺技術在鋼板缺陷監(jiān)測中的應用

機器視覺技術應用于鋼板表面缺陷的在線無損檢測起源于80年代初。進入90 年代后，基于線陣CCD器件的機器視覺技術無疑已成為鋼板表面缺陷在線檢測的主流技術，其應用研究工作方興未艾。

圖3.3是一個實際的鋼板表面機器視覺檢測系統(tǒng)的結構框圖，也是目前應用比較廣泛的鋼板缺陷檢測系統(tǒng)，主要包括光源及圖像傳感器子系統(tǒng)、數(shù)字信號預處理子系統(tǒng)、缺陷自動分類子系統(tǒng)、圖形顯示子系統(tǒng)、質量分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計與數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、人機接口管理子系統(tǒng)等。具體的實現(xiàn)過程中有如下特點：

1.采用標準數(shù)字CCD攝像機及照明光源部件,并在具體技術指標的選擇上留有余量。目前，普遍采用像素為2 048～4 096的線陣CCD傳感單元，照明光源根據(jù)具體待檢鋼板的表面形態(tài)，可采用高強度熒光燈、陣列鎢燈或光纖光源等。

2.通過采用標準化總線結構和模塊化設計技術，使系統(tǒng)硬件結構通用、功能靈活、運行穩(wěn)定可靠、改進和升級十分方便。

3.低層視覺計算任務如平滑、增強、分割和描述等交由專用處理部件完成，目前的研究趨勢是采用高速 DSP器件作為處理部件，來完成圖像的簡單處理。

4.人們嘗試了各種基于符號系統(tǒng)模仿人類智能的傳統(tǒng)人工智能方法(如機器學習)和從生物系統(tǒng)底層模擬智能的方法，以解決復雜的鋼板表面缺陷的自動分類和識別問題。但現(xiàn)有的缺陷自動分類器僅僅對某些具體的應用背景及特定類型的缺陷顯示出其有效性。

1、圖像傳感器  2、操作員監(jiān)視器  3、數(shù)字信號預處理  4、缺陷自動分類器   5、圖形顯示子系統(tǒng)   6、系統(tǒng)主控模塊    7、數(shù)據(jù)分析模塊    8、圖像管理子系統(tǒng)   9、人機接口部件   10、網(wǎng)絡接口部件  11、存儲數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)   12、質量控制計算機

總體上說，鋼板表面缺陷機器視覺檢測系統(tǒng)是一個典型的機器視覺系統(tǒng)，它收集鋼板表面的圖像信息，通過對這些圖像信息進行處理，提取出這些圖像中包含的具體信息，通過這些具體信息來判斷鋼板表面的缺陷狀況，這是光電檢測技術在無損檢測中又一應用。

四、X射線無損檢測

（一）X射線檢測原理

X射線是一種類似于光、熱和無線電波的電磁輻射波，它的特點是波長短(工業(yè)X射線探傷中常用的波長范圍約在0.1-0.001 nm之間)。由于輻射物質的波長越短，它穿透物質的能力也愈大，所以X射線具有極大的穿透物質的能力，正是利用這一特性進行X射線檢測。

圖4.1是一種常見的X射線檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)構造圖，X射線照射到物件上，由于它有極強的穿透能力，所以在下方的探測器可以檢測到穿過物件的X射線，通常會形成一幅圖像，其圖像灰度值與材料、厚度和內部結構密切相關。正是由于通過圖像分析可以得到缺陷的具體形式，從而X射線在物價的內部探傷中得到了廣泛的應用。

（二）X射線檢測在鑄件缺陷檢測中的應用

由于鑄造方法具有成本低廉、一次成形以及可以制造復雜結構大型件等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的眾多領域，特別是汽車制造業(yè)。在航空航天制造業(yè)中，很多部件也是鑄件。為保證產(chǎn)品質量及節(jié)省成本，在生產(chǎn)流程的早期階段及時檢測出缺陷是很必要的。無損檢測由于可避免材料浪費和提高生產(chǎn)效率，成為鑄件缺陷檢測的首選方法。到目前為止，研究最多且比較有效的方法包括超聲波探傷法、X射線透照法和射線層析攝影法。

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和質量檢測標準的提高，對射線檢測設備及相關技術的要求也越來越高。對于 X 射線檢測，新的研究重點在于不斷提高X 射線圖像的獲取技術，以及發(fā)展現(xiàn)代計算機軟硬件技術，以使檢測過程在高速和真正完全自動化的模式下進行。

一種常用的X射線檢測技術在鑄件缺陷檢測中的應用是X射線圖像自動缺陷檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由四個部分組成：試件支撐系統(tǒng)；X射線產(chǎn)生裝置；將X射線 能量轉換為電信號的傳感器和圖像處理器。由于X射線得到的圖像的特殊性，相應的獲取圖像的傳感器也有所不同，主要有兩種：一種是基于非定晶硅或硒傳感器陣列的平柵格；另一種則是基于線性二極管的陣列。

通過圖4.2中的圖片，經(jīng)過后續(xù)的圖像處理，就可以得到鑄件中缺陷類型、位置和大小。

X射線檢測系統(tǒng)也是一種機器視覺系統(tǒng)，只是成像的方式發(fā)生了改變，不再是通過簡單的光學成像來獲取缺陷的圖像，而是選擇新的成像方式，讓一些隱藏在物件內部的缺陷也暴露出來。