管道內(nèi)壁疵病檢測(cè)裝置

管道內(nèi)壁疵病檢測(cè)裝置

管道內(nèi)壁疵病檢測(cè)裝置

TheDeviceforDetectingFlawonthe

InnerWallofPiper

姓名：

班級(jí)：

指導(dǎo)教師：

楊剛0722338王金波I

目錄

第一章緒

論...............................................................................

.......................................1

1.1引

...................................................1

1.2檢測(cè)技術(shù)要

求...............................................................................

....................................2

第二章檢測(cè)儀的原理及方案選

擇...............................................................................

.......3

2.1檢測(cè)儀的方案選

擇...............................................................................

...........................3

2.2檢測(cè)儀的工作原

理...............................................................................

...........................6

第三章?tīng)恳?chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案設(shè)

計(jì)...............................................................................

8

3.1牽引車(chē)的總體結(jié)

構(gòu)...............................................................................

.........................................................8

3.2電機(jī)的選

擇...............................................................................

.................................................................................9

3.3蝸輪，蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)

計(jì)...............................................................................

.............10

3.4齒輪傳動(dòng)部分方案的選

擇...............................................................................

..........................14

3.5滾輪壓簧設(shè)

計(jì)...............................................................................

....................................................................19

第四章光電探頭的設(shè)

計(jì)...............................................................................

.................................................25

4.1光電部分的總體設(shè)

計(jì)...............................................................................

..........................................25

4.2光電探頭結(jié)構(gòu)方案選

擇...............................................................................

..............................25

4.3光電探頭的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)

計(jì)...............................................................................

.........................26

4.4CCD的基本原理及特

性...............................................................................

..............................27

4.5光電接受器件CCD的選

擇...............................................................................

.................29

4.6掃描電機(jī)的選

擇...............................................................................

.............................30

第五章微機(jī)控制與圖象處理系

統(tǒng)...............................................................................

....31

5.1微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)

計(jì)...............................................................................

..........................31

5.2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)

計(jì)...............................................................................

......................32

結(jié)

論...............................................................................

....................................................35

結(jié)束

語(yǔ)...............................................................................

....................................................36

致

謝...............................................................................

....................................................37

參考文

獻(xiàn)...............................................................................

....................................................3811

摘要

本文介紹了一種用于提取管道內(nèi)表面疵病信息的方法和裝置，該裝置利用光學(xué)系統(tǒng)和

CCD器件提取管道內(nèi)表面疵病信息，由計(jì)算機(jī)完成表面疵病信息的圖象處理識(shí)別分類(lèi)。論

述了該裝置的設(shè)計(jì)思想與實(shí)施要點(diǎn)。該裝置主要用于各種細(xì)長(zhǎng)鋼管內(nèi)壁質(zhì)量的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢

測(cè)，能實(shí)現(xiàn)輸入信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換、圖象處理、識(shí)別分類(lèi)和輸出顯示等功能。

論文對(duì)該裝置的各個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)的論述，其中主要對(duì)機(jī)械部分以及光學(xué)探頭兩個(gè)方

面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在機(jī)械部分中，主要對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)符、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、彈簧的強(qiáng)

度校核這三個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在光學(xué)探頭部分中主要對(duì)電機(jī)的選用，CCD器件和光路這

三個(gè)方面進(jìn)行了介紹。在電機(jī)的選用中，對(duì)電機(jī)的各方面參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)，也給出

了電機(jī)的一些基本參數(shù)。在CCD器件的選用中，對(duì)CCD器件的原理和部分特性進(jìn)行了介

紹。在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，給出了具體的光路圖和光學(xué)元件。

關(guān)鍵詞：內(nèi)表面疵病光學(xué)探頭CCD圖象處理ABSTRACT

Amethodanddeviceforextractingtheinformationofflawsfromtheinner

wallsofpipesarepresentedinthispaper,thedevicegetsfaultworkof

conductinnerfacebyopticalsystemandCCDparts,classifyingthe

informationoffaultworkwiththeimagingprocessingofcomputer,and

describes.ThedeviceisPrimarilyusedforreal-timeautomaticinspecting

qualitytotheinnerwallsofthelongandthinsteelpipes.Itcanperforma

numberoffundamentalfunctionwhichincludedigitalchangesofinput

information,imageprocessing,recognitionclassificationandoutputdisplay.

Thispaperstateseachsectionofthedeviceindetail,emphasizingonthe

mechanicalpartandopticalprobe.Inmechanicalpart,itintroducesthe

essentialtheoryandfeatureofthreesides:wormandwormwheelsystem,gear

drivesystemandstrengthrecheckingofspring.Alsodoesitservethe

accuratecalculatingontheaccessoryofthesethreesides.Inopticalprobe

part,itprovestheselectionofelectricmachinery,CCDpartsandoptical

path.Calculatingandservingtheparameterofelectricmachineryisthemain

bodyinthepartofselectionofelectricmachinery.Narratingthetheoryand

partialfeatureoftheCCDpartsisthecoreinthepartofCCDparts.Showing

theconcretegraphandthetendencyofopticalpathisthenuclearinthelast

part.

Keywords：DetectingflawontheinnerwallOpticalprobeCCDImage

processing第一章緒論

1.1引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)石油與化學(xué)工業(yè)管道施工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼管內(nèi)防腐表面處理質(zhì)量的

檢測(cè)及其可靠性提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的用人眼主觀(guān)檢測(cè)鋼管內(nèi)表面質(zhì)量的方法已

經(jīng)無(wú)法保證管道內(nèi)防腐表面處理質(zhì)量，而且檢測(cè)效率低，可靠性差，檢測(cè)時(shí)需鋸斷大量的

優(yōu)質(zhì)鋼管，故檢測(cè)費(fèi)用較高。管道內(nèi)表面質(zhì)量的檢測(cè)成為困擾石化工業(yè)管道施工技術(shù)發(fā)展

的一大難題。然而利用本文所述的管道內(nèi)表面質(zhì)量光電檢測(cè)儀卻可以很好的解決這一問(wèn)

題。使用本文所述儀器在保證被檢鋼管完整的前提下，由專(zhuān)門(mén)的光電裝置自行進(jìn)入被檢鋼

管內(nèi)部，多處提取被檢鋼管內(nèi)表面的光信息，最后以電信號(hào)形式將所提取的信息送入計(jì)算

機(jī)處理系統(tǒng)，由該系統(tǒng)給出檢測(cè)結(jié)果。應(yīng)用這種儀器可以檢測(cè)內(nèi)徑5n至100mm,長(zhǎng)度18m

的各種鋼管內(nèi)表面除銹后的質(zhì)量;這種檢測(cè)具有無(wú)損、省時(shí)，省力、檢測(cè)結(jié)果可靠等特

點(diǎn)。

本文主要介紹這種光電檢測(cè)儀的工作原理與組成以及光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該檢測(cè)儀由光電

測(cè)頭和牽引車(chē)等兩部分構(gòu)成。儀器工作時(shí)首先由牽引車(chē)帶動(dòng)光電測(cè)頭在被檢鋼管內(nèi)移動(dòng)；

每前進(jìn)0.5m（或1m）后，牽引車(chē)制動(dòng)。光電測(cè)頭此時(shí)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，低速旋轉(zhuǎn)90°,在

鋼管內(nèi)表面90°范圍內(nèi)掃描。光電測(cè)頭內(nèi)的白熾燈照射到鋼管內(nèi)表面匕帶有內(nèi)表面質(zhì)量

信息的反射光，經(jīng)棱鏡反射入物鏡并成像在CCD匕然后由CCD把反映鋼管內(nèi)表面錨紋度

和殘余銹斑狀況的光信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔?，通過(guò)電纜傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)微機(jī)處理，由適

當(dāng)?shù)能浖?duì)鋼管內(nèi)表面錨紋度圖像信息進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別（錨紋度的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)已存儲(chǔ)在微機(jī)

IA））,最后由打印機(jī)把鋼管內(nèi)表面的錨紋度和殘余銹斑的數(shù)字化圖像可由微機(jī)屏幕實(shí)時(shí)顯

O

本文所述的光電檢測(cè)儀樣機(jī)已在大慶油田應(yīng)用。這種光電檢測(cè)儀對(duì)于保證與提高管道內(nèi)

防腐表面處理質(zhì)量，延長(zhǎng)鋼管使用壽命，提高管道1

防腐技術(shù)水平與降低管道施工成本有重要意義。在石油和化學(xué)工業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前

景。如果對(duì)其軟件系統(tǒng)作適當(dāng)開(kāi)發(fā)，在鋼鐵工業(yè)和塑料工業(yè)中對(duì)鋼管和塑料管內(nèi)表面質(zhì)量

進(jìn)行檢測(cè)也將是可行的。

1.2檢測(cè)技術(shù)要求

L檢測(cè)管道規(guī)格：直徑60,長(zhǎng)度10m；

2.牽引車(chē)速大于2m/分。儀器每隔1米取樣一次。

3.檢測(cè)儀能將被測(cè)鋼管內(nèi)壁粗糙度區(qū)分出A,AB,B,BC,C五個(gè)等級(jí)。

4.計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時(shí)顯示鋼管內(nèi)壁數(shù)字化圖象，打印記錄內(nèi)壁粗糙度級(jí)別和位置。

2

第二章檢測(cè)儀的原理及方案選擇

2.1檢測(cè)儀的方案選擇

2.1.1管道內(nèi)表面質(zhì)量檢測(cè)的內(nèi)容

（1）.管道中的損傷

-一般將損傷分為直接損傷和間接損傷。直接損傷與管壁本身有關(guān)，這類(lèi)損傷對(duì)管道系統(tǒng)

有直接的影響，比如腐蝕、裂紋或鑿縫等;間接損傷是指材料或系統(tǒng)可能有破壞或故障，

而且這類(lèi)損傷會(huì)隨著時(shí)間的推移而引起直接損傷，比如陰極保護(hù)失效、內(nèi)外防腐層破壞。

管道的損傷又可分為兒何變形、金屬損耗、裂紋或類(lèi)似裂紋的損傷。

（2）.管道裂紋

許多研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)管道裂紋的形成、發(fā)展及避免的方法。核能和航天工業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用

斷裂力學(xué)進(jìn)行研究。例如，作用于液體管道的循環(huán)載荷就可能導(dǎo)致斷裂或疲勞腐蝕;當(dāng)金

屬所受應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)其本身能承受的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力腐蝕裂紋就會(huì)產(chǎn)生，影響應(yīng)力腐蝕裂紋

（SCC）敏感度的參數(shù)包括管壁的應(yīng)力狀態(tài)、管材特性、管道的周邊環(huán)境（包括覆蓋層、土壤

特性等）。為了保證輸送管道、尤其是高壓輸氣管道的安全，研究裂紋生長(zhǎng)規(guī)律是至關(guān)重

要的。在管道所受應(yīng)力中，環(huán)向應(yīng)力是最關(guān)鍵的，由于環(huán)向應(yīng)力的作用，任何裂紋繼而都

會(huì)向縱向，即軸向發(fā)展。當(dāng)然也有例外，如在管道環(huán)縫焊接處可能會(huì)發(fā)生環(huán)向應(yīng)力腐蝕裂

紋。

運(yùn)行管道產(chǎn)生的裂紋可分為病勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋(接近中性或高pH值的應(yīng)力腐蝕裂

紋)、氫脆裂紋、硫化氫應(yīng)力腐蝕裂紋、焊接熱效應(yīng)區(qū)裂紋。這些裂紋不僅可出現(xiàn)在縱向

焊縫、熱效應(yīng)區(qū)(HAZ)上，還會(huì)出現(xiàn)在管材上。

氫脆裂紋通常出現(xiàn)在酸性環(huán)境中。氫原子通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)人材質(zhì)后，在材質(zhì)的空穴中重新組

合形成分子并引起內(nèi)部壓力的增加。由于材質(zhì)的脆性和空穴或裂紋各端受到了三向應(yīng)力，

裂紋發(fā)生延伸。由于這種裂紋平3

行于管道，因此可被具有最小側(cè)量范圍的超聲波腐蝕檢測(cè)儀檢測(cè)出。但由于超聲波束方

向平行于徑向裂紋，因此不能檢測(cè)到徑向氫脆裂紋，只能通過(guò)推導(dǎo)得出。

裂紋可由其他損傷引起，如凹痕、劃痕等。雖然裂紋的研究非常復(fù)雜，但無(wú)論是宏觀(guān)地

研究(如斷裂力學(xué))，還是微觀(guān)的研究(如冶金學(xué)、位移理論)，都是非常有意義的。

材料缺陷除裂紋之外還有分層，這種缺陷通常出現(xiàn)在無(wú)縫鋼管中。通過(guò)透視檢驗(yàn)可以看

出這種位于管壁中的缺陷類(lèi)似于裂紋。管壁分層是在管道預(yù)制過(guò)程產(chǎn)生的，它是裂紋的一

種。由于分層通常與管道表面平行，如與環(huán)應(yīng)力平行，因此一般觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為管道分層沒(méi)有多

大影響，也就是說(shuō)它不會(huì)造成管道的破壞。但是如果這種分層與管道表面不平行，或者分

層伸入環(huán)向焊縫，那么情況就不一樣了。對(duì)于前者，分層會(huì)穿透到管壁面形成裂紋;后

者，分層能與其他管壁損傷相互作用而破壞管道。概括起來(lái)，管道裂紋的幾何形狀主要

有：

(a).管壁內(nèi)外表面上向縱向發(fā)展的徑向裂紋(常出現(xiàn)在縱向焊接的熱效應(yīng)區(qū)(HAZ)上，

其中也包括應(yīng)力腐蝕裂紋(see))。

(b).管壁內(nèi)外表面土向切向發(fā)展的徑向裂紋(常出現(xiàn)在管道承受彎曲載荷的環(huán)向焊縫

處)。

(c).圓周方向上的不同幾何尺寸的內(nèi)裂紋。(在輸送酸性氣體管道中由于氫的滲透而

逐步發(fā)展的裂紋)。

2.1.2.管道內(nèi)表面質(zhì)量的檢測(cè)方法

隨著無(wú)損探傷技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)上各類(lèi)型檢測(cè)儀的增加，要準(zhǔn)確地選擇滿(mǎn)足特定檢測(cè)需

求的檢測(cè)儀變得越來(lái)越困難，尤其是不同類(lèi)型檢測(cè)儀的部分檢測(cè)功能的重疊更增加了選型

的難度。比如，金屬損耗檢測(cè)儀可以檢測(cè)一定類(lèi)型的裂紋，而裂紋檢測(cè)儀也可依據(jù)一定的

檢測(cè)條件分辨鉗壓痕和其他的幾何變形。

裂紋檢測(cè)的問(wèn)題在于沒(méi)有一種設(shè)備可以準(zhǔn)確檢測(cè)出各種類(lèi)型的裂紋及其幾何尺寸。例

如，目前市場(chǎng)上可以購(gòu)到的超聲波無(wú)損探傷儀只能檢測(cè)管壁和焊縫的包括應(yīng)力腐蝕的縱向

裂紋。如需檢測(cè)管道環(huán)縫焊接處4

潛在的徑向裂紋，就需調(diào)整傳感器位置，使超聲波可檢測(cè)不同方向的裂紋。一個(gè)不規(guī)則

裂紋或損傷的幾何形狀就需要采用不同類(lèi)型的檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。

(1).超聲波檢測(cè)儀

目前，市場(chǎng)上有多種利用超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)裂紋的檢測(cè)儀。其中有2種專(zhuān)門(mén)用于裂紋

檢測(cè)，其他的既可以用于檢測(cè)金屬損耗，也可用于檢測(cè)和定位特定幾何形狀的裂紋。

(2).彈性波檢測(cè)儀

最初，在線(xiàn)檢測(cè)儀主要用于金屬損耗的檢測(cè)和確定其尺寸，如漏磁檢測(cè)儀是19世紀(jì)80

年代初期智能清管器采用的惟一儀器。但是很快就發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)并不是最佳的測(cè)量管道二

維縱向損傷(如應(yīng)力腐蝕和疲勞裂紋)的技術(shù)。另一方面，超聲波檢測(cè)技術(shù)是最適合于材料

缺陷檢測(cè)的技術(shù)。所以，英國(guó)天然氣公司利用超聲波技術(shù)開(kāi)發(fā)裂紋檢測(cè)儀，這種技術(shù)同樣

可用于氣體管道。該方法主要?jiǎng)?chuàng)新在于利用輪式探測(cè)儀屏蔽超聲波傳感器。

在發(fā)展過(guò)程中，這種儀器所面臨的主要問(wèn)題是數(shù)據(jù)的處理。在裂紋檢測(cè)過(guò)程中，所產(chǎn)生

的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何類(lèi)型的金屬損耗檢測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理以完成真假缺陷的

判定、真裂紋與類(lèi)似裂紋缺陷的區(qū)分以及確定裂紋的尺寸和位置等。

(3).斜射法超聲波探傷儀或超聲波探傷儀

利用斜射法的超聲波探傷儀于19世紀(jì)90年代引人市場(chǎng)。這種儀器不僅可應(yīng)用于應(yīng)力腐

蝕裂紋的檢測(cè)，還可用于檢測(cè)發(fā)生于基材和較長(zhǎng)焊縫上的裂紋。通過(guò)觀(guān)察管壁上超聲波傳

感器的排列就可判斷出裂紋。傳感器在管壁內(nèi)成一定角度安裝以保證管壁內(nèi)的超聲波束在

45。范圍內(nèi)傳播，能完成這種功能的排列為最優(yōu)排列方式。其傳感器利用聲波反射原理工

作。

根據(jù)儀器的尺寸，一個(gè)超聲波探傷儀大致需要1024個(gè)以上的超聲波傳感器。這種儀器

可測(cè)量的最小值是長(zhǎng)度為30mm,深度為1mm的裂紋。實(shí)踐證明其性能極為優(yōu)良，大量數(shù)

據(jù)證實(shí)其在長(zhǎng)度上的檢測(cè)精度達(dá)到100%,深度上的精度超過(guò)85魅示準(zhǔn)設(shè)置的超聲波探傷

儀用來(lái)檢測(cè)5

軸向裂紋，即檢測(cè)管道縱向裂紋(無(wú)論其位于內(nèi)表面、外表面或壁內(nèi)部)。通過(guò)調(diào)整傳感

器位置，將其旋轉(zhuǎn)90°,探傷儀就可檢測(cè)環(huán)向裂紋。

2.2檢測(cè)儀的工作原理

2.2.1檢測(cè)儀的總體結(jié)構(gòu)

這種光電檢測(cè)裝置由牽引車(chē)、光電測(cè)頭和微機(jī)控制與圖象處理系統(tǒng)等三個(gè)主要部分組成;

以CCD作為傳感器，使用IBMPC/AT286作為主控系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖2-1檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)原理圖

1.支撐輪2.蝸桿

3.蝸輪4.牽引車(chē)外殼

5.直流電機(jī)6.牽引掛鉤

7.步進(jìn)電機(jī)8.聯(lián)軸器

9.支撐10.直角反射棱鏡

11.光電探頭外殼12.CCD攝相頭

2.2.2檢測(cè)儀的工作過(guò)程

光電檢測(cè)裝置工作時(shí)，首先由牽引車(chē)1帶動(dòng)光電測(cè)頭在被檢測(cè)鋼管內(nèi)移動(dòng);每前進(jìn)一定

距離后、牽引車(chē)制動(dòng)。然后，光電測(cè)頭由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2驅(qū)動(dòng)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，在鋼管內(nèi)壁90。范

圍內(nèi)掃描。此時(shí)，光電測(cè)頭內(nèi)的白熾燈3發(fā)出的光透過(guò)探測(cè)窗7照射到被檢測(cè)鋼管的內(nèi)表

面匕帶有鋼管內(nèi)壁疵病信息的反射光經(jīng)探測(cè)窗7和反射棱鏡4進(jìn)人物鏡5,并成象在探

測(cè)器件CCD6ho然后由CCD把反映鋼管內(nèi)壁疵病的光信息變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)電纜10和接

口電路送入微機(jī)控制與圖象處理系統(tǒng)，由6

適當(dāng)?shù)能浖?duì)鋼管內(nèi)壁疵病的數(shù)字化圖象信息進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)；最后由打印機(jī)把被檢測(cè)鋼

管內(nèi)壁疵病的等級(jí)打印出來(lái)。

7

第三章?tīng)恳?chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)

3.1牽引車(chē)的總體結(jié)構(gòu)

3.1.1牽引車(chē)的構(gòu)成

牽引車(chē)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主體部分由支撐輪、牽引車(chē)外殼、蝸輪蝸桿系統(tǒng)、直

齒傳動(dòng)系統(tǒng)、直流電機(jī)等，幾部分組成。牽引車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由直溜電機(jī)作為力源，帶動(dòng)直齒

轉(zhuǎn)動(dòng)，直齒與蝸桿連接。通過(guò)蝸輪蝸桿系統(tǒng)，將橫向傳動(dòng)轉(zhuǎn)換為縱向運(yùn)動(dòng)，從而使小車(chē)運(yùn)

動(dòng)起來(lái)。

3.1.2總體設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

在小車(chē)的總體設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮電機(jī)的性能參數(shù)，如：功率、力矩、轉(zhuǎn)速、外行尺寸

等。然后，要對(duì)直齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和蝸輪蝸桿系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。由于再本次設(shè)計(jì)中，對(duì)儀器的

外行尺寸要求的較小，所以在第二步計(jì)算中可以不考慮強(qiáng)度方面的計(jì)算，但要給出對(duì)外行

尺寸的精確計(jì)算。最后，要對(duì)支撐輪中的彈簧進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

在牽引車(chē)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中，要充分考慮到裝配時(shí)孔軸之間的配合關(guān)系。還要考慮到牽

引車(chē)的外行設(shè)計(jì)時(shí)，要注意到外殼的工藝問(wèn)題。主要是要注意，在棱角部位的圓角和倒角

的設(shè)計(jì)。還要考慮螺釘孔的位置問(wèn)題，一定要把螺釘孔開(kāi)在便于裝配的位置上。最后，應(yīng)

該考慮到牽引車(chē)的內(nèi)部零件的裝配問(wèn)題，在外殼的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意開(kāi)口位置是否合理，大

小是否合適，盡量使儀器在安裝時(shí)可以作到方便、快潔。

在設(shè)計(jì)的最后階段，要注意到直齒的軸線(xiàn)與蝸桿軸線(xiàn)的同軸度是否良好，只有當(dāng)直齒的

軸線(xiàn)與蝸桿軸線(xiàn)之間具有良好的同軸度，才能使?fàn)恳?chē)在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。

8

圖3-1牽引車(chē)的總體結(jié)構(gòu)圖

1.彈簧導(dǎo)桿2.壓簧調(diào)整螺母3.壓簧座

4.壓簧5.螺釘6.螺釘

7,滾輪架8.軸9,壓蓋

10.螺母11.軸承12.本體下蓋

13.蝸桿14.銷(xiāo)15.大齒輪

16螺釘17.車(chē)體端蓋18.電機(jī)座

19.螺母20.墊圈21.螺釘

22.后蓋板23.牽引鉤24.電機(jī)

25.套筒26.小齒輪27.鍵

28.墊圈29.螺母30.蝸輪

31.鍵

3.2電機(jī)的選擇

根據(jù)牽引車(chē)的總體外行尺寸，設(shè)計(jì)中取牽引車(chē)總重Pl1kg,車(chē)輪

外緣的橡膠包裹用以增大牽引車(chē)與管道內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，設(shè)計(jì)中取f

10.6o車(chē)輪半徑為18mm。光學(xué)部分的總重取P21kg,f2=0.3。

9

電纜P3=0.2kg,

Mf(Plf3=0.3?計(jì)算儀器總摩擦力矩：flP2f2P3f3)gR

=(1X0.6+1X0.05+0.2X0.3)X9.8X0.018

=0.125Nm

根據(jù)電機(jī)力距大小，同時(shí)考慮牽引車(chē)的總體尺寸，決定定做一個(gè)微型電機(jī)。

電機(jī)參數(shù)如下：

額定電壓：12V額定電流：0.05A額定功率：0.63W

轉(zhuǎn)速:1200r/min轉(zhuǎn)距:

129kgcm]

圖3-2電機(jī)圖

確定爬行速度2m/min左右，確定車(chē)輪半徑r=18mm所以總傳動(dòng)比

i120012003.1410.018212003.1410.01867.8522

2r

分配傳動(dòng)比：

分給蝸輪，蝸桿的傳動(dòng)比il2=60。則分配給齒輪系統(tǒng)的傳動(dòng)比

i341.13,

3.3蝸輪，蝸桿傳動(dòng)符的設(shè)計(jì)

3.3.1蝸桿傳動(dòng)的概述

蝸桿傳動(dòng)（圖3-3）常用于傳遞空間兩交借軸（不平行又不相交）間的10

運(yùn)動(dòng)和功率，兩軸的軸交角一般為90°。通常是蝸桿1為主動(dòng)件，蝸輪2作主動(dòng)件的情

況很少。

蝸桿傳動(dòng)廣泛地用于各種機(jī)械和儀器中，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）一級(jí)傳動(dòng)就可以得到很大

的傳動(dòng)比，在動(dòng)力傳動(dòng)中，?般i=7?80,在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)500以上；（2）工作平穩(wěn)無(wú)噪

聲；（3）可以自鎖，這對(duì)于某些設(shè)備是很有意義的。缺點(diǎn)是：（1）傳動(dòng)效率低，自鎖蝸桿傳動(dòng)

的效率低干50%;

（2）因效率低，發(fā)熱大，故不適用于功率過(guò)大（一般不超過(guò)100KW）長(zhǎng)期連續(xù)工作處；（3）

需要比較貴重的青銅制造蝸輪齒圈。

根據(jù)蝸桿的形狀，蝸桿傳動(dòng)可分為圓柱蝸桿傳動(dòng)（圖3-3）和環(huán)面蝸桿傳動(dòng)（舊稱(chēng)球面

蝸桿傳動(dòng)，圖3-4）兩種。圓柱蝸桿由于制造簡(jiǎn)單，所以在機(jī)械傳動(dòng)中廣泛應(yīng)用。環(huán)面蝸

桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑條件較好，效率高，但制造較難，多用于大功率傳動(dòng)。

圖

3-3

圖3-4

3.3.2蝸輪、蝸桿的設(shè)計(jì)

參考《儀器儀表設(shè)計(jì)手冊(cè)》蝸輪，蝸桿設(shè)計(jì)中選取模數(shù)m=0.5,P411,11

蝸桿頭數(shù)Zl1,分度圓直徑df8,蝸輪齒數(shù)Z260,貝I」：

（1）蝸桿參數(shù)的確定

61

圖3-5蝸桿零件圖

齒距：tm0.51.571od中心距：AfDO

2

083019o2齒型角：020。

蝸桿導(dǎo)程：StZl1.571。

齒頂圓直徑：dedf2m8190

齒根圓直徑：didf2.5m81.256.75。分度圓柱上的螺旋導(dǎo)角：

tgfm0.50.0625,8dl

f

齒高：hl2.25m1.125?

(2)蝸輪參數(shù)的確定：f3°34'34"。蝸桿長(zhǎng)：L2m2Z210.954。

12

圖3-6蝸輪零件圖

分度圓直徑：DOZ2600.530o

齒頂圓直徑：Dedo2m30131。

齒高：h2.25m1.125?

齒根圓直徑：DiDO2.5m302.50.528.75?

輪側(cè)切面中心角之半：

(0.0221.3)2t(0.02601.3)21.5710.821t81.571df

47°r32"齒面曲率半徑：Rd

2fm3.5。

齒根寬：bdesin6。

蝸輪寬：Bb0.25t60.251.5716.4。輪緣外徑:

DsDe1(df2m)(1cos)2

13

31170.318332.114。2

3.4齒輪傳動(dòng)部分方案的選擇

3.4.1齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用和種類(lèi)

齒輪傳動(dòng)是近代機(jī)械制造中用得最多的傳動(dòng)形式之一。和其他傳動(dòng)形式比較，它具有下

列優(yōu)點(diǎn)：（1）能保證傳動(dòng)比恒定不變；（2）適用的載荷與速度范圍很廣，傳遞的功率可由很小

到幾萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)150m/s

（3）結(jié)構(gòu)緊湊；（4）效率高，一般效率0.94?0.99;（5）工作可靠且壽命長(zhǎng)。其主要

缺點(diǎn)是：（D對(duì)制造及安裝精度要求較高；（2）當(dāng)兩軸間距離較大時(shí)，.采用齒輪傳動(dòng)較笨

重。近年來(lái)，由于齒輪制造技術(shù)的迅速發(fā)展，加工精度的不斷提高，齒輪的應(yīng)用范圍更加

擴(kuò)大，因此，齒輪在機(jī)械制造業(yè)中的重要性就更為顯著。

齒輪的分類(lèi)方法很多，為了便于研究其傳動(dòng)原理和設(shè)計(jì)，可按下述幾種法分類(lèi)。

按照兩輪軸的相對(duì)位置可以分為：

（1）圓柱齒輪傳動(dòng)它用于平行軸間的傳動(dòng)。按照輪齒和輪軸的相對(duì)位置，圓柱齒輪又可

分為直齒圓往齒輪（圖3-7）、斜齒圓柱齒輪（圖3-8a）及人字齒輪（圖3-8b）o此外，按照

輪齒排列在圓往體的外表面、內(nèi)表面或平板上，它又可分為外齒輪（圖3-7）、內(nèi)齒輪（圖

3-9）及齒條（圖3-10）。

圖3-7圖3-814

圖3-9圖3-10

（2）錐齒輪傳動(dòng)它用于相交軸間的傳動(dòng)。錐齒輪也分為直齒（圖3-11）,斜齒和弧齒錐

齒輪。

(3)交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)它用于空間既不平行又不相交的兩交錯(cuò)軸間的傳動(dòng)(圖3-12)。

交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)只能傳遞小功率，一般用于傳遞運(yùn)動(dòng)。

圖3-11圖

3-12

圖3-13

(4)蝸桿傳動(dòng)它用于交錯(cuò)軸間的傳動(dòng)(圖3-13)。兩軸交錯(cuò)角通常為

按照齒輪傳動(dòng)的工作情況叮以分為:

(1)開(kāi)式齒輪傳動(dòng)齒輪是外露的，灰塵等容易落人，只能定期添加潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑，所以輪

齒易磨損，多用于低速傳動(dòng)。

(2)閉式齒輪傳動(dòng)齒輪全部裝在潤(rùn)滑良好的密封剛性箱體內(nèi)，所以潤(rùn)滑條件好，裝配易

精確，多用于重要的傳動(dòng)。

按照齒輪的圓周速度可以分為：

(1)低速傳動(dòng)，圓周速度vV3m/s;(周中速傳動(dòng),v=3?低m/s;⑶高速傳動(dòng),t>15m/s?

3.4.2齒輪嚙合的基本定律

齒輪傳動(dòng)最基本的要求是其瞬時(shí)角速比(或稱(chēng)傳動(dòng)比)必須恒定不變。否則當(dāng)主動(dòng)輪以等

角速度回轉(zhuǎn)時(shí).，從動(dòng)輪的角速度為變數(shù)，因而產(chǎn)生慣性力，影響輪齒的強(qiáng)度，使其過(guò)早破

壞，同時(shí)也引起振動(dòng)，影響其工作精度。

現(xiàn)討論齒廓的形狀符合什么條件,才能保證齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)角速比為常數(shù)的問(wèn)題。

圖374所示為兩嚙合齒輪的齒廓cl和c2在K點(diǎn)接觸的情形。設(shè)

則齒廓c上K點(diǎn)的速度vK；和，

齒廓c上K點(diǎn)速度vK。兩輪的角速度分別為2121112222

過(guò)K點(diǎn)作兩齒廓的公法線(xiàn)NN與連心線(xiàn)0102交于P點(diǎn)，為了保

證兩輪連續(xù)和平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，vl和v2在NN上的分速度應(yīng)相等。

過(guò)02作NN平行線(xiàn)，并與01K的延長(zhǎng)線(xiàn)交于Z點(diǎn)。因△跖1?與4

的三邊互相垂直，故△Kabs4K02Z,因而

KZ(3-1)vOK

KKZ(3-2)0K0K12211

22216

即KZ(3-3)K1

21

又因在△0102Z中PK〃2Z,故

P(3-4)KP

P因而得(3-5)0PKZ12112

22

上式說(shuō)明兩輪的角速度與連心線(xiàn)被齒廓在接觸點(diǎn)處的公法線(xiàn)所分得的兩線(xiàn)段成反比。P

由此可見(jiàn)，要使兩輪的角速度比恒定不變，則應(yīng)該使恒為常0P

數(shù)。但因兩輪的軸心0及0為定點(diǎn)，及為定長(zhǎng)，故欲滿(mǎn)足上211212

述要求，必須使P成為連心線(xiàn)上的一個(gè)固定點(diǎn)。此固定點(diǎn)P成為節(jié)點(diǎn)。

因此，欲使齒輪傳動(dòng)得到定傳動(dòng)比，齒廓的形狀必須符合下列條件：不論輪齒齒廓在任

何位置接觸，過(guò)接觸點(diǎn)所作齒廓的公法線(xiàn)均須通過(guò)節(jié)點(diǎn)Po這就是齒廓嚙合的基本定律。

理論上，符合上述條件的齒廓曲線(xiàn)有無(wú)窮多，但齒廓曲線(xiàn)的選擇還應(yīng)考慮制造、安裝等

要求。工程上通用的齒廓曲線(xiàn)多為漸開(kāi)線(xiàn)、擺線(xiàn)和圓弧。由于漸開(kāi)線(xiàn)齒廓易于制造，故大

多數(shù)的齒輪都是用漸開(kāi)線(xiàn)作為齒廓曲線(xiàn)的，擺線(xiàn)齒輪僅用于儀表中。

如圖9-8所示，分別以01和02為圓心及01P及02P為半徑作兩

個(gè)圓，并由式(3-1)可得

P1122P(3-6)

即通過(guò)節(jié)點(diǎn)的兩圓具有相同的圓周速度，它們之間作純滾動(dòng)，這兩圓稱(chēng)為齒輪的節(jié)圓。

17

圖3-14

3.4.3齒輪的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，要求整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)體積小，既能在50的鋼管內(nèi)壁內(nèi)自由出入；牽引車(chē)的

速度應(yīng)大于2米/分，并有一定牽引力。因此，選用電動(dòng)機(jī)作為儀器運(yùn)動(dòng)的力源。其傳動(dòng)

任務(wù)結(jié)構(gòu)可能有兩種方案：

(1).利用錐齒輪付傳動(dòng)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)，可靠，傳動(dòng)效率高。缺點(diǎn)是工

藝較復(fù)雜，制造費(fèi)用高。

(2).采用螺旋齒輪付傳動(dòng)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)鏈短，體積小，制造簡(jiǎn)單，工藝流

程短，制造費(fèi)用小。克服了第一方案制造費(fèi)用高的缺點(diǎn)，因此是被選用的方案。

Z1z2

圖3-15直齒圓柱齒輪傳動(dòng)

取模數(shù)m0.5,齒數(shù)Z123,Z226,則:

壓力角：200

/N

I

18

分度圓直徑：d]mZl11.5

d2mZ213o

齒頂高：ham0.5o

齒根Bj：hf1.25m0.625o

齒全高：h2.25m1.125o

頂隙：c0.25m0.125。

齒頂圓直徑：daldl2ha11.5112.5,

d

齒根圓直徑：d

d

a2fld22ha13114,dl2hf11.51.2510.25,

d22hf131.2511.72。0f2基圓直徑：dbldlcos11.5cos2010.81

db2d2cos13cos2012.22?

0.785。1（）（11.513）12.25O2dld20齒距：Pm1.57。齒厚：

Sm2標(biāo)準(zhǔn)中心距：a

齒寬：b10m5。

3.5滾輪壓簧設(shè)計(jì)

3.5.1彈簧概述

彈簧是一種彈性元件，它廣泛應(yīng)用在各種機(jī)器中。和多數(shù)零件的要求相反，彈簧要求剛

性小、彈性高，受外力后能有相當(dāng)大的變形，而隨著載荷的卸除，變形消失，能恢復(fù)原

狀。彈簧的功用有：（1）緩沖及減振，例如車(chē)輛彈簧.，各種緩沖器或彈性聯(lián)軸器中的彈

簧（2）控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)或零件的位置，例如凸輪機(jī)構(gòu)、摩擦輪機(jī)構(gòu)、離合器、閥門(mén)以及

各種調(diào)速器中所用的彈簧；（3）貯存能量，例如鐘表、儀器中的彈簧；

19

（4）測(cè)量力和轉(zhuǎn)矩，例如彈簧秤及發(fā)動(dòng)機(jī)示功器中所用的彈簧等。

圖3-16

彈簧的類(lèi)型很多，根據(jù)外形來(lái)分，彈簧主要有板彈簧和螺旋彈簧兩種。板彈簧是由幾片

寬度相同長(zhǎng)度不同的彈簧鋼板疊合而成，如圖（3-16）所示。螺旋彈簧是用金屬絲按螺旋

線(xiàn)卷繞而成。由于用圓截面金屬絲繞成圓柱形的螺旋彈簧制造簡(jiǎn)便，因此它在機(jī)器中應(yīng)用

最廣,如圖3-17、3-18和3T9所示。

根據(jù)所承受的載荷類(lèi)別不同螺旋彈簧可分為：（1）拉伸彈簧（圖3-17）用來(lái)承受軸向

拉力；（2）壓縮彈簧（圖3-18）用來(lái)承受軸向壓力；（3）扭轉(zhuǎn)彈簧（圖3-19）用來(lái)承受

轉(zhuǎn)矩。

圖3-17圖3-18

拉伸彈簧的末端形狀要根據(jù)裝配情況而定，如圖3-17所示為幾種常用的結(jié)構(gòu)，其中圖

3T7b、c所示的結(jié)構(gòu)較好，其末端的彈簧絲不至于如圖3T7a所示那樣因彎扭而降低其強(qiáng)

度，但成本較高。

20

圖3-19

圖17所示為壓縮彈簧的典型端部結(jié)構(gòu)，其中圖17a所示的端部不磨平，37但兩端各

有?圈并緊，使彈簧站得平直，這幾圈不參預(yù)工作變形，44

稱(chēng)為支承圈（又稱(chēng)死圈）。重要用途的壓縮彈簧端部結(jié)構(gòu)應(yīng)

如圖17b所示，它不僅有支承圈，并且末端磨平。

圖3-19所示為扭轉(zhuǎn)彈簧兩端用以傳遞轉(zhuǎn)矩的兒種掛鉤形式。

3.5.2彈簧的制造、材料和許用應(yīng)力

（1）.彈簧的制造

螺旋彈簧的制造過(guò)程包括:卷繞、兩端面加工（指壓縮彈簧）或掛鉤的制作（指拉伸彈簧和

扭轉(zhuǎn)彈簧），熱處理和工藝性試驗(yàn)等。

大量生產(chǎn)時(shí)，卷繞工作在自動(dòng)機(jī)床上進(jìn)行;小批生產(chǎn)則常在普通車(chē)床上或者用手工卷繞

器在心軸上卷制。彈簧的卷繞方法可以分冷卷和熱卷。當(dāng)彈簧絲直徑小于或等于8mm時(shí)常

用冷卷方法。冷卷時(shí)將預(yù)先熱處理好的材料在常溫下卷成，,般不再淬火，只加以低溫回

火消除內(nèi)應(yīng)力。彈簧絲直徑較大而彈簧直徑較小的彈簧則常用熱卷，卷成后必須進(jìn)行淬火

與回火處理。彈簧在卷繞和熱處理后要進(jìn)行表面檢驗(yàn)及工藝性試驗(yàn)來(lái)鑒定彈簧的質(zhì)量。

彈簧制成后如再進(jìn)行特殊處理（如強(qiáng)壓處理或噴丸處理），可以提高彈簧的承載能力和疲

勞壽命。

（2）.彈簧的材料

彈簧在機(jī)器中常起著重要的作用，常承受交變載荷和沖擊載荷，所以對(duì)彈簧的材料提出

較高的要求，一般應(yīng)具有高的彈性極限、疲勞極限、

21

一定的沖擊韌性、塑性和良好的熱處理性能等。常用的彈簧材料有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金

鋼、不銹鋼和有色金屬合金。

碳素彈簧鋼價(jià)廉又易于獲得，故應(yīng)用最廣，如65、70、85等碳素彈簧鋼，經(jīng)熱處理后

力學(xué)性能較好，但當(dāng)彈簧絲直徑大于12mm時(shí)、不易淬透，故僅適用于制造小尺寸的彈

簧。

承受變載荷和沖擊載荷的彈簧應(yīng)采用合金彈簧鋼，常用的有硅鎰鋼和銘銳鋼等，但價(jià)格

較貴。

在潮濕、酸性或其他腐蝕性介質(zhì)中工作的彈簧，宜采用有色金屬合金，如硅青銅、錫青

銅等。也還有用工程朔料制造彈簧。

表3T碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度s（Mpa）

注：B級(jí)適用于低應(yīng)力彈簧；C級(jí)適用于等應(yīng)力彈簧；D級(jí)適用于直徑范圍為6曬以下的

高應(yīng)力彈簧。

選擇彈簧材料時(shí)應(yīng)充分考慮彈簧的工作條件(載荷的大小及性質(zhì)，工作溫度和周?chē)橘|(zhì)

的情況)、功用、重要性和經(jīng)濟(jì)性等因素。一般應(yīng)優(yōu)22

先采用碳素彈簧鋼絲。

(3).彈笠的許用應(yīng)力

影響彈簧許用應(yīng)力的因素很多，除了材料種類(lèi)外，還有材料質(zhì)量、熱處理方法、載荷性

質(zhì)、彈簧的一「作條件和重要程度以及彈簧絲的直徑等。通常，按載荷性質(zhì)彈簧可分為三

類(lèi)：I類(lèi)-----受變載荷作用次數(shù)在10次以上或很重要的彈簧，如內(nèi)燃機(jī)氣門(mén)彈簧、電

磁閘瓦制動(dòng)器彈簧；II類(lèi)——受變載荷作用次數(shù)在10?10次及受沖擊載荷的彈簧，如調(diào)

速器彈簧、一般車(chē)輛彈簧；III類(lèi)------受變載荷作用次數(shù)在10次以下的，即基本上受靜

載荷的彈簧，如一般安全閥門(mén)彈簧、摩擦式安全離合器彈簧等。

3.5.3強(qiáng)度計(jì)算：

最大工作負(fù)荷：P20.92kg。

工作行程：L10mm。

選取材料為65Mn?

(1).由《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)》表T-6查得P20.8P3所以允許極限負(fù)荷P3彈簧設(shè)

計(jì)取P1120.921.15kg則最小工作負(fù)荷P1(?)P3330.83635111.150.383kg

P333

(2).查表7-9進(jìn)行初選

P20.90kg

(3).彈簧車(chē)岡度P31.13kgP'10.23kg/mmD8mmd0.6mmt4.12mm

P，21

L0.920.3830.053710

(4).彈簧壓數(shù)

nP'1

10.325.96圈6圈0.053723

(5)?實(shí)際鋼度

P'10.32

n60.053kg/mm

(6).最小工作負(fù)荷

P，

1P2PL0.920.053100.39kg

(7).端部結(jié)構(gòu)選為：并緊摩平?？?cè)?shù)nl628圈

(8).自由高度

Hnt1.5d64.121.50.625.26mm

(9).最大工作負(fù)荷下的變形量F2.9

2P0

0.05316.98mm

(10).最小工作負(fù)荷下的變形量F10.383

1P'0.0537.23mm

(11).最大工作負(fù)荷下的高度

H2HF225.6216.988.64mm

(12).最小工作負(fù)荷下的高度HlHFl25.627.2318.39mm

(13).彈簧展開(kāi)長(zhǎng)度

D2Dd80.67.4mm

LD2n3.147.46139.49mm24

第四章光電探頭的設(shè)計(jì)

4.1光電部分的總體設(shè)計(jì)

4.1.1光電部分的構(gòu)成

圖4-1

1.步進(jìn)電機(jī)2.聯(lián)軸器3.支撐

4.連接板5.螺釘6.探頭木體

7.螺釘8.壓圈9.直角反射棱鏡

10.視窗11.螺釘12.套筒

13.CCD攝相頭14.壓圈15.CCD套筒

16.本體后蓋

4.1.2光電部分的工作過(guò)程

如上圖所示為，光電部分的總體結(jié)構(gòu)圖。光電部分在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)光電

探頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。光源發(fā)出光線(xiàn)打到反射棱鏡上，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)棱鏡照射到管壁上，然后管壁反

射回來(lái)的光線(xiàn)又經(jīng)過(guò)反射棱鏡，最后照射到CCD攝相頭ho

4.2光電探頭結(jié)構(gòu)方案選擇

管道內(nèi)表面經(jīng)噴沙處理后，形成的粗糙度是分段均勻的，既鋼管的25

噴沙端口最粗糙，中部較細(xì)，末端最細(xì)。因?yàn)槭菑?qiáng)力噴沙，所以管道內(nèi)表面粗糙度再同

一斷面是均勻的。因此，我們有三種設(shè)計(jì)思想：

(1).光電探頭旋轉(zhuǎn)掃描360。，其特點(diǎn)是取樣概率大，準(zhǔn)確度高，但由于旋轉(zhuǎn)一周掃

描給掃描信號(hào)電纜的處理帶來(lái)了困難，在實(shí)際應(yīng)用中即復(fù)雜又不經(jīng)濟(jì)，且各斷面粗糙度基

本均勻，不必要360°的旋轉(zhuǎn)。

(2).光電探頭旋轉(zhuǎn)掃描90°,即牽引車(chē)一次制動(dòng)時(shí)，光電探頭向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)

90°,在下一次制動(dòng)時(shí)光電探頭再向相反方向旋轉(zhuǎn)掃描90°,以此類(lèi)推來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管

道內(nèi)壁的完整測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)可避免360。掃描電纜帶來(lái)的弊端，而且取樣概率可以較好的

滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3).光電探頭進(jìn)行45°掃描，其中優(yōu)點(diǎn)是可以消除電纜纏繞的影響，掃描概率滿(mǎn)足要

求，但電機(jī)反轉(zhuǎn)次數(shù)多且每次制動(dòng)后掃描時(shí)間長(zhǎng)，工作效率底。

經(jīng)比較，選擇第二種方案。根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計(jì)儀器。

4.3光電探頭的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4-2光學(xué)原理圖

1.直角反射棱鏡2.光源3.CCD攝相頭

4.3.2光學(xué)系統(tǒng)的工作過(guò)程

光學(xué)系統(tǒng)原理如上圖所示，光源發(fā)出的光經(jīng)直角反射棱鏡反射至鋼管表面，鋼管表面反

射的光信息經(jīng)直角反射棱鏡后打在CCD攝相頭上，26

CCD攝相頭把反映鋼管內(nèi)表面質(zhì)量的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳遞到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)微機(jī)

處理，由適當(dāng)?shù)能浖?duì)圖象信息進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，最后由打印機(jī)打印出。被測(cè)鋼管內(nèi)表面的

粗糙度可以由微機(jī)屏幕適時(shí)顯示出來(lái)。

在光電探頭中的反射棱鏡也可以選用梯形反射棱鏡。但在選用梯形棱鏡時(shí)，最好在棱鏡

與CCD接收設(shè)備間加裝透鏡組。而且，梯形棱鏡比直角棱鏡的制造工藝復(fù)雜，所以選擇直

角棱鏡。在本設(shè)計(jì)中由于要縮小光電探頭的整體體積，而且當(dāng)CCD攝相頭接收表面與直角

棱鏡的棱之間的距離在20cm以?xún)?nèi)時(shí)，在CCD攝相頭與棱鏡之間不用安裝透鏡系統(tǒng)?？紤]

到該儀器可能要對(duì)多種直徑的管道進(jìn)行測(cè)量，所以將CCD攝相頭裝在螺紋套筒上，以便調(diào)

節(jié)CCD攝相頭與棱鏡之間的距離。

4.4CCD的基本原理及特性

4.4.1CCD的基本原理

同其它光電效應(yīng)探測(cè)器?樣，CCD技術(shù)也以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)。同的是，CCD是以電荷而

不是以電流或電壓作為信號(hào)。構(gòu)成CCD與大多數(shù)光電器件的基本單元是MOS（金屬一氧化物

一半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)（圖4-3）o在一定的偏壓下，MOS結(jié)構(gòu)成為可存儲(chǔ)電荷的分立勢(shì)阱。當(dāng)光照

射到硅片上時(shí)，光電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷將存儲(chǔ)在MOS勢(shì)阱中。這些勢(shì)阱構(gòu)成了CCD的探測(cè)微

元。將按??定規(guī)則變化的電壓加到CCD的各電極上時(shí)，電極下的電荷將沿半導(dǎo)體表面朝?

定方向移動(dòng)。所謂電荷藕合便是指勢(shì)阱中的電荷從一個(gè)電極移向另一個(gè)電極的過(guò)程。

一個(gè)CCD芯片由幾百至上萬(wàn)個(gè)光敏微元組成，這些微元組合成線(xiàn)陣或面陣的CCD探測(cè)器.

當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的光信號(hào)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在CCD光

圖4-3

敏元上成像時(shí)，CCD器件便將光敏元上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比27

例的電荷量，用一定頻率的時(shí)鐘脈沖對(duì)CCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在CCD的輸出端便可獲得被測(cè)目

標(biāo)的視頻信號(hào).視頻信號(hào)中每一個(gè)離散信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著一個(gè)光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，

而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)CCD光敏元位置的順序.CCD用自身電子掃描方式完成了信息從空

間域到時(shí)間域的轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)CCD檢測(cè)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分，光學(xué)成像物鏡、CCD敏感元件、

CCD驅(qū)動(dòng)器、視頻處理器、計(jì)算機(jī)接口及圖像處理軟件.圖4-4是一個(gè)用線(xiàn)陣CCD作為光

電轉(zhuǎn)換器，通過(guò)機(jī)電混合掃描方法獲得二維圖像的檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖4-4

4.4.2CCD的主要特性

CCD具有體積小、重量輕、功耗低、堅(jiān)固耐用、輸出方便、抗外界干擾性強(qiáng)等特征.但是

CCD的優(yōu)良性能遠(yuǎn)不止這些，CCD在光譜學(xué)以及多道分析中的應(yīng)用則和其具有的以下重要

特性有關(guān)：

（1）光譜響應(yīng)范圍寬-般的CCD器件可工作在0.4-1.1}cm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，最大響應(yīng)

約在0.9}m.在紫外區(qū)，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但采用背部照射減薄的

CCD,工作波長(zhǎng)極限可達(dá)0.1m?

（2）靈敏度高.CCD具有很高的單元光電量子產(chǎn)率，正面照射的CCD的量子產(chǎn)率可達(dá)

20%,若采用背部照射減薄的CCD,其單元量子產(chǎn)率高達(dá)90%以上.另外，CCD的暗電流很

小，檢測(cè)噪聲也很低.因此，即使在低照度（10-Zlx）下，CCD也能順利完成光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)

輸出.

（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬.CCD的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍在4個(gè)數(shù)量級(jí)以上，最高可達(dá)8個(gè)數(shù)量級(jí)。

（4）光敏元的幾何位置精度高，因此CCD非常適合于幾何尺寸的測(cè)量.

（5）容易與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，從而組成一個(gè)功能強(qiáng)大的自動(dòng)化測(cè)量系28

統(tǒng).

另外，CCD還具有抗過(guò)度曝光的性能.過(guò)強(qiáng)的光會(huì)使CCD的光敏元飽和，但不會(huì)導(dǎo)致芯片

損壞，而且CCD的積分時(shí)間可以從幾毫秒到上千秒，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況任意選擇。選擇

小的積分時(shí)間（如20ms）,CCD有可能應(yīng)用于某些快速反應(yīng)研究過(guò)程中。由于CCD的暗電流

很小，因此在許多應(yīng)用情況下，可以在室溫下使用而不必配備冷卻系統(tǒng)。與PDA、PMT的

性能比較

作為多道集成光信號(hào)檢測(cè)器，PDA（光電二極管陣列）和CCD在靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍上皆?xún)?yōu)

于傳統(tǒng)的光子計(jì)數(shù)光電倍增管（P.MT）,CCD與PDA的共同特性是它們都能存儲(chǔ)光照射到檢測(cè)

器上所產(chǎn)生的光致電荷，這一點(diǎn)與PMT不同.對(duì)于PMT,光照射到陰極

將產(chǎn)生一個(gè)光電流.

與PMT相比，CCD與PDA具有可進(jìn)行多道分析的天然優(yōu)勢(shì)，而且在波長(zhǎng)選擇，操作可靠

性等方面也優(yōu)于PMT.

CCD與PDA相比，在弱光檢測(cè)方面前者明顯優(yōu)于后者，在過(guò)去幾十年中，PDA在光譜分

析應(yīng)用中受到普遍的重視，與其具有的多道特性及其具有較高的量子產(chǎn)率和測(cè)定強(qiáng)光能力

有關(guān).但PDA的暗電流和噪聲依然較大，從而限制了它在微弱光信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。另

外，CCD的價(jià)格遠(yuǎn)低于PDA,因此，與PDA相比，CCD是一種更靈敏，更廉價(jià)的多道陣列式

檢測(cè)器。

4.5光電接受器件CCD的選擇

要檢驗(yàn)管道內(nèi)表面噴砂除銹后錨絞度的A,AB,B,BC,C五個(gè)級(jí)數(shù)，采用運(yùn)算速度高，

容量大的IBM386微型計(jì)算機(jī)。管道內(nèi)表面粗糙不平的深度為0.02~0.01mm,為此我們選

用象速間距為0.014mm象數(shù)為512位/m線(xiàn)陣CCD器件，則CCD器件的陣列長(zhǎng)BM度為：

AL0.0145127.168mm

光電探頭對(duì)每一檢測(cè)位置作90°扇形掃描，則對(duì)內(nèi)徑60的鋼管每次掃描的弧長(zhǎng)為：

29

L2R3600023.14300.2547.1mm

則每次掃描的面積為：

300.257.168339.12mm2

4.6掃描電機(jī)的選擇

光電探頭在每前進(jìn)1米后作90°旋轉(zhuǎn)掃描。掃描后所獲得的光信號(hào)由512象素的CCD器

件接受并轉(zhuǎn)換電信號(hào)輸入IBM386微型計(jì)算機(jī)中處理。為與接受器件CCD的轉(zhuǎn)換速度相匹

配。我們選用了42BYGH型步進(jìn)電機(jī)作為光測(cè)頭旋轉(zhuǎn)掃描的電機(jī)。查電機(jī)手冊(cè)可知：

電機(jī)的步距角選為每步15°。

空載起功率為3000步/秒

最大靜轉(zhuǎn)距為2kg-cm則每次掃描所用時(shí)間為：T

1.50010.02秒300030

第五章微機(jī)控制與圖象處理系統(tǒng)

微機(jī)控制與圖象處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。

5.1微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)為圖象數(shù)字化設(shè)備、圖象處理器和輸出裝置三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如

圖5-1以下為其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

5.1.1系統(tǒng)主機(jī)

計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的核心。除作為主控系統(tǒng)外，其更重要的用途是作為圖象處理器。主要功

能是對(duì)數(shù)字化后的圖象進(jìn)行各種形式的運(yùn)算處理。對(duì)其要求是通用性強(qiáng)、運(yùn)算速度快、具

有相當(dāng)規(guī)模的存儲(chǔ)量和豐富的軟件功能。為此，本系統(tǒng)選用了IBMPC/AT286機(jī)，并利用

其CRT彩色監(jiān)視器和外設(shè)打印機(jī)作為輸出裝置。

圖5-1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

5.1.2圖象數(shù)字化設(shè)備

圖象數(shù)字化設(shè)備由光電測(cè)頭及其控制電路、視頻放大器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組

成。

在光電測(cè)頭中，采用CCD作為圖象傳感器。本系統(tǒng)利用軟硬件控31

制接口設(shè)計(jì)了集成化的CCD驅(qū)動(dòng)電路，可用來(lái)提供CCD在獲取信號(hào)過(guò)程中所需要的五種

主要驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿(mǎn)足了CCD在高頻條件下進(jìn)行快速圖象掃描的要求。光電測(cè)頭和牽引車(chē)的傳

動(dòng)控制由位移動(dòng)控制電路完成。視頻放大器的功能是對(duì)CCD輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行直流分

量恢復(fù)和共模干擾噪聲的抑制并進(jìn)行放大處理，以滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓幅度的要求。采

樣保持電路S/H的功能是在指定的時(shí)刻內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣處理，并將采樣電平保持下

來(lái)成為離散信號(hào)。系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器可對(duì)輸入信號(hào)按幅度大小進(jìn)行量化和編碼，然后

輸出符合計(jì)算機(jī)要求的數(shù)字信號(hào)?？紤]到CCD的視頻輸出大約為L(zhǎng)25us/象素，為了與

之匹配，選擇了采樣保持時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間均小于1口s的AD-585高速采樣保持器和AD-

7821八位高速A/D轉(zhuǎn)換器，以獲得象素可分為256個(gè)灰度等級(jí)的數(shù)據(jù)輸出。

5.1.3接口控制電路

為滿(mǎn)足系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和CRT顯示刷新過(guò)程中貯存容量的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)

存儲(chǔ)量為256KB的圖象存儲(chǔ)器，可以用來(lái)貯存一幀512