新型激光散斑轮胎无损检测仪开发及应用_技术

新型激光散斑轮胎无损检测仪开发及应用

肖玉霜1，曾启林2，马铁军1，2，谢雷2

(1 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640)

(2 广州华工百川科技股份有限公司，广州 510640)

摘要：轮胎内部缺陷是导致交通事故发生的主要因素，激光散斑检测系统是检测轮胎内部缺陷的主要方法。本文介绍了基于激光散斑干涉理论基础上开发的新型激光散斑轮胎无损检测仪，内容主要包括激光散斑无损检测的原理，表面粗糙度仪 http://www.biaomiancucaoduyi.com 新型轮胎无损检测仪的图像处理过程、各项功能及其特点，并且对检测中得到的各类缺陷图进行了分析。

关键词：无损检测，轮胎，缺陷

一、前言

由于轮胎脱层和气泡缺陷的存在,轮胎高速行驶时缺陷处发生剪切应变,导致屈挠生热和应力集中,并使缺陷不断扩大。如果缺陷在胎面胶处,极易发生甩胎面事故；如果缺陷在胎体中,极易发生爆胎事故。从有关部门的统计资料上可看出,目前高速公路发生的交通事故中2/3 是由轮胎引起的,而其中70%是由轮胎质量造成的。欧美国家对钢丝子午线轮胎及翻新轮胎进行无损检测的要求比较严格,无损检测对这些轮胎生产厂家来说是必检项目【1】。我国一

些著名的轮胎企业也已从国外引进激光无损检测仪，对轮胎进行无损检测。总之，无损检测是避免存在内部缺陷的轮胎出厂装车的唯一方法。

二、激光散斑轮胎无损检测介绍

当激光照射在墙壁、纸张、毛玻璃等这些平均起伏大于波长数量级的光学粗糙表面(或透过光学粗糙的透射板)上时，这些表面上无规分布面元的散射的子波相互叠加使反射光场(或透射光场)具有随机的空间光强分布，呈现出颗粒状的结构，这就是激光散斑【2】。物体的位移或变形必然引起散斑场的变化，因此通过测量散斑场的变化就可以获取物体的形变信息。

对于轮胎检测这个特例，轮胎的内部缺陷主要是气泡和脱层。在轮胎检测过程中，轮胎由输送带输送到检测室（即真空系统的容舱内），轮胎进行真空加载，由此轮胎内部的缺陷气泡和脱层因外部的大气压的改变而膨胀引起轮胎表面的微小位移形变，通过激光散斑干涉技术，对形变前后的两幅图进行比较处理，就可将轮胎内部的缺陷检测识别出来。

激光数字剪切散斑轮胎检测技术是基于激光散斑效应对轮胎表面进行无损全场检测的新型技术，利用轮胎在受激光照射后产生干无损检测资源网涉散斑场的相关条纹来检测双光束波之间的相位变化。是一种集现代激光技术、散斑干涉技术、图像采集及处理技术、计算机技术、精密测试技术于一体的计量检测技术。由于采用精确的相移技术测量轮胎表面的形变位移导数,检测结果不受轮胎刚体运动的影响, 具有实时、全场非接触无损、机构简单、稳定可靠、无需防震装置等优点，因此激光数字剪切散斑轮胎无损检测技术已广泛用于轮胎生产在线检测,其原理如图1 所示。

三、相移电子剪切散斑中的图象处理

1．条纹生成

散斑图像处理中，条纹生成算法是图象处理的第一步，条纹的生成方式除了相减算法之外还有相加算法、相关算法。本文采用相减算法生成条纹，它直接地对变形前后两幅图像的对应象素的灰度值进行相减。

传统相减算法速度快、条纹对比度高、条纹颗粒小、对光照均匀性敏感。采用相减方法时，代表物体缺陷的条纹被光强所调制，使得当光强分布不均匀时，影响条纹的强度均匀【3】。由于本论文所设计的轮胎检测仪采用了等步长相移技术，能够消除光照的调制，因此基于速度的考虑本论文所设计的系统最终采用了传统的相减算法。图2 为相减算法得到的散斑图。

2．图像滤波

高频散斑所调制，因而对其滤波显得非常重要。散斑条纹的主要问题是它的的高斯噪声，但对脉冲噪声基本没3-2值滤波是一种非线性滤波，它的优点是图像的轮廓能够得到很好的保留，对含有椒盐噪声由于条纹图像被信噪比是1。这使得它有高的对比度，但同时也使信息的提取变得困难。由此滤波就变

得非常重要，即使是采用了相移技术也要对图像稍微滤波。

均值滤波是线性滤波器的典型代表，主要用于抑制图像中有什么效果。其基本原理很简单，就是以某点为中心的窗口内的像素值的平均值代替该点的值。均值滤波的优点是算法简单，执行速度快；其缺点也很明显，就是在降低噪声的同时也造成了原图像的较大模糊，给下一步的图像处理带来困难。如图3-1 和图3-2 分别是采用均值滤波前后的散斑条纹图像。

3-1 散斑条纹图均值滤波后散斑条纹图像中

的图像能够处理得非常好[5]。缺点是像素要经过排序，执行速度慢，并且不考虑领域中像素的相对位置，因此会损害原有图像的结构。在轮胎检测中，ESPI条纹图一般不存在明显的边缘，所以中值滤波的优势没有得到体现。图像中的条纹信息都是以散斑的形式存在，采用中值滤波将会抑制图像中的亮点使得图像整体的对比度变低。以下是试验中得到的效果。

图 4-1 是滤波前条纹图像，图 4-2 是采用3× 3的窗口进行中值滤波后的结果。

图4-1 散斑条纹图图 4-2 中值滤波后散斑条纹图像3、相位去包裹期性，经过相位提取得到的相位值分布在-π到π之间，一般把这种受某提出了基由于余弦函数的周区间限制而截断的相位分布称为“包裹相位图(phase wrapped)”这样得到的数据并非相位的真实值，为了最终得到真实的相位，必须将多个包裹相位的区域拼接展开成为连续的相位分布，这个过程就称为相位的解调或相位的去包裹(phase unwrapping)。为了得到真正的相位值必须在上述相位上根据相位的连续无损检测资源网性加上2π整数倍，这便是相位去包裹。

在实验中发现一般传统的相位去包裹算法满足不了实际的需求，会出现错误。因此于可靠度的相位去包裹算法以及基于聚类的相位去包裹算法。基于可靠度的相位去包裹算法先计算各个像素的可靠度，然后先从可靠度最高的像素出发，沿着可靠度从高到底的路径去包裹[6]。采用基于聚类的技术和随着去包裹过程而动态改变的可靠度测量技术，可以反映出去包裹过程中相位的变化。去包裹次序也不断地更新以适应每一次跌代的局部结果。动态的质量更新过程决定了选择合并哪一对分组。在去包裹的过程中路径是动态地改变的。这就使得该算法比那些采用最小生成树技术的算法有着更高的稳健性。然而这种方法也造成了图5-1 包裹图像图 5-2 去包裹图像处理时间的消耗。考虑到这点，改论文采用基于可靠度的相位去包裹算法。如图 5-1 和5-2

被测表面形变的一阶导数,干涉图样呈典型的蝴蝶状条纹，且不易分别为采用基于可靠度的相位去包裹前后的图像。

四、散斑缺陷图分析

散斑缺陷图检测的是受外界的影响。在出现缺陷的地方,其干涉条纹必然是独立存在的,其圆形外缘与正常干涉条纹有界线。圆环中条纹的疏密程度表示形变大小,条纹密的形变大,反之,形变就小。同时,缺陷与表面的距离与圆环中条纹的粗细有关,条纹粗的缺陷距表面远,条纹细的缺陷距表面近。通过计算机图像分析软件很容易将轮胎的缺陷位置及大小计算出来。图6 中的三幅图所示分别为轮胎胎冠、胎侧和胎面部位的检测图像。由可以清晰地看到缺陷所在的部位及其分布。

（a）胎冠缺陷图像

（b）胎侧缺陷图像

（c）胎面缺陷图像

图6 轮胎各部分缺陷图像

图7 所示为几组常见的缺陷，检测得到的图像为灰度值在（0，255）之间的灰度图像。

这些缺陷的总体特征是在缺陷所在区域灰度值有明显的变化，将这些缺陷按照各自特点分为三类：蝴蝶斑类、大面积缺陷类、条状类。

从图（a）（b）中看出蝴蝶斑具有近似对称的性质，缺陷与背景的灰度对比明显。通常在蝴蝶斑缺陷图像中左右半圆的灰度变化是对应相反的，半圆的圈数随不同的加载气压、气泡大小而变化。

图（c）（d）为大面积缺陷所体现出来的图像。当外部条件固定，轮胎缺陷密集且较大时，ESPI 图像中对应于缺陷的地方条纹呈现出密集且相应面积增大的特点，同时体现出规律化极强的纹理特点。

图（e）所示为检测较大脱层时得到的缺陷图像。该类缺陷呈波浪状向两端窄部位灰度值变化紊乱，与背景平稳部分有较大区别。缺陷的边缘轮廓与纹理较前两种缺陷类型有很大不同。

条纹上下端延伸，条纹内部图像从波浪状到类椭圆变化，有些狭

五、新型激光散斑轮胎无损检测仪系统介绍

如图8 所示，为广州华工百川公司研制的新型BTJSLNDT 1200A 激光散斑轮胎无损检测仪，该检测仪是在设有真空装置的检测室内，通过检测头运动机构连接有四个可垂直、水平及360 度旋转运动的激光散斑检测头；在检测头的下方，是用于承载及定位轮胎的轮胎自动定位装置；在检测室侧壁上有可开闭的门。

图8 新型激光散斑轮胎无损检测仪

该检测仪主要应用于检测轮胎产品内部以及轮胎胎侧区域的缺陷，通常情况下，轮胎胎面及胎侧部位按圆周360°分为6~12 个扇区。无损检测资源网在轮胎检测过程中,轮胎胎侧和胎面同时检测,两个检测头检测胎侧,另两个检测头检测胎面,每对检测头按180 度对称分布,每个检测头检测扇区为180 度,轮胎圆周360 度分为12 个小扇区进行检测。在测试开始前,轮胎被水平输送到真空室内，轮胎在进入真空室时自动侧测量外径合折合直径及断面高，并自动定位于输送带中心，三维运动机构检测探头伸入到轮胎内部自动定位，胎侧检测头自动对位到轮胎胎侧中心，胎面检测头检自动对准胎面。通过对轮胎进行真空加载然后放气，轮胎内部的缺陷气泡和脱层在内部的大气压的改变而膨胀引起的表面的微小位移形变，通过激光散斑干涉技术，对形变前后的两幅图的比较处理，就可将轮胎的内部缺陷检测出来。轮胎检测完成后，进出胎门打开，轮胎自动输出，同时进入下一条胎进行检测。该检测仪的缺陷大小分辨率为1mm。

该检测仪系统的主要功能包括：

（1）机械和检测功能控制：

包括检测室的的关闭（左/右手）、检测头定位（转动/提升/平移/俯仰）、真空系统降压控制、紧急停车功能安全检查、装卸系统（自动）控制

（2）图像处理软件和用户界面

采用新的图像处理技术，使图像更加清晰，缺陷识别更加容易。中文用户界面, 菜单简单明了，界面通俗易懂，便于操作。

（3）轮胎检测功能

轮胎检测分为手动检测和全自动检测两部分。手动检测：胎面和胎侧可分为8-12 个部分（沿周向）进行检测，因此，观察和照明轮胎的相位剪切头将会自动置于轮胎中心的预定位置。检测时，检测室随设定压差降压，通过转动相位检测头，轮胎分区进行检测。检测结果实时显示，也可检测完毕后集中显示。检测结果可存贮，确认后即可检测下一条轮胎。

（4）数据输出

恒.翻新轮胎的无损检验技术进展[J].橡塑技术与装备,2002,28(9):9-12.

[2] 盛保胜.航空轮胎成品检测方法最新发展.现代橡胶技术.2005，31(4):5-8.

[3] 孙相移技术研究.光电子·激光.2001，12(11):1174-1176.

[4]Qspin s. Proc. SPIC. 2002(4664):p73-79

[5]李2003

[6]郑总部：广州市天河华南理工大学北区国家大学科技园1 号楼w201-214 室

生产基地：广州市番禺区市桥西丽工业区丽骏路

电话：020-34809498

传真：020-34809548

激光散斑轮胎无损检测系统（被广东省科技厅认定为2009 年广东省高新技术产品）每一条轮胎，检测图像和相位结果图像以及检测参数相关的数据和轮胎技术参数连同所有文件都存贮于一个目录下。

（5）图象的管理功能