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微细管道内表面检测及三维重建关键技术研究

作　者: 吴恩启
导　师: 柯映林；李江雄
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微细管道内表面检测 CCD PSD 标定弯曲管道曲率检测三维重建
分类号: TH703
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 2次
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内容摘要

微细管道在航空航天、核工业等领域内有着广泛的应用，其内表面质量对其传输性能有着重要的影响。因此对这些管道要进行定期检查，以便即使维修或更换，防止事故的发生，降低生产成本。目前，大管道的检测已经有许多成熟的技术，但对于微细管道的检测，特别是内表面整体形貌的检测研究较少。本文根据CCD和PSD的特性，提出了微细管道内表面形貌光电检测及三维重建技术，并开发了相应的检测系统。该检测系统适于内径在9.5mm～10.5mm，曲率半径在100mm以上的微细管道的内表面检测及三维重建，实验表明检测系统对管道内表面缺陷的检测精度达到±0.1mm。全文共分七章。第一章首先阐述了微细管道检测技术的应用背景，分析了微细管道无损检测技术的研究现状、特点和发展趋势，然后介绍了光电检测技术的相关知识和常用的光电检测器件电荷耦合器件CCD和位置传感器PSD，并在此基础上提出了一种新型的微细管道光电检测方法。最后给出了学位论文的研究意义和主要研究内容。第二章阐述了基于CCD摄像机标定技术的微细管道测量原理，提出了管道内表面三维测量的计算模型，研制了CCD管道内表面形貌传感器。用网格法对CCD摄像机进行了标定，得到所需的摄像机标定参数。并在分析管道截面图像特点的基础上，研究了管道截面环数据信息和缺陷信息的提取方法。最后对CCD形貌检测器检测精度进行了实验验证。第三章根据二维位置传感器PSD的特性和光学三角原理，研制了适于微细管道内表面检测的PSD形貌检测器。建立了检测器的理想几何光路成像模型，对在不同曲率半径的管道中的检测像结果进行了模拟。并分析了检测器结构误差和组成器件本身精度对检测精度的影响，并提出了相应的修正方法。最后根据模拟分析，提出了基于PSD的形貌检测器的具体结构并开发了原型样机。第四章根据PSD形貌检测器的功能要求设计了微型马达的驱动电路，并研制了激光光源的调制电路以消除背景光和暗电流对检测结果的影响。对所用的二维位置传感器PSD位置畸变进行了标定修正。并通过对PSD的管道内壁检测输出信号进行数据处理，得到截面上离散点在检测器局部坐标系中的位置，实现了截面轮廓的重构。最后对PSD形貌检测器的测量精度进行了实验分析。第五章首先阐述了空间曲线微细管道曲率检测器的测量原理，并结合形貌检测器和曲率检测器提出了微细管道内表面三维重建方法及检测系统。然后建立了管道内壁检测过程中的局部坐标系和全局坐标系之间的转换关系。最后分别对直管和弯管进行了三维重建实验，并对实验数据进行了分析。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-30
  1.1 引言  13-14
  1.2 微细管道内壁检测技术研究现状  14-19
    1.2.1 漏磁法  14-15
    1.2.2 涡流法  15-16
    1.2.3 超声波法  16-17
    1.2.4 内窥镜检测法  17-18
    1.2.5 激光光源投射成像法  18-19
    1.2.6 CCD摄像机图像采集法  19
  1.3 微细管道内壁无损检测技术的特点及发展趋势  19-22
    1.3.1 微细管道内表面缺陷分类  19-20
    1.3.2 微细管道无损检测技术的特点  20
    1.3.3 微细管道内表面无损检测技术的发展趋势  20-22
  1.4 微细管道光电检测技术  22-28
    1.4.1 光电检测技术简介  22-23
    1.4.2 电荷耦合器件CCD  23-24
    1.4.3 位置传感器PSD  24-27
      1.4.3.1 一维位置传感器  25-26
      1.4.3.2 二维位置传感器  26-27
    1.4.4 光电检测系统的组成  27-28
  1.5 论文研究的意义和主要内容  28-30
    1.5.1 论文研究的意义  28
    1.5.2 论文研究的主要内容  28-30
第二章基于CCD的微细管道内表面三维测量技术  30-51
  2.1 引言  30-31
  2.2 基于CCD标定的管道内壁三维测量基本原理  31-32
  2.3 基于CCD标定的管道内壁形貌检测器  32-34
  2.4 CCD摄像机的标定  34-37
    2.4.1 CCD摄像机标定模型  34-35
    2.4.2 CCD摄像机标定参数的求解  35-37
      2.4.2.1 外部参数及图像中心的求解  35-36
      2.4.2.2 畸变参数的求解  36-37
  2.5 管道内壁截面图像处理及轮廓提取方法研究  37-46
    2.5.1 微细管道内壁数字图像特点分析  38-39
    2.5.2 管道内壁图像光强分布特点分析  39-41
      2.5.2.1 管道内壁图像采集系统成像光路分析  39
      2.5.2.2 管道内壁图像光强分布规律分析  39-41
    2.5.3 管道内壁图像内轮廓提取  41-44
      2.5.3.1 常用边界提取方法实验  41-42
      2.5.3.2 基于管道内壁图像光强分布特性的内轮廓提取方法  42-44
    2.5.4 微细管道内壁缺陷检测  44-46
  2.6 管道内壁截面离散点的三维坐标计算模型  46-47
    2.6.1 z轴方向坐标的计算  46
    2.6.2 x向和y向坐标的计算  46-47
  2.7 实验及分析  47-49
  2.8 本章小结  49-51
第三章基于PSD的微细管道内表面形貌检测器的研制  51-68
  3.1 引言  51
  3.2 PSD形貌检测器的基本原理  51-53
  3.3 PSD形貌检测器的光路设计  53-61
    3.3.1 光路的改进设计  53-54
    3.3.2 光能损耗的计算  54-55
    3.3.3 理想几何光路模型的建立  55-59
    3.3.4 入射光斑偏移对测量结果的影响  59-61
  3.4 结构误差分析  61-67
    3.4.1 激光器光轴的偏转误差  62
    3.4.2 激光器光心的位置精度误差  62-63
    3.4.3 电机中轴线的同轴度误差  63-64
    3.4.4 三种误差影响的比较  64-65
    3.4.5 结构误差的消除  65-67
  3.6 PSD形貌检测器的具体结构  67
  3.7 本章小结  67-68
第四章基于PSD的形貌检测器电路设计及数据处理技术  68-89
  4.1 引言  68
  4.2 PSD的标定  68-71
    4.2.1 PSD标定实验  68-69
    4.2.2 PSD标定数据处理  69-71
  4.3 形貌检测器的处理及控制电路设计  71-77
    4.3.1 PSD信号处理电路  72
    4.3.2 微型马达的控制电路  72-73
    4.3.3 激光光源的控制电路  73-77
  4.4 测量数据的处理  77-82
    4.3.1 精度分析  78-79
    4.3.2 数据分割  79-80
    4.3.3 数据拟合  80
    4.3.4 数据处理结果  80-82
  4.5 检测精度实验与分析  82-88
  4.6 本章小结  88-89
第五章微细管道内表面三维重建研究  89-107
  5.1 引言  89
  5.2 管道内壁三维重建原理  89-92
  5.3 检测探头位置的实时追踪  92-97
    5.3.1 管道曲率半径的检测原理  92-93
    5.3.2 管道中轴线的三维重建原理  93-96
    5.2.3 曲率检测器的结构  96-97
  5.4 坐标转换及管道内表面三维重构  97-102
    5.4.1 直管道的重构  97-98
    5.4.2 弯曲管道的重构  98-99
    5.4.3 管道弯曲部分内径的计算  99-102
  5.5 三维检测及重建系统的总体构成  102
  5.6 三维重建实验及分析  102-106
    5.6.1 基于PSD的形貌检测器的三维重建试验  102-104
      5.6.1.1 直管的三维重构  102-103
      5.6.1.2 弯曲管道三维重构  103-104
    5.6.2 基于CCD的形貌检测器三维重建实验  104-105
      5.6.2.1 直管的三维重构  104
      5.6.2.2 弯曲管道的三维重构  104-105
    5.6.3 两种检测方法的比较  105-106
    5.6.4 形貌检测器整体偏心的影响  106
  5.7 本章小结  106-107
第六章微细管道内表面形貌检测器偏心修正方法研究  107-114
  6.1 引言  107
  6.2 形状记忆合金弹簧的电阻和回复位移的关系  107-109
  6.3 形貌检测器触角调整距离的计算  109-112
    6.3.1 形貌检测器测量原理  109
    6.3.2 形貌检测器倾斜程度的计算  109-111
    6.3.3 触角调节的大小  111-112
  6.4 触角调节的实施方法研究  112
  6.5 原理性实验分析  112-113
  6.6 本章小结  113-114
第七章结论和展望  114-116
  7.1 结论  114-115
  7.2 展望  115-116
参考文献  116-124
攻读博士学位期间发表(撰写)的论文及参加的课题  124-125
  学术论文  124
  科研项目  124-125
致谢  125

微细管道内表面检测及三维重建关键技术研究

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