微细管道内表面检测及三维重建关键技术研究

【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。