管道内壁疵病检测装置

管道内壁疵病检测装置

管道内壁疵病检测装置

TheDeviceforDetectingFlawonthe

InnerWallofPiper

姓名：

班级：

指导教师：

杨刚0722338王金波I

目录

第一章绪

论...............................................................................

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

1.1引

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

1.2检测技术要

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

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

第二章检测仪的原理及方案选

择...............................................................................

.......3

2.1检测仪的方案选

择...............................................................................

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

2.2检测仪的工作原

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

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

第三章牵引车的结构设计和方案设

计...............................................................................

8

3.1牵引车的总体结

构...............................................................................

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

3.2电机的选

择...............................................................................

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

3.3蜗轮，蜗杆传动系统的设

计...............................................................................

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

3.4齿轮传动部分方案的选

择...............................................................................

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

3.5滚轮压簧设

计...............................................................................

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

第四章光电探头的设

计...............................................................................

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

4.1光电部分的总体设

计...............................................................................

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

4.2光电探头结构方案选

择...............................................................................

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

4.3光电探头的光学系统设

计...............................................................................

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

4.4CCD的基本原理及特

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

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

4.5光电接受器件CCD的选

择...............................................................................

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

4.6扫描电机的选

择...............................................................................

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

第五章微机控制与图象处理系

统...............................................................................

....31

5.1微机硬件系统设

计...............................................................................

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

5.2计算机软件系统设

计...............................................................................

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

结

论...............................................................................

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

结束

语...............................................................................

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

致

谢...............................................................................

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

参考文

献...............................................................................

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

摘要

本文介绍了一种用于提取管道内表面疵病信息的方法和装置，该装置利用光学系统和

CCD器件提取管道内表面疵病信息，由计算机完成表面疵病信息的图象处理识别分类。论

述了该装置的设计思想与实施要点。该装置主要用于各种细长钢管内壁质量的实时自动检

测，能实现输入信息的数字转换、图象处理、识别分类和输出显示等功能。

论文对该装置的各个部分进行了详细的论述，其中主要对机械部分以及光学探头两个方

面进行了详细的介绍。在机械部分中，主要对蜗轮蜗杆传动符、齿轮传动系统、弹簧的强

度校核这三个方面进行了设计。在光学探头部分中主要对电机的选用，CCD器件和光路这

三个方面进行了介绍。在电机的选用中，对电机的各方面参数进行了计算，同时，也给出

了电机的一些基本参数。在CCD器件的选用中，对CCD器件的原理和部分特性进行了介

绍。在对光学系统设计中，给出了具体的光路图和光学元件。

关键词：内表面疵病光学探头CCD图象处理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第一章绪论

1.1引言

近年来，随着我国石油与化学工业管道施工技术的发展，对钢管内防腐表面处理质量的

检测及其可靠性提出了越来越高的要求。传统的用人眼主观检测钢管内表面质量的方法已

经无法保证管道内防腐表面处理质量，而且检测效率低，可靠性差，检测时需锯断大量的

优质钢管，故检测费用较高。管道内表面质量的检测成为困扰石化工业管道施工技术发展

的一大难题。然而利用本文所述的管道内表面质量光电检测仪却可以很好的解决这一问

题。使用本文所述仪器在保证被检钢管完整的前提下，由专门的光电装置自行进入被检钢

管内部，多处提取被检钢管内表面的光信息，最后以电信号形式将所提取的信息送入计算

机处理系统，由该系统给出检测结果。应用这种仪器可以检测内径5n至100mm,长度18m

的各种钢管内表面除锈后的质量;这种检测具有无损、省时，省力、检测结果可靠等特

点。

本文主要介绍这种光电检测仪的工作原理与组成以及光电系统的设计。该检测仪由光电

测头和牵引车等两部分构成。仪器工作时首先由牵引车带动光电测头在被检钢管内移动；

每前进0.5m（或1m）后，牵引车制动。光电测头此时由步进电机带动，低速旋转90°,在

钢管内表面90°范围内扫描。光电测头内的白炽灯照射到钢管内表面匕带有内表面质量

信息的反射光，经棱镜反射入物镜并成像在CCD匕然后由CCD把反映钢管内表面锚纹度

和残余锈斑状况的光信息转变为电信息，通过电缆传送至计算机系统，经微机处理，由适

当的软件对钢管内表面锚纹度图像信息进行分类识别（锚纹度的等级标准已存储在微机

IA））,最后由打印机把钢管内表面的锚纹度和残余锈斑的数字化图像可由微机屏幕实时显

O

本文所述的光电检测仪样机已在大庆油田应用。这种光电检测仪对于保证与提高管道内

防腐表面处理质量，延长钢管使用寿命，提高管道1

防腐技术水平与降低管道施工成本有重要意义。在石油和化学工业中有着广阔的应用前

景。如果对其软件系统作适当开发，在钢铁工业和塑料工业中对钢管和塑料管内表面质量

进行检测也将是可行的。

1.2检测技术要求

L检测管道规格：直径60,长度10m；

2.牵引车速大于2m/分。仪器每隔1米取样一次。

3.检测仪能将被测钢管内壁粗糙度区分出A,AB,B,BC,C五个等级。

4.计算机屏幕实时显示钢管内壁数字化图象，打印记录内壁粗糙度级别和位置。

2

第二章检测仪的原理及方案选择

2.1检测仪的方案选择

2.1.1管道内表面质量检测的内容

（1）.管道中的损伤

-一般将损伤分为直接损伤和间接损伤。直接损伤与管壁本身有关，这类损伤对管道系统

有直接的影响，比如腐蚀、裂纹或凿缝等;间接损伤是指材料或系统可能有破坏或故障，

而且这类损伤会随着时间的推移而引起直接损伤，比如阴极保护失效、内外防腐层破坏。

管道的损伤又可分为儿何变形、金属损耗、裂纹或类似裂纹的损伤。

（2）.管道裂纹

许多研究已经发现管道裂纹的形成、发展及避免的方法。核能和航天工业已经广泛应用

断裂力学进行研究。例如，作用于液体管道的循环载荷就可能导致断裂或疲劳腐蚀;当金

属所受应力强度超过其本身能承受的强度时，应力腐蚀裂纹就会产生，影响应力腐蚀裂纹

（SCC）敏感度的参数包括管壁的应力状态、管材特性、管道的周边环境（包括覆盖层、土壤

特性等）。为了保证输送管道、尤其是高压输气管道的安全，研究裂纹生长规律是至关重

要的。在管道所受应力中，环向应力是最关键的，由于环向应力的作用，任何裂纹继而都

会向纵向，即轴向发展。当然也有例外，如在管道环缝焊接处可能会发生环向应力腐蚀裂

纹。

运行管道产生的裂纹可分为病劳裂纹、应力腐蚀裂纹(接近中性或高pH值的应力腐蚀裂

纹)、氢脆裂纹、硫化氢应力腐蚀裂纹、焊接热效应区裂纹。这些裂纹不仅可出现在纵向

焊缝、热效应区(HAZ)上，还会出现在管材上。

氢脆裂纹通常出现在酸性环境中。氢原子通过扩散进人材质后，在材质的空穴中重新组

合形成分子并引起内部压力的增加。由于材质的脆性和空穴或裂纹各端受到了三向应力，

裂纹发生延伸。由于这种裂纹平3

行于管道，因此可被具有最小侧量范围的超声波腐蚀检测仪检测出。但由于超声波束方

向平行于径向裂纹，因此不能检测到径向氢脆裂纹，只能通过推导得出。

裂纹可由其他损伤引起，如凹痕、划痕等。虽然裂纹的研究非常复杂，但无论是宏观地

研究(如断裂力学)，还是微观的研究(如冶金学、位移理论)，都是非常有意义的。

材料缺陷除裂纹之外还有分层，这种缺陷通常出现在无缝钢管中。通过透视检验可以看

出这种位于管壁中的缺陷类似于裂纹。管壁分层是在管道预制过程产生的，它是裂纹的一

种。由于分层通常与管道表面平行，如与环应力平行，因此一般观点认为管道分层没有多

大影响，也就是说它不会造成管道的破坏。但是如果这种分层与管道表面不平行，或者分

层伸入环向焊缝，那么情况就不一样了。对于前者，分层会穿透到管壁面形成裂纹;后

者，分层能与其他管壁损伤相互作用而破坏管道。概括起来，管道裂纹的几何形状主要

有：

(a).管壁内外表面上向纵向发展的径向裂纹(常出现在纵向焊接的热效应区(HAZ)上，

其中也包括应力腐蚀裂纹(see))。

(b).管壁内外表面土向切向发展的径向裂纹(常出现在管道承受弯曲载荷的环向焊缝

处)。

(c).圆周方向上的不同几何尺寸的内裂纹。(在输送酸性气体管道中由于氢的渗透而

逐步发展的裂纹)。

2.1.2.管道内表面质量的检测方法

随着无损探伤技术的发展及市场上各类型检测仪的增加，要准确地选择满足特定检测需

求的检测仪变得越来越困难，尤其是不同类型检测仪的部分检测功能的重叠更增加了选型

的难度。比如，金属损耗检测仪可以检测一定类型的裂纹，而裂纹检测仪也可依据一定的

检测条件分辨钳压痕和其他的几何变形。

裂纹检测的问题在于没有一种设备可以准确检测出各种类型的裂纹及其几何尺寸。例

如，目前市场上可以购到的超声波无损探伤仪只能检测管壁和焊缝的包括应力腐蚀的纵向

裂纹。如需检测管道环缝焊接处4

潜在的径向裂纹，就需调整传感器位置，使超声波可检测不同方向的裂纹。一个不规则

裂纹或损伤的几何形状就需要采用不同类型的检测仪进行检测。

(1).超声波检测仪

目前，市场上有多种利用超声波检测技术检测裂纹的检测仪。其中有2种专门用于裂纹

检测，其他的既可以用于检测金属损耗，也可用于检测和定位特定几何形状的裂纹。

(2).弹性波检测仪

最初，在线检测仪主要用于金属损耗的检测和确定其尺寸，如漏磁检测仪是19世纪80

年代初期智能清管器采用的惟一仪器。但是很快就发现这种技术并不是最佳的测量管道二

维纵向损伤(如应力腐蚀和疲劳裂纹)的技术。另一方面，超声波检测技术是最适合于材料

缺陷检测的技术。所以，英国天然气公司利用超声波技术开发裂纹检测仪，这种技术同样

可用于气体管道。该方法主要创新在于利用轮式探测仪屏蔽超声波传感器。

在发展过程中，这种仪器所面临的主要问题是数据的处理。在裂纹检测过程中，所产生

的数据远远超过任何类型的金属损耗检测数据。经过对这些数据的处理以完成真假缺陷的

判定、真裂纹与类似裂纹缺陷的区分以及确定裂纹的尺寸和位置等。

(3).斜射法超声波探伤仪或超声波探伤仪

利用斜射法的超声波探伤仪于19世纪90年代引人市场。这种仪器不仅可应用于应力腐

蚀裂纹的检测，还可用于检测发生于基材和较长焊缝上的裂纹。通过观察管壁上超声波传

感器的排列就可判断出裂纹。传感器在管壁内成一定角度安装以保证管壁内的超声波束在

45。范围内传播，能完成这种功能的排列为最优排列方式。其传感器利用声波反射原理工

作。

根据仪器的尺寸，一个超声波探伤仪大致需要1024个以上的超声波传感器。这种仪器

可测量的最小值是长度为30mm,深度为1mm的裂纹。实践证明其性能极为优良，大量数

据证实其在长度上的检测精度达到100%,深度上的精度超过85魅示准设置的超声波探伤

仪用来检测5

轴向裂纹，即检测管道纵向裂纹(无论其位于内表面、外表面或壁内部)。通过调整传感

器位置，将其旋转90°,探伤仪就可检测环向裂纹。

2.2检测仪的工作原理

2.2.1检测仪的总体结构

这种光电检测装置由牵引车、光电测头和微机控制与图象处理系统等三个主要部分组成;

以CCD作为传感器，使用IBMPC/AT286作为主控系统。其结构原理如图1所示。

图2-1检测仪的结构原理图

1.支撑轮2.蜗杆

3.蜗轮4.牵引车外壳

5.直流电机6.牵引挂钩

7.步进电机8.联轴器

9.支撑10.直角反射棱镜

11.光电探头外壳12.CCD摄相头

2.2.2检测仪的工作过程

光电检测装置工作时，首先由牵引车1带动光电测头在被检测钢管内移动;每前进一定

距离后、牵引车制动。然后，光电测头由步进电动机2驱动开始旋转，在钢管内壁90。范

围内扫描。此时，光电测头内的白炽灯3发出的光透过探测窗7照射到被检测钢管的内表

面匕带有钢管内壁疵病信息的反射光经探测窗7和反射棱镜4进人物镜5,并成象在探

测器件CCD6ho然后由CCD把反映钢管内壁疵病的光信息变为电信号，通过电缆10和接

口电路送入微机控制与图象处理系统，由6

适当的软件对钢管内壁疵病的数字化图象信息进行识别分类；最后由打印机把被检测钢

管内壁疵病的等级打印出来。

7

第三章牵引车的结构设计和方案设计

3.1牵引车的总体结构

3.1.1牵引车的构成

牵引车的总体结构如图2所示。其主体部分由支撑轮、牵引车外壳、蜗轮蜗杆系统、直

齿传动系统、直流电机等，几部分组成。牵引车运动时，由直溜电机作为力源，带动直齿

转动，直齿与蜗杆连接。通过蜗轮蜗杆系统，将横向传动转换为纵向运动，从而使小车运

动起来。

3.1.2总体设计的技术要求

在小车的总体设计时，首先要考虑电机的性能参数，如：功率、力矩、转速、外行尺寸

等。然后，要对直齿轮传动系统和蜗轮蜗杆系统进行计算。由于再本次设计中，对仪器的

外行尺寸要求的较小，所以在第二步计算中可以不考虑强度方面的计算，但要给出对外行

尺寸的精确计算。最后，要对支撑轮中的弹簧进行强度计算。

在牵引车的结构总体设计中，要充分考虑到装配时孔轴之间的配合关系。还要考虑到牵

引车的外行设计时，要注意到外壳的工艺问题。主要是要注意，在棱角部位的圆角和倒角

的设计。还要考虑螺钉孔的位置问题，一定要把螺钉孔开在便于装配的位置上。最后，应

该考虑到牵引车的内部零件的装配问题，在外壳的设计中，应注意开口位置是否合理，大

小是否合适，尽量使仪器在安装时可以作到方便、快洁。

在设计的最后阶段，要注意到直齿的轴线与蜗杆轴线的同轴度是否良好，只有当直齿的

轴线与蜗杆轴线之间具有良好的同轴度，才能使牵引车在运动时具有良好的稳定性。

8

图3-1牵引车的总体结构图

1.弹簧导杆2.压簧调整螺母3.压簧座

4.压簧5.螺钉6.螺钉

7,滚轮架8.轴9,压盖

10.螺母11.轴承12.本体下盖

13.蜗杆14.销15.大齿轮

16螺钉17.车体端盖18.电机座

19.螺母20.垫圈21.螺钉

22.后盖板23.牵引钩24.电机

25.套筒26.小齿轮27.键

28.垫圈29.螺母30.蜗轮

31.键

3.2电机的选择

根据牵引车的总体外行尺寸，设计中取牵引车总重Pl1kg,车轮

外缘的橡胶包裹用以增大牵引车与管道内壁的摩擦系数，设计中取f

10.6o车轮半径为18mm。光学部分的总重取P21kg,f2=0.3。

9

电缆P3=0.2kg,

Mf(Plf3=0.3„计算仪器总摩擦力矩：flP2f2P3f3)gR

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

=0.125Nm

根据电机力距大小，同时考虑牵引车的总体尺寸，决定定做一个微型电机。

电机参数如下：

额定电压：12V额定电流：0.05A额定功率：0.63W

转速:1200r/min转距:

129kgcm]

图3-2电机图

确定爬行速度2m/min左右，确定车轮半径r=18mm所以总传动比

i120012003.1410.018212003.1410.01867.8522

2r

分配传动比：

分给蜗轮，蜗杆的传动比il2=60。则分配给齿轮系统的传动比

i341.13,

3.3蜗轮，蜗杆传动符的设计

3.3.1蜗杆传动的概述

蜗杆传动（图3-3）常用于传递空间两交借轴（不平行又不相交）间的10

运动和功率，两轴的轴交角一般为90°。通常是蜗杆1为主动件，蜗轮2作主动件的情

况很少。

蜗杆传动广泛地用于各种机械和仪器中，它具有下列优点：（1）一级传动就可以得到很大

的传动比，在动力传动中，•般i=7〜80,在分度机构中可达500以上；（2）工作平稳无噪

声；（3）可以自锁，这对于某些设备是很有意义的。缺点是：（1）传动效率低，自锁蜗杆传动

的效率低干50%;

（2）因效率低，发热大，故不适用于功率过大（一般不超过100KW）长期连续工作处；（3）

需要比较贵重的青铜制造蜗轮齿圈。

根据蜗杆的形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动（图3-3）和环面蜗杆传动（旧称球面

蜗杆传动，图3-4）两种。圆柱蜗杆由于制造简单，所以在机械传动中广泛应用。环面蜗

杆传动的润滑条件较好，效率高，但制造较难，多用于大功率传动。

图

3-3

图3-4

3.3.2蜗轮、蜗杆的设计

参考《仪器仪表设计手册》蜗轮，蜗杆设计中选取模数m=0.5,P411,11

蜗杆头数Zl1,分度圆直径df8,蜗轮齿数Z260,贝I」：

（1）蜗杆参数的确定

61

图3-5蜗杆零件图

齿距：tm0.51.571od中心距：AfDO

2

083019o2齿型角：020。

蜗杆导程：StZl1.571。

齿顶圆直径：dedf2m8190

齿根圆直径：didf2.5m81.256.75。分度圆柱上的螺旋导角：

tgfm0.50.0625,8dl

f

齿高：hl2.25m1.125»

(2)蜗轮参数的确定：f3°34'34"。蜗杆长：L2m2Z210.954。

12

图3-6蜗轮零件图

分度圆直径：DOZ2600.530o

齿顶圆直径：Dedo2m30131。

齿高：h2.25m1.125»

齿根圆直径：DiDO2.5m302.50.528.75»

轮侧切面中心角之半：

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

47°r32"齿面曲率半径：Rd

2fm3.5。

齿根宽：bdesin6。

蜗轮宽：Bb0.25t60.251.5716.4。轮缘外径:

DsDe1(df2m)(1cos)2

13

31170.318332.114。2

3.4齿轮传动部分方案的选择

3.4.1齿轮传动的应用和种类

齿轮传动是近代机械制造中用得最多的传动形式之一。和其他传动形式比较，它具有下

列优点：（1）能保证传动比恒定不变；（2）适用的载荷与速度范围很广，传递的功率可由很小

到几万千瓦，圆周速度可达150m/s

（3）结构紧凑；（4）效率高，一般效率0.94〜0.99;（5）工作可靠且寿命长。其主要

缺点是：（D对制造及安装精度要求较高；（2）当两轴间距离较大时，.采用齿轮传动较笨

重。近年来，由于齿轮制造技术的迅速发展，加工精度的不断提高，齿轮的应用范围更加

扩大，因此，齿轮在机械制造业中的重要性就更为显著。

齿轮的分类方法很多，为了便于研究其传动原理和设计，可按下述几种法分类。

按照两轮轴的相对位置可以分为：

（1）圆柱齿轮传动它用于平行轴间的传动。按照轮齿和轮轴的相对位置，圆柱齿轮又可

分为直齿圆往齿轮（图3-7）、斜齿圆柱齿轮（图3-8a）及人字齿轮（图3-8b）o此外，按照

轮齿排列在圆往体的外表面、内表面或平板上，它又可分为外齿轮（图3-7）、内齿轮（图

3-9）及齿条（图3-10）。

图3-7图3-814

图3-9图3-10

（2）锥齿轮传动它用于相交轴间的传动。锥齿轮也分为直齿（图3-11）,斜齿和弧齿锥

齿轮。

(3)交错轴斜齿轮传动它用于空间既不平行又不相交的两交错轴间的传动(图3-12)。

交错轴斜齿轮传动只能传递小功率，一般用于传递运动。

图3-11图

3-12

图3-13

(4)蜗杆传动它用于交错轴间的传动(图3-13)。两轴交错角通常为

按照齿轮传动的工作情况叮以分为:

(1)开式齿轮传动齿轮是外露的，灰尘等容易落人，只能定期添加润滑剂润滑，所以轮

齿易磨损，多用于低速传动。

(2)闭式齿轮传动齿轮全部装在润滑良好的密封刚性箱体内，所以润滑条件好，装配易

精确，多用于重要的传动。

按照齿轮的圆周速度可以分为：

(1)低速传动，圆周速度vV3m/s;(周中速传动,v=3〜低m/s;⑶高速传动,t>15m/s»

3.4.2齿轮啮合的基本定律

齿轮传动最基本的要求是其瞬时角速比(或称传动比)必须恒定不变。否则当主动轮以等

角速度回转时.，从动轮的角速度为变数，因而产生惯性力，影响轮齿的强度，使其过早破

坏，同时也引起振动，影响其工作精度。

现讨论齿廓的形状符合什么条件,才能保证齿轮传动的瞬时角速比为常数的问题。

图374所示为两啮合齿轮的齿廓cl和c2在K点接触的情形。设

则齿廓c上K点的速度vK；和，

齿廓c上K点速度vK。两轮的角速度分别为2121112222

过K点作两齿廓的公法线NN与连心线0102交于P点，为了保

证两轮连续和平稳的运动，vl和v2在NN上的分速度应相等。

过02作NN平行线，并与01K的延长线交于Z点。因△跖1?与4

的三边互相垂直，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

上式说明两轮的角速度与连心线被齿廓在接触点处的公法线所分得的两线段成反比。P

由此可见，要使两轮的角速度比恒定不变，则应该使恒为常0P

数。但因两轮的轴心0及0为定点，及为定长，故欲满足上211212

述要求，必须使P成为连心线上的一个固定点。此固定点P成为节点。

因此，欲使齿轮传动得到定传动比，齿廓的形状必须符合下列条件：不论轮齿齿廓在任

何位置接触，过接触点所作齿廓的公法线均须通过节点Po这就是齿廓啮合的基本定律。

理论上，符合上述条件的齿廓曲线有无穷多，但齿廓曲线的选择还应考虑制造、安装等

要求。工程上通用的齿廓曲线多为渐开线、摆线和圆弧。由于渐开线齿廓易于制造，故大

多数的齿轮都是用渐开线作为齿廓曲线的，摆线齿轮仅用于仪表中。

如图9-8所示，分别以01和02为圆心及01P及02P为半径作两

个圆，并由式(3-1)可得

P1122P(3-6)

即通过节点的两圆具有相同的圆周速度，它们之间作纯滚动，这两圆称为齿轮的节圆。

17

图3-14

3.4.3齿轮的设计

根据设计任务，要求整个系统应体积小，既能在50的钢管内壁内自由出入；牵引车的

速度应大于2米/分，并有一定牵引力。因此，选用电动机作为仪器运动的力源。其传动

任务结构可能有两种方案：

(1).利用锥齿轮付传动。这种方案的优点是传动平稳，可靠，传动效率高。缺点是工

艺较复杂，制造费用高。

(2).采用螺旋齿轮付传动。这种方案的优点是传动链短，体积小，制造简单，工艺流

程短，制造费用小。克服了第一方案制造费用高的缺点，因此是被选用的方案。

Z1z2

图3-15直齿圆柱齿轮传动

取模数m0.5,齿数Z123,Z226,则:

压力角：200

/N

I

18

分度圆直径：d]mZl11.5

d2mZ213o

齿顶高：ham0.5o

齿根Bj：hf1.25m0.625o

齿全高：h2.25m1.125o

顶隙：c0.25m0.125。

齿顶圆直径：daldl2ha11.5112.5,

d

齿根圆直径：d

d

a2fld22ha13114,dl2hf11.51.2510.25,

d22hf131.2511.72。0f2基圆直径：dbldlcos11.5cos2010.81

db2d2cos13cos2012.22«

0.785。1（）（11.513）12.25O2dld20齿距：Pm1.57。齿厚：

Sm2标准中心距：a

齿宽：b10m5。

3.5滚轮压簧设计

3.5.1弹簧概述

弹簧是一种弹性元件，它广泛应用在各种机器中。和多数零件的要求相反，弹簧要求刚

性小、弹性高，受外力后能有相当大的变形，而随着载荷的卸除，变形消失，能恢复原

状。弹簧的功用有：（1）缓冲及减振，例如车辆弹簧.，各种缓冲器或弹性联轴器中的弹

簧（2）控制机构的运动或零件的位置，例如凸轮机构、摩擦轮机构、离合器、阀门以及

各种调速器中所用的弹簧；（3）贮存能量，例如钟表、仪器中的弹簧；

19

（4）测量力和转矩，例如弹簧秤及发动机示功器中所用的弹簧等。

图3-16

弹簧的类型很多，根据外形来分，弹簧主要有板弹簧和螺旋弹簧两种。板弹簧是由几片

宽度相同长度不同的弹簧钢板叠合而成，如图（3-16）所示。螺旋弹簧是用金属丝按螺旋

线卷绕而成。由于用圆截面金属丝绕成圆柱形的螺旋弹簧制造简便，因此它在机器中应用

最广,如图3-17、3-18和3T9所示。

根据所承受的载荷类别不同螺旋弹簧可分为：（1）拉伸弹簧（图3-17）用来承受轴向

拉力；（2）压缩弹簧（图3-18）用来承受轴向压力；（3）扭转弹簧（图3-19）用来承受

转矩。

图3-17图3-18

拉伸弹簧的末端形状要根据装配情况而定，如图3-17所示为几种常用的结构，其中图

3T7b、c所示的结构较好，其末端的弹簧丝不至于如图3T7a所示那样因弯扭而降低其强

度，但成本较高。

20

图3-19

图17所示为压缩弹簧的典型端部结构，其中图17a所示的端部不磨平，37但两端各

有〜圈并紧，使弹簧站得平直，这几圈不参预工作变形，44

称为支承圈（又称死圈）。重要用途的压缩弹簧端部结构应

如图17b所示，它不仅有支承圈，并且末端磨平。

图3-19所示为扭转弹簧两端用以传递转矩的儿种挂钩形式。

3.5.2弹簧的制造、材料和许用应力

（1）.弹簧的制造

螺旋弹簧的制造过程包括:卷绕、两端面加工（指压缩弹簧）或挂钩的制作（指拉伸弹簧和

扭转弹簧），热处理和工艺性试验等。

大量生产时，卷绕工作在自动机床上进行;小批生产则常在普通车床上或者用手工卷绕

器在心轴上卷制。弹簧的卷绕方法可以分冷卷和热卷。当弹簧丝直径小于或等于8mm时常

用冷卷方法。冷卷时将预先热处理好的材料在常温下卷成，,般不再淬火，只加以低温回

火消除内应力。弹簧丝直径较大而弹簧直径较小的弹簧则常用热卷，卷成后必须进行淬火

与回火处理。弹簧在卷绕和热处理后要进行表面检验及工艺性试验来鉴定弹簧的质量。

弹簧制成后如再进行特殊处理（如强压处理或喷丸处理），可以提高弹簧的承载能力和疲

劳寿命。

（2）.弹簧的材料

弹簧在机器中常起着重要的作用，常承受交变载荷和冲击载荷，所以对弹簧的材料提出

较高的要求，一般应具有高的弹性极限、疲劳极限、

21

一定的冲击韧性、塑性和良好的热处理性能等。常用的弹簧材料有优质碳素钢、合金

钢、不锈钢和有色金属合金。

碳素弹簧钢价廉又易于获得，故应用最广，如65、70、85等碳素弹簧钢，经热处理后

力学性能较好，但当弹簧丝直径大于12mm时、不易淬透，故仅适用于制造小尺寸的弹

簧。

承受变载荷和冲击载荷的弹簧应采用合金弹簧钢，常用的有硅镒钢和铭锐钢等，但价格

较贵。

在潮湿、酸性或其他腐蚀性介质中工作的弹簧，宜采用有色金属合金，如硅青铜、锡青

铜等。也还有用工程朔料制造弹簧。

表3T碳素弹簧钢丝的抗拉强度s（Mpa）

注：B级适用于低应力弹簧；C级适用于等应力弹簧；D级适用于直径范围为6晒以下的

高应力弹簧。

选择弹簧材料时应充分考虑弹簧的工作条件(载荷的大小及性质，工作温度和周围介质

的情况)、功用、重要性和经济性等因素。一般应优22

先采用碳素弹簧钢丝。

(3).弹笠的许用应力

影响弹簧许用应力的因素很多，除了材料种类外，还有材料质量、热处理方法、载荷性

质、弹簧的一「作条件和重要程度以及弹簧丝的直径等。通常，按载荷性质弹簧可分为三

类：I类-----受变载荷作用次数在10次以上或很重要的弹簧，如内燃机气门弹簧、电

磁闸瓦制动器弹簧；II类——受变载荷作用次数在10〜10次及受冲击载荷的弹簧，如调

速器弹簧、一般车辆弹簧；III类------受变载荷作用次数在10次以下的，即基本上受静

载荷的弹簧，如一般安全阀门弹簧、摩擦式安全离合器弹簧等。

3.5.3强度计算：

最大工作负荷：P20.92kg。

工作行程：L10mm。

选取材料为65Mn„

(1).由《光学仪器设计手册》表T-6查得P20.8P3所以允许极限负荷P3弹簧设

计取P1120.921.15kg则最小工作负荷P1(〜)P3330.83635111.150.383kg

P333

(2).查表7-9进行初选

P20.90kg

(3).弹簧车冈度P31.13kgP'10.23kg/mmD8mmd0.6mmt4.12mm

P，21

L0.920.3830.053710

(4).弹簧压数

nP'1

10.325.96圈6圈0.053723

(5)•实际钢度

P'10.32

n60.053kg/mm

(6).最小工作负荷

P，

1P2PL0.920.053100.39kg

(7).端部结构选为：并紧摩平。总圈数nl628圈

(8).自由高度

Hnt1.5d64.121.50.625.26mm

(9).最大工作负荷下的变形量F2.9

2P0

0.05316.98mm

(10).最小工作负荷下的变形量F10.383

1P'0.0537.23mm

(11).最大工作负荷下的高度

H2HF225.6216.988.64mm

(12).最小工作负荷下的高度HlHFl25.627.2318.39mm

(13).弹簧展开长度

D2Dd80.67.4mm

LD2n3.147.46139.49mm24

第四章光电探头的设计

4.1光电部分的总体设计

4.1.1光电部分的构成

图4-1

1.步进电机2.联轴器3.支撑

4.连接板5.螺钉6.探头木体

7.螺钉8.压圈9.直角反射棱镜

10.视窗11.螺钉12.套筒

13.CCD摄相头14.压圈15.CCD套筒

16.本体后盖

4.1.2光电部分的工作过程

如上图所示为，光电部分的总体结构图。光电部分在进行测量时，由步进电机带动光电

探头进行旋转。光源发出光线打到反射棱镜上，光线经过棱镜照射到管壁上，然后管壁反

射回来的光线又经过反射棱镜，最后照射到CCD摄相头ho

4.2光电探头结构方案选择

管道内表面经喷沙处理后，形成的粗糙度是分段均匀的，既钢管的25

喷沙端口最粗糙，中部较细，末端最细。因为是强力喷沙，所以管道内表面粗糙度再同

一断面是均匀的。因此，我们有三种设计思想：

(1).光电探头旋转扫描360。，其特点是取样概率大，准确度高，但由于旋转一周扫

描给扫描信号电缆的处理带来了困难，在实际应用中即复杂又不经济，且各断面粗糙度基

本均匀，不必要360°的旋转。

(2).光电探头旋转扫描90°,即牵引车一次制动时，光电探头向一个方向旋转

90°,在下一次制动时光电探头再向相反方向旋转扫描90°,以此类推来实现对整个管

道内壁的完整测量，其优点可避免360。扫描电缆带来的弊端，而且取样概率可以较好的

满足设计要求。

(3).光电探头进行45°扫描，其中优点是可以消除电缆缠绕的影响，扫描概率满足要

求，但电机反转次数多且每次制动后扫描时间长，工作效率底。

经比较，选择第二种方案。根据技术要求设计仪器。

4.3光电探头的光学系统设计

4.3.1光学系统的结构

图4-2光学原理图

1.直角反射棱镜2.光源3.CCD摄相头

4.3.2光学系统的工作过程

光学系统原理如上图所示，光源发出的光经直角反射棱镜反射至钢管表面，钢管表面反

射的光信息经直角反射棱镜后打在CCD摄相头上，26

CCD摄相头把反映钢管内表面质量的光信号转变为电信号，传递到计算机系统。经微机

处理，由适当的软件对图象信息进行分类识别，最后由打印机打印出。被测钢管内表面的

粗糙度可以由微机屏幕适时显示出来。

在光电探头中的反射棱镜也可以选用梯形反射棱镜。但在选用梯形棱镜时，最好在棱镜

与CCD接收设备间加装透镜组。而且，梯形棱镜比直角棱镜的制造工艺复杂，所以选择直

角棱镜。在本设计中由于要缩小光电探头的整体体积，而且当CCD摄相头接收表面与直角

棱镜的棱之间的距离在20cm以内时，在CCD摄相头与棱镜之间不用安装透镜系统。考虑

到该仪器可能要对多种直径的管道进行测量，所以将CCD摄相头装在螺纹套筒上，以便调

节CCD摄相头与棱镜之间的距离。

4.4CCD的基本原理及特性

4.4.1CCD的基本原理

同其它光电效应探测器•样，CCD技术也以光电效应为基础。同的是，CCD是以电荷而

不是以电流或电压作为信号。构成CCD与大多数光电器件的基本单元是MOS（金属一氧化物

一半导体）结构（图4-3）o在一定的偏压下，MOS结构成为可存储电荷的分立势阱。当光照

射到硅片上时，光电效应产生的电荷将存储在MOS势阱中。这些势阱构成了CCD的探测微

元。将按••定规则变化的电压加到CCD的各电极上时，电极下的电荷将沿半导体表面朝•

定方向移动。所谓电荷藕合便是指势阱中的电荷从一个电极移向另一个电极的过程。

一个CCD芯片由几百至上万个光敏微元组成，这些微元组合成线阵或面阵的CCD探测器.

当被测目标的光信号通过光学系统在CCD光

图4-3

敏元上成像时，CCD器件便将光敏元上的光信号转换成与光强成正比27

例的电荷量，用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，在CCD的输出端便可获得被测目

标的视频信号.视频信号中每一个离散信号的大小对应着一个光敏元所接收光强的强弱，

而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序.CCD用自身电子扫描方式完成了信息从空

间域到时间域的转换。

在实际应用中，一个CCD检测系统包括以下几个部分，光学成像物镜、CCD敏感元件、

CCD驱动器、视频处理器、计算机接口及图像处理软件.图4-4是一个用线阵CCD作为光

电转换器，通过机电混合扫描方法获得二维图像的检测系统示意图

图4-4

4.4.2CCD的主要特性

CCD具有体积小、重量轻、功耗低、坚固耐用、输出方便、抗外界干扰性强等特征.但是

CCD的优良性能远不止这些，CCD在光谱学以及多道分析中的应用则和其具有的以下重要

特性有关：

（1）光谱响应范围宽-般的CCD器件可工作在0.4-1.1}cm的波长范围内，最大响应

约在0.9}m.在紫外区，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但采用背部照射减薄的

CCD,工作波长极限可达0.1m»

（2）灵敏度高.CCD具有很高的单元光电量子产率，正面照射的CCD的量子产率可达

20%,若采用背部照射减薄的CCD,其单元量子产率高达90%以上.另外，CCD的暗电流很

小，检测噪声也很低.因此，即使在低照度（10-Zlx）下，CCD也能顺利完成光电转换和信号

输出.

（3）动态响应范围宽.CCD的动态响应范围在4个数量级以上，最高可达8个数量级。

（4）光敏元的几何位置精度高，因此CCD非常适合于几何尺寸的测量.

（5）容易与计算机联机，从而组成一个功能强大的自动化测量系28

统.

另外，CCD还具有抗过度曝光的性能.过强的光会使CCD的光敏元饱和，但不会导致芯片

损坏，而且CCD的积分时间可以从几毫秒到上千秒，用户可根据实际情况任意选择。选择

小的积分时间（如20ms）,CCD有可能应用于某些快速反应研究过程中。由于CCD的暗电流

很小，因此在许多应用情况下，可以在室温下使用而不必配备冷却系统。与PDA、PMT的

性能比较

作为多道集成光信号检测器，PDA（光电二极管阵列）和CCD在灵敏度和动态范围上皆优

于传统的光子计数光电倍增管（P.MT）,CCD与PDA的共同特性是它们都能存储光照射到检测

器上所产生的光致电荷，这一点与PMT不同.对于PMT,光照射到阴极

将产生一个光电流.

与PMT相比，CCD与PDA具有可进行多道分析的天然优势，而且在波长选择，操作可靠

性等方面也优于PMT.

CCD与PDA相比，在弱光检测方面前者明显优于后者，在过去几十年中，PDA在光谱分

析应用中受到普遍的重视，与其具有的多道特性及其具有较高的量子产率和测定强光能力

有关.但PDA的暗电流和噪声依然较大，从而限制了它在微弱光信号检测领域的应用。另

外，CCD的价格远低于PDA,因此，与PDA相比，CCD是一种更灵敏，更廉价的多道阵列式

检测器。

4.5光电接受器件CCD的选择

要检验管道内表面喷砂除锈后锚绞度的A,AB,B,BC,C五个级数，采用运算速度高，

容量大的IBM386微型计算机。管道内表面粗糙不平的深度为0.02~0.01mm,为此我们选

用象速间距为0.014mm象数为512位/m线阵CCD器件，则CCD器件的阵列长BM度为：

AL0.0145127.168mm

光电探头对每一检测位置作90°扇形扫描，则对内径60的钢管每次扫描的弧长为：

29

L2R3600023.14300.2547.1mm

则每次扫描的面积为：

300.257.168339.12mm2

4.6扫描电机的选择

光电探头在每前进1米后作90°旋转扫描。扫描后所获得的光信号由512象素的CCD器

件接受并转换电信号输入IBM386微型计算机中处理。为与接受器件CCD的转换速度相匹

配。我们选用了42BYGH型步进电机作为光测头旋转扫描的电机。查电机手册可知：

电机的步距角选为每步15°。

空载起功率为3000步/秒

最大静转距为2kg-cm则每次扫描所用时间为：T

1.50010.02秒300030

第五章微机控制与图象处理系统

微机控制与图象处理系统的设计包括硬件系统设计和软件系统设计两部分。

5.1微机硬件系统设计

微机硬件系统设计为图象数字化设备、图象处理器和输出装置三部分。系统结构原理如

图5-1以下为其设计要点。

5.1.1系统主机

计算机是系统的核心。除作为主控系统外，其更重要的用途是作为图象处理器。主要功

能是对数字化后的图象进行各种形式的运算处理。对其要求是通用性强、运算速度快、具

有相当规模的存储量和丰富的软件功能。为此，本系统选用了IBMPC/AT286机，并利用

其CRT彩色监视器和外设打印机作为输出装置。

图5-1硬件系统结构原理图

5.1.2图象数字化设备

图象数字化设备由光电测头及其控制电路、视频放大器、采样保持器和A/D转换器组

成。

在光电测头中，采用CCD作为图象传感器。本系统利用软硬件控31

制接口设计了集成化的CCD驱动电路，可用来提供CCD在获取信号过程中所需要的五种

主要驱动信号满足了CCD在高频条件下进行快速图象扫描的要求。光电测头和牵引车的传

动控制由位移动控制电路完成。视频放大器的功能是对CCD输出的微弱信号进行直流分

量恢复和共模干扰噪声的抑制并进行放大处理，以满足A/D转换器对电压幅度的要求。采

样保持电路S/H的功能是在指定的时刻内对输入信号进行采样处理，并将采样电平保持下

来成为离散信号。系统中的A/D转换器可对输入信号按幅度大小进行量化和编码，然后

输出符合计算机要求的数字信号。考虑到CCD的视频输出大约为L25us/象素，为了与

之匹配，选择了采样保持时间和转换时间均小于1口s的AD-585高速采样保持器和AD-

7821八位高速A/D转换器，以获得象素可分为256个灰度等级的数据输出。

5.1.3接口控制电路

为满足系统在数据采集、信号处理和CRT显示刷新过程中贮存容量的要求，设计了一个

存储量为256KB的图象存储器，可以用来贮存一帧512