專利名稱：鋼絲繩芯輸送帶x光在線檢測(cè)探測(cè)器及信號(hào)采集處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)損X射線在線探測(cè)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器及其信號(hào)采集處理方法。
背景技術(shù)：
澳大利亞學(xué)者A.哈里森首次提出了根據(jù)電磁感應(yīng)原理對(duì)強(qiáng)力輸送帶實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的方法，并研制出CBM強(qiáng)力輸送帶鋼繩芯探測(cè)裝置。這種方法在1982-1987年被用于德國(guó)、南非、加拿大、美國(guó)等地的采礦工業(yè)。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使對(duì)有危險(xiǎn)的和高張力鋼繩芯輸送帶的檢測(cè)成為可能。我國(guó)的中科院力學(xué)所、煤科總院上海分院、太原理工學(xué)院等單位利用相似的原理研制出強(qiáng)力輸送帶鋼繩芯探測(cè)裝置。但采用該方法所研制的裝置只能給出檢測(cè)結(jié)果曲線，大致測(cè)出鋼繩芯輸送帶斷裂的位置和程度，不能直接顯示輸送帶的內(nèi)部圖像， 探傷周期較長(zhǎng)、其精確位置和詳細(xì)狀況還要輔助設(shè)備來(lái)判斷，存在準(zhǔn)確性差、顯示不直觀、 不能遠(yuǎn)程檢測(cè)等缺點(diǎn)，而且當(dāng)帶內(nèi)有縱向撕裂保護(hù)絲網(wǎng)時(shí)，更不能探測(cè)。1993年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制了基于X光探測(cè)原理的強(qiáng)力輸送帶的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)受當(dāng)時(shí)的軟硬件技術(shù)的限制，存在輸送帶圖像處理速度慢、實(shí)時(shí)性差、精度低(分辨率為2. 5mmx2. 5mm)、不具備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。專利申請(qǐng)200610015797. 8提供了一種強(qiáng)力輸送帶無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置只有一路A/D，因此限制了其掃描速度。此外該系統(tǒng)將采集到的信號(hào)直接輸入微機(jī)系統(tǒng)，利用微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存在不能進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)輸送帶圖像以及硬件實(shí)現(xiàn)成本高的缺陷。在強(qiáng)力輸送帶運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，安全規(guī)程要求對(duì)強(qiáng)力輸送帶進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。但現(xiàn)有的檢測(cè)手段存在可靠性差，不能準(zhǔn)確定位，掃描速度慢，不能進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)強(qiáng)力輸送帶圖像等缺點(diǎn)，所以這一規(guī)程并未得到很好的落實(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出一種鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器及其信號(hào)采集處理方法。主要包含兩個(gè)方面內(nèi)容一是鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)；二是基于以上結(jié)構(gòu)的X光像元信號(hào)采集處理方法。1.鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器包括光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理采集模塊和 ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理傳輸模塊。光電轉(zhuǎn)換模塊包含4組光電轉(zhuǎn)換板，每組通過(guò)串聯(lián)的方式連接多塊(最多8塊) 光電轉(zhuǎn)換板，產(chǎn)生1路串行電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換板主要由二氧化鈦(TiO2)涂層、閃爍晶體、光電二極管陣列(包含64個(gè)光電二極管)、放大電路和通道選擇電路組成，其組成框圖見(jiàn)附圖 2。光電轉(zhuǎn)換模塊的工作過(guò)程接收到的X光經(jīng)二氧化鈦涂層濾除自然光以消除自然光對(duì)閃爍晶體的影響后，照射在閃爍晶體上；閃爍晶體是一種感光材料碘化銫(Csl)，可將X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光；可見(jiàn)光經(jīng)光電二極管陣列轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，由一級(jí)放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送給二級(jí)放大電路；二級(jí)放大電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行低壓差分放大后，送給通道選擇電路； 通過(guò)通道選擇電路控制各路低壓差分信號(hào)依次輸出至信號(hào)調(diào)理采集模塊。信號(hào)調(diào)理采集模塊主要由4組信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成，其組成框圖見(jiàn)附圖3。信號(hào)調(diào)理電路是由一級(jí)運(yùn)算放大器、低通濾波器和二級(jí)運(yùn)算放大器組成；A/D轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的ADS8422芯片，以16位并行數(shù)據(jù)格式輸出數(shù)字信號(hào)，采樣速率為4MSPS。 信號(hào)調(diào)理采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)X光信號(hào)轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字信號(hào)給信號(hào)處理傳輸模塊。信號(hào)處理傳輸模塊主要由FPGA、ARM9和以太網(wǎng)接口等電路組成，其組成框圖見(jiàn)附圖4。FPGA電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集控制、A/D轉(zhuǎn)換控制和均一化處理功能。ARM用來(lái)計(jì)算校正算法的系數(shù)，并將計(jì)算完成的系數(shù)通過(guò)總線寫入FPGA。ARM接收FPGA處理完成的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行中值濾波處理，處理完成后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到PC機(jī)。2.基于上述硬件結(jié)構(gòu)的X光像元信號(hào)采集處理方法該部分包含A/D采樣控制、像元數(shù)據(jù)均一化處理、像元數(shù)據(jù)中值濾波三部分內(nèi)容。2. 1A/D采樣控制FPGA內(nèi)部X-CARD時(shí)序控制模塊和A/D采樣控制模塊是由有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換見(jiàn)附圖5，主要包含復(fù)位、發(fā)出轉(zhuǎn)換信號(hào)、讀忙信號(hào)判別、片選、讀A/ D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)等狀態(tài)。2. 2像元數(shù)據(jù)均一化處理在線陣探測(cè)器應(yīng)用中，期望光輻照強(qiáng)度相同的情況下，各個(gè)像元的響應(yīng)或者輸出是一致的。但是實(shí)際的情況不是這樣在同樣強(qiáng)度的光的照射下，或者說(shuō)探測(cè)器上方遮擋同樣厚度同一種物體的情況下，探測(cè)器的各個(gè)像元的響應(yīng)存在差異。這就是所謂的探測(cè)器的
非均一性。線陣探測(cè)器的像元響應(yīng)可以由式(1)來(lái)表示，Yi表示第i個(gè)像元的輸出，Φ表示照射到第i個(gè)像元的光的強(qiáng)度，Ri表示該像元對(duì)光的轉(zhuǎn)換效率，Xitl表示該像元的本底噪聲。Yi = Ri* φ+Xio(1)首先，線陣探測(cè)器每個(gè)像元的Xitl是不一樣的，主要原因有兩個(gè)，一是每個(gè)二極管的暗電流不同，二是每個(gè)二極管后級(jí)的運(yùn)放電路存在差異。其次，每個(gè)像元之間的氏是不一樣的，主要是每個(gè)像元由于工藝的原因存在差異， 如像元尺寸大小不一致、像元內(nèi)部參數(shù)存在差異等。事實(shí)上每個(gè)像元的氏本身也不是常數(shù)， 是隨著Φ的大小而變化的。最后，在X光光源發(fā)出同樣強(qiáng)度的光的情況下，到達(dá)各個(gè)像元的光的強(qiáng)度也是不一樣的，因?yàn)楣庠吹礁鱾€(gè)像元的距離是不一致的。X光束流的強(qiáng)度按照X光的出射角度進(jìn)行分布，即出射角度越小，光的強(qiáng)度越大，因此到達(dá)線陣探測(cè)器的中間的像元的光的強(qiáng)度要大于到達(dá)兩邊的光的強(qiáng)度，這也是引起探測(cè)器非均一性的一個(gè)因素。探測(cè)器的非均一性的后果是檢測(cè)得到的圖像存在灰度不一的條紋，嚴(yán)重影響了圖像的質(zhì)量。探測(cè)器的非均一性校正的目的是讓探測(cè)器在同樣光強(qiáng)度輻照下，探測(cè)器的各個(gè)像元的響應(yīng)一致。目前國(guó)內(nèi)外有很多文獻(xiàn)對(duì)線陣探測(cè)器的像元非均一性的校正算法進(jìn)行了研究。主要可以歸結(jié)為兩種算法一是兩點(diǎn)校正法，兩點(diǎn)校正法是目前工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的一種校正方法。二是分段插值校正法，分段插值校正法是兩點(diǎn)法的細(xì)化與深入，具有更精確的校正效果。本發(fā)明是在分析了以上算法的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特性情況下提出一種基于探測(cè)器響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正法。該方法是分段插值校正法進(jìn)一步細(xì)化并縮減了運(yùn)算量。兩點(diǎn)校正算法兩點(diǎn)校正法的原理如下，對(duì)式(1)加入光強(qiáng)度的角分布的因素，則式(1)可以改寫為式O)。θ是像元與射線源的夾角，F(xiàn)( θ)是根據(jù)夾角計(jì)算出的系數(shù)。Yi = F ( θ ) *氏* φ +Xi0(2)兩點(diǎn)校正法的前提是假設(shè)每個(gè)像元的氏與F( θ )是一個(gè)常數(shù)，即每個(gè)像元的響應(yīng)是一條直線，各個(gè)像元響應(yīng)直線的斜率與截距是不一樣的。校正的方法是每個(gè)像元的響應(yīng)先減掉本底噪聲，使截距變?yōu)榱?，然后不同像元乘上相?yīng)的校正系數(shù)，使像元響應(yīng)的斜率變?yōu)橐恢?。各個(gè)像元的校正系數(shù)計(jì)算公式如式(3)，校正后輸出如式0)。Kl = ^zIL(3)
Yh,- YhY1 = K(Y1-Y1O)(4)式C3)中％為探測(cè)器沒(méi)有遮擋，開X光源情況下，采集到的所有像元輸出的均值， Yhi為第i個(gè)像元的輸出值。Yl為關(guān)閉光源，所有像元輸出的平均值，Yli為第i個(gè)像元的輸出值。Ki為第i個(gè)像元的校正系數(shù)。式0)中 Ι為第i個(gè)像元校正后的輸出。具體校正過(guò)程可由附圖8表示，附圖8 (a)表示三個(gè)點(diǎn)的響應(yīng)，橫坐標(biāo)為照射到探測(cè)器的光的強(qiáng)度Φ (Φ 與探測(cè)器上方遮擋的物體的厚度d成線性比例關(guān)系)，縱坐標(biāo)為探測(cè)器的輸出。附圖8(b) 表示去掉本底噪聲之后的響應(yīng)，附圖8(c)表示三個(gè)點(diǎn)的響應(yīng)乘上各自校正系數(shù)后校正完成。顯然，兩點(diǎn)校正法在探測(cè)器響應(yīng)為線性的前提下，無(wú)論是由于像元的本身差異引起的圖像不一致還是由于光的強(qiáng)度分布引起的圖像不一致，都可以得到完全校正。但是探測(cè)器的響應(yīng)一般呈非線性，即式中的禮與？(9)都不是一個(gè)常數(shù)。在考慮到探測(cè)器響應(yīng)為非線性的情況下，一種新的校正方法被提出，分段插值校正法。分段插值校正算法分段插值校正法是把非線性校正簡(jiǎn)化為分段線性的一種校正方法，式(5)為其校正公式，式中XJOhXi(Ok)、Xi (Φ -l)表示第i個(gè)探測(cè)單元在光輻射強(qiáng)度為φ、ΦΚ Ok-I情況下的輸出，_。、_為所有探測(cè)單元在光輻照強(qiáng)度為Φ1 -1、Φ1 情況下輸出平均值，也就是在這種情況下的校正輸出值，Υ (Φ)為第i個(gè)探測(cè)單元校正后的輸出。顯然，式( 表示的意義是在求取了光輻照強(qiáng)度為Ok與Φ -l兩種情況下第i個(gè)探測(cè)單元的輸出值與校正后的輸出值后進(jìn)行線性插值來(lái)求取光輻照強(qiáng)度在Ok與Φ -l之間的第i 個(gè)探測(cè)單元的輸出值。從本質(zhì)來(lái)說(shuō)，分段插值校正法其實(shí)就是分段兩點(diǎn)校正法。Υ,(φ) =k “ ？ (Χ^k - 0)
Λ \{φ k)-X \{φ k - 1)+ Y (盧 t - ι)(5)首先將探測(cè)器響應(yīng)分為若干段，求出每段的兩個(gè)端點(diǎn)的校正輸出值，然后通過(guò)線性插值來(lái)求該線段內(nèi)各種輸出下的校正輸出值。
校正的具體實(shí)現(xiàn)分為兩步一是定標(biāo)，即求取校正公式(5)中的各個(gè)校正系數(shù)；二是校正，即運(yùn)用公式(5)，對(duì)每個(gè)像元輸出值進(jìn)行校正。定標(biāo)過(guò)程如下假設(shè)將探測(cè)器響應(yīng)分為η段，則需要制作厚度為(Kl)、cK2)、d(3) 直到d(n-l)的n-1塊探測(cè)器遮擋板，在放置不同厚度遮擋板時(shí)使探測(cè)器受光的輻照強(qiáng)度不一。放置厚度為d(k-l)的遮擋板，采集N次線陣探測(cè)器輸出，將i個(gè)像元的輸出求和后取均值就可以得到Xi(Ok-I),將N次線陣探測(cè)器輸出的所有像元的值求和后取均值，就可以得到f^FT)，同樣方法可以計(jì)算Xi (Φ10、_。校正過(guò)程如下探測(cè)像元輸出值根據(jù)Ji(Ok-I)Ji^k)等值分為η段，在探測(cè)器正常工作時(shí)根據(jù)i個(gè)探測(cè)像元的輸出值確定分布在那一段，將該段校正系數(shù)代入上式( 對(duì)該像元輸出值進(jìn)行校正。分段插值校正法考慮了探測(cè)器的響應(yīng)的非線性，校正精度越高。但是存在如下問(wèn)題一分多少段合適，分段多，校正精細(xì)，運(yùn)算量大，分段少，校正效果不好；二如何選擇分段點(diǎn)，是在光強(qiáng)度范圍均分，還是其他分段方法。基于以上考慮，本文提出了基于響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正法。基于響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法基于響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法為本發(fā)明提出的一種新的校正算法。研究表明探測(cè)器的響應(yīng)一般呈S曲線，如附圖9所示，即探測(cè)器的響應(yīng)曲線可以分為三段光的強(qiáng)度比較弱的時(shí)候；光的強(qiáng)度比較強(qiáng)，探測(cè)器響應(yīng)接近飽和的時(shí)候，探測(cè)器響應(yīng)曲線的斜率較??；在光強(qiáng)為中間值時(shí)，探測(cè)器響應(yīng)基本為線性?；谝陨涎芯?，本文提出一種基于“S”型響應(yīng)模型的三點(diǎn)分段校正法，即對(duì)探測(cè)器響應(yīng)曲線分為三段進(jìn)行逼近校正，具體的校正公式為公式(5)。分段的位置為S曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)(附圖9中Φ1、Φ2兩個(gè)點(diǎn))，具體數(shù)值通過(guò)探測(cè)器響應(yīng)曲線的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。校正過(guò)程同樣分為兩步，標(biāo)定和校正。與分段插值校正法不同之處是在標(biāo)定過(guò)程中首先確定兩個(gè)響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)。具體過(guò)程如下將探測(cè)器的遮擋物的厚度逐步增加，使探測(cè)器接收到的光強(qiáng)逐步減弱，得到附圖9中的Φ值，同時(shí)將探測(cè)器所有像元的輸出值進(jìn)行均值計(jì)算，計(jì)算的值作為附圖9中的Y值，這樣就可以得到探測(cè)器的響應(yīng)曲線。根據(jù)曲線確定Υ1、Υ2的值，同時(shí)求取在Υ1、Υ2兩種情況下每個(gè)像元的均值\ (1) ^Xi (2)，由\ (1) ,Xi (2) 來(lái)確定每個(gè)像元的分段點(diǎn)。其余的校正實(shí)現(xiàn)與分段插值校正法一樣。這種校正算法按照探測(cè)器的響應(yīng)將響應(yīng)曲線分為三段，一是非常好的逼近了探測(cè)器的響應(yīng)曲線，精度比較高。二是計(jì)算量也比較小，適合實(shí)時(shí)性要求比較高的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用?；陧憫?yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法的FPGA實(shí)現(xiàn)線陣探測(cè)器像元數(shù)據(jù)采集與處理的平臺(tái)結(jié)構(gòu)為ARM+FPGA，ARM采用三星公司ARM9 系列的S3C2440A，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司spartan；^系列FPGA。ARM與FPGA之間通過(guò)總線進(jìn)行通信，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與校正，校正完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部一塊雙口 RAM里， ARM讀取FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件將數(shù)據(jù)顯示為圖像。具體算法實(shí)現(xiàn)如附圖6所示，系統(tǒng)是四路A/D并行采樣、處理，附圖6中畫出了一路信號(hào)的采集與處理情況，其他三路算法的實(shí)現(xiàn)方式與此完全相同的。首先是用一個(gè)狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)A/D 的控制與數(shù)據(jù)的采樣，ROM(I)內(nèi)部存儲(chǔ)各個(gè)像元的分段值，通過(guò)分支判斷模塊來(lái)判定本次采集的數(shù)據(jù)應(yīng)該用哪一段的校正公式進(jìn)行校正，減法器是實(shí)現(xiàn)式(5)中減去Xi(Ok-I)的運(yùn)算，R0MQ)、R0M(3)、R0M(4)內(nèi)部存儲(chǔ)三個(gè)分段的乘法系數(shù)，即式(8)中的比值部分的數(shù)值，加法器是實(shí)現(xiàn)式(8)加 ^Γ)的運(yùn)算，最后的數(shù)據(jù)寫入雙口 RAM，由ARM通過(guò)總線讀取。2. 3像元數(shù)據(jù)中值濾波像元數(shù)據(jù)中值濾波有ARM實(shí)現(xiàn)，ARM讀取FPGA均一化數(shù)據(jù)后進(jìn)行中值濾波處理，中值濾波節(jié)數(shù)可以通過(guò)PC機(jī)指令進(jìn)行設(shè)定，處理消除了探測(cè)器的噪聲，使圖像清晰度加強(qiáng)。3.本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)及其信號(hào)采集處理方法的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)(1)容易擴(kuò)展，可以根據(jù)被測(cè)物體的寬度擴(kuò)展探測(cè)器長(zhǎng)度。(2)并行采集，提高了數(shù)據(jù)采集速率，有助于探測(cè)器分辨率的提高。(3)ARM+FPGA的處理器架構(gòu)對(duì)算法快速實(shí)現(xiàn)。提高數(shù)據(jù)處理速度。信號(hào)采集處理方法的優(yōu)點(diǎn)(1)算法精度較高。(2)算法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算量較小，利于探測(cè)器實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。


圖1是鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)系統(tǒng)，其中虛線框內(nèi)的為本發(fā)明的鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器。圖2是光電轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)框圖。圖3是A/D采樣模塊結(jié)構(gòu)框圖。圖4是ARM+FPGA的信號(hào)采集與處理模塊。圖5是控制A/D的狀態(tài)機(jī)。圖6是基于響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法的FPGA實(shí)現(xiàn)。圖7是響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法的處理效果圖。圖7. 1是未進(jìn)行處理的圖像， 圖7. 2是處理完成的圖像。圖8是兩點(diǎn)校正法的示意9是基于探測(cè)器響應(yīng)曲線的三點(diǎn)分段校正算法示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述圖1是高速X射線強(qiáng)力輸送帶檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明的鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器為虛線框內(nèi)部分。X射線發(fā)生器產(chǎn)生的X射線穿過(guò)運(yùn)行著的強(qiáng)力輸送帶，照射到高速X射線探測(cè)器。 高速X射線探測(cè)器用于對(duì)透過(guò)強(qiáng)力輸送帶的X射線進(jìn)行接收、處理及傳輸。首先光電轉(zhuǎn)換模塊的硅光電二極管一維陣列將強(qiáng)力輸送帶內(nèi)鋼繩芯的投影圖像光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。然后電信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理采集模塊進(jìn)行模擬信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再送入信號(hào)處理傳輸模塊進(jìn)行圖像數(shù)字信號(hào)的前端處理，然后信號(hào)處理傳輸模塊通過(guò)以太網(wǎng)接口將處理后的信號(hào)傳輸?shù)絇C機(jī)中進(jìn)行后端處理和顯示。PC機(jī)中裝有X射線強(qiáng)力輸送帶檢測(cè)系統(tǒng)軟件，包括初始化，輸送帶圖像顯示、存儲(chǔ)、檢索，結(jié)果分析與報(bào)警和以太網(wǎng)通信模塊。該軟件除了能進(jìn)行圖像處理的基本功能和對(duì)圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示外，還能夠運(yùn)用各種算法對(duì)強(qiáng)力輸送帶鋼繩芯的接頭伸長(zhǎng)、銹蝕、斷裂等情況進(jìn)行提取和判斷，并在超標(biāo)時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。圖2是光電轉(zhuǎn)換模塊框圖。光電轉(zhuǎn)換模塊每四個(gè)為一組，組內(nèi)模塊之間以串行方式連接，最多可分為四組，每組與X射線數(shù)據(jù)采集模塊并行連接。每組X射線光電轉(zhuǎn)換模塊以并行方式與X射線數(shù)據(jù)采集模塊連接。X射線數(shù)據(jù)采集模塊同樣以并行方式與X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊連接，一個(gè)X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊最多可與6個(gè)X射線數(shù)據(jù)采集模塊并行連接。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)檢測(cè)的皮帶的寬度，來(lái)決定采用X射線光電轉(zhuǎn)換模塊和 X射線數(shù)據(jù)采集模塊的個(gè)數(shù)。每個(gè)X射線光電轉(zhuǎn)換模塊有32或64個(gè)光電轉(zhuǎn)換通道，即32或64個(gè)象素，象素間距最小為0. 8mm。它利用硅光電二極管陣列將探測(cè)器吸收的X射線轉(zhuǎn)換為與之能量和流量成正比的電流信號(hào)，然后進(jìn)入X射線數(shù)據(jù)采集模塊。X光數(shù)據(jù)采集模塊由多路開關(guān)及信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換器和時(shí)序控制器組成。首先通過(guò)多路開關(guān)和信號(hào)調(diào)理電路，將輸入的包含有強(qiáng)力輸送帶信息的模擬電壓并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)。模擬電壓信號(hào)然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并得到16位數(shù)字信號(hào)。其中時(shí)序控制由FPGA完成，用于產(chǎn)生精確的時(shí)序信號(hào)來(lái)控制多路開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換工作。圖3是信號(hào)調(diào)理采集模塊框圖。信號(hào)采集模塊主要由4組信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)X光信號(hào)轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字信號(hào)給信號(hào)處理傳輸模塊。圖4是ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理傳輸模塊框圖。處理平臺(tái)為ARM+FPGA。FPGA實(shí)現(xiàn)A/D的采樣、數(shù)據(jù)處理，ARM實(shí)現(xiàn)濾波處理。信號(hào)調(diào)理采集模塊輸出的數(shù)字信號(hào)被發(fā)送到處理傳輸模塊中的圖像處理及傳輸控制器。信號(hào)處理模塊由數(shù)據(jù)處理與傳輸控制器、串口芯片、以太網(wǎng)接口芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和電源管理電路五部分組成。其中數(shù)據(jù)處理與傳輸控制器是X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊的核心，它分別與模塊中的其他四部分相連。數(shù)據(jù)處理采用Xilinx公司的高端FPGA芯片，完成對(duì)X光數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)進(jìn)行處理。ARM實(shí)現(xiàn)中值濾波處理，并根據(jù)TCP/IP協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位PC機(jī)。串口芯片用于對(duì)模塊進(jìn)行調(diào)試。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用SDRAM存儲(chǔ)器，用于對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存， 它可以根據(jù)實(shí)際需要以及FPGA芯片的容量進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。
權(quán)利要求
1.一種鋼絲繩芯輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器及信號(hào)采集處理方法，包括探測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)和基于該硬件結(jié)構(gòu)的像元采集、均一化與濾波處理算法，其特征在于，探測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理采集模塊和ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理傳輸模塊，采集處理算法為FPGA用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)四路A/D的采樣控制，采用基于響應(yīng)模型的三點(diǎn)分段像元非均一化校正算法在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)像元數(shù)據(jù)的均一化處理，用ARM實(shí)現(xiàn)均一化校正算法的系數(shù)運(yùn)算，校正完成的像元數(shù)據(jù)的中值濾波處理，ARM與FPGA之間采用總線方式通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于響應(yīng)模型的三點(diǎn)分段像元非均一化校正算法以及該算法采用ARM+FPGA實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，其特征在于基于響應(yīng)模型的三點(diǎn)分段像元非均一化校正算法是一種新的線陣探測(cè)器像元非均一化校正算法，較以往工業(yè)常用的兩點(diǎn)法校正精度有很大提高，但是計(jì)算量比較小，適合流水線檢測(cè)應(yīng)用。并用ARM+FPGA的處理器結(jié)構(gòu)對(duì)該算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，采用FPGA實(shí)現(xiàn)校正過(guò)程，ARM用來(lái)計(jì)算該校正算法的系數(shù)，并將計(jì)算完成的系數(shù)通過(guò)總線寫入FPGA。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼絲繩輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)，其特征在于光電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)X光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，信號(hào)調(diào)理采集模塊采用多路A/D并行實(shí)現(xiàn)模擬電信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的高速采樣，ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理傳輸模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)理采集模塊的控制以及對(duì)像元數(shù)據(jù)的處理與傳輸。
全文摘要
一種鋼絲繩芯輸送帶X光在線檢測(cè)探測(cè)器及信號(hào)采集處理方法。本發(fā)明屬于無(wú)損X射線在線探測(cè)設(shè)備領(lǐng)域。本發(fā)明的硬件設(shè)計(jì)包括通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)X光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；四路A/D模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的采樣；ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的信號(hào)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D模塊的控制及對(duì)像元數(shù)據(jù)的處理。信號(hào)采集處理方法包括FPGA采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)四路A/D的采樣控制；采用基于響應(yīng)模型的三點(diǎn)分段像元非均一化校正算法在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)像元數(shù)據(jù)的均一化處理；通過(guò)ARM計(jì)算出校正算法的系數(shù)，對(duì)校正完成的像元數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶的高精度、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，便于對(duì)鋼繩芯接頭伸長(zhǎng)、銹蝕和斷裂等情況的診斷。
文檔編號(hào)G01N23/18GK102253063SQ20111006649
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者余竟逸, 沈慶磊, 石博雅, 苗長(zhǎng)云, 榮鋒 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué), 天津市恒一機(jī)電科技有限公司