專利名稱：高速x光強力輸送帶檢測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無損x射線在線探測設備領域，特別是涉及一種高速X光強力輸送帶檢測系統(tǒng)。
技術背景澳大利亞學者A.哈里森首次提出了根據(jù)電磁感應原理對強力輸送帶實現(xiàn)無損檢測的 方法，并研制出CBM強力輸送帶鋼繩芯探測裝置。這種方法在1982-1987年被用于德國、 南非、加拿大、美國等地的采礦工業(yè)[1]。該項技術的應用使對有危險的和高張力鋼繩芯輸 送帶的檢測成為可能。我國的中科院力學所、煤科總院上海分院、太原理工學院等單位 利用相似的原理研制出強力輸送帶鋼繩芯探測裝置。但采用該方法所研制的裝置只能給 出檢測結果曲線，大致測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 部圖像，探傷周期較長、其精確位置和詳細狀況還要輔助設備來判斷，存在準確性差、-顯示不直觀、不能遠程檢測等缺點，而且當帶內有縱向撕裂保護絲網(wǎng)時，更不能探測[2—3]。 1993年，中國礦業(yè)大學研制了基于X光探測原理的強力輸送帶的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)受當 時的軟硬件技術的限制，存在輸送帶圖像處理速度慢、實時性差、精度低(分辨率為 2.5mmx2.5咖)、不具備遠程實時檢測功能[4]。專利申請200610015797. 8提供了一種強力 輸送帶無損檢測系統(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)將采集到的信號直接輸入微機系統(tǒng)，利用微機進行數(shù)據(jù)處理，存在不能進行遠 程實時檢測輸送帶圖像以及硬件實現(xiàn)成本高的缺陷。在強力輸送帶運輸系統(tǒng)設計時，安全規(guī)程要求對強力輸送帶進行實時檢測。但現(xiàn)有 的檢測手段存在可靠性差，不能準確定位，掃描速度慢，不能進行遠程實時檢測強力輸 送帶圖像等缺點，所以這一規(guī)程并未得到很好的落實。 參考文獻[1] J.柯斯克能，藺春濤，高冬.線陣探測(LDA)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. CT理論與 應用研究，2002， (3): 12-15.[2]楊瑞峰.X射線成像檢測中圖像采集系統(tǒng)的設計研究[J].儀器儀表，2002， (11): 23-25.[3]荊峰.X射線數(shù)字化實時成像系統(tǒng)在無損檢測中的應用[J].無損探傷，2004， (3): 37-39.[4]高毓麟，程紅.鋼絲繩芯輸送帶X射線無損檢測[J].煤礦機電，1996， (4): 15—16.發(fā)明內容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，提出一種檢測速度快、可實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程 輸送且成本較低，可以廣泛用于礦山、港口和碼頭等領域的強力輸送帶實時無損檢測系 統(tǒng)。為此，本發(fā)明采用如下的技術方案一種高速X光強力輸送帶檢測系統(tǒng)，它包括X射線發(fā)生器、 一個或一個以上的高速X射線探測器和裝有X射線檢測系統(tǒng)軟件的PC機，其特征在于，每個高速x射線探測器與上位PC機之間通過以太網(wǎng)接口相連；每個高速X射線探測器包括一組或一組以上的光電轉換模塊、 一個或一個以上的x射線數(shù)據(jù)采集模塊、x射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊，每組x 射線光電轉換模塊組內模塊之間以串行方式連接，各組x射線光電轉換模塊與X射線數(shù)-據(jù)采集模塊并行連接；每個X射線數(shù)據(jù)采集模塊以并行方式與X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模 塊連接。作為優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的高速X光強力輸送帶檢測系統(tǒng)，每個X射線光電轉換 模塊可以有32或64個光電轉換通道，即32或64個象素，每個象素間距大于或等于0. 8mm; X射線數(shù)據(jù)采集模塊最好由多路開關及信號調理電路、A/D轉換器和時序控制器組成，多 路開關和信號調理電路將輸入的包含有強力輸送帶信息的模擬電壓并行信號轉換為串行 信號，并通過A/D轉換器將進行模數(shù)轉換并得到數(shù)字信號，時序控制器用于產(chǎn)生精確的 時序信號來控制多路開關和A/D轉換器的轉換工作;X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊應當包括 數(shù)據(jù)處理與傳輸控制器以及與其相連的串口芯片、以太網(wǎng)接口芯片、數(shù)據(jù)存儲器、電源 管理電路；X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊中的數(shù)據(jù)處理與傳輸控制器最好采用單一 FPGA芯 片。本發(fā)明具有如下突出的優(yōu)點(1) 本發(fā)明采用高速FPGA和DSP技術、圖像處理技術和以太網(wǎng)接口技術，實現(xiàn)對強 力輸送帶實時無損檢測，能及時發(fā)現(xiàn)輸送帶鋼繩芯銹蝕、斷裂或接頭伸長等故障。通過 系統(tǒng)軟件實時顯示輸送帶內鋼繩芯的圖像，并且能夠運用各種算法對強力輸送帶鋼繩芯 的接頭伸長、銹蝕、斷裂等情況進行提取和判斷，并給出故障報警信號。同時，由于采 用以太網(wǎng)接口技術，故可以進行局域網(wǎng)互聯(lián)，共享圖像數(shù)據(jù)，便于遠程傳輸與控制。(2) 系統(tǒng)掃描分辨率達0. 8mra x0. 8咖。通過合理選擇X光光電轉換模塊和X光數(shù)據(jù) 采集模塊的個數(shù)，系統(tǒng)掃描寬度可以根據(jù)實際系統(tǒng)強力輸送帶的寬度而變化，皮帶寬度 在1.2m—2.4ra之間。系統(tǒng)中的X光數(shù)據(jù)采集模塊采用并行結構，極大地提高了系統(tǒng)的掃 描速度。當皮帶寬度為1.2m時，系統(tǒng)最大掃描速度可達6m/s，當皮帶寬度為2.4m時， 系統(tǒng)最大掃描速度可達4.5m/s。本專利可廣泛用于礦山、港口和碼頭等領域使用的強力 輸送帶的在線檢測。(3) X光數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊采用單一的FPGA芯片實現(xiàn)了專用X射線圖像數(shù)據(jù)的預處理和千兆以太網(wǎng)傳輸功能，并達到即插即用的功能。可實現(xiàn)遠程實時強力輸送帶圖 像的傳輸和監(jiān)控。具有集成度高，可靠性高，處理速度快等特點，提高了檢測水平。
圖i是本發(fā)明的高速x射線強力輸送帶檢測系統(tǒng)結構框圖。圖2高速X射線探測器結構框圖。 圖3數(shù)據(jù)處理及傳輸控制器結構框圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳述圖1是本發(fā)明的高速x射線強力輸送帶檢測系統(tǒng)結構框圖。本發(fā)明的高速X射線強力輸送帶檢測系統(tǒng)由x射線發(fā)生器及其控制器、高速x射線探測器、系統(tǒng)電源模塊和裝有X射線檢測系統(tǒng)軟件的PC機組成。其中高速X射線探測器包括X射線光電轉換模塊、x射線數(shù)據(jù)采集模塊和x射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊。 ''x射線發(fā)生器產(chǎn)生的x射線穿過運行著的強力輸送帶，照射到高速x射線探測器。高 速X射線探測器用于對透過強力輸送帶的X射線進行接收、處理及傳輸。首先其內的x射線光電轉換模塊中的硅光電二極管一維陣列上將強力輸送帶內鋼繩芯的投影圖像光信號轉換為電信號。然后電信號通過X射線數(shù)據(jù)采集模塊進行模擬信號調理和A/D轉換， 形成數(shù)字信號，數(shù)字信號再送入X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊進行圖像數(shù)字信號的前端處 理，然后X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊通過以太網(wǎng)接口將處理后的信號傳輸?shù)絇C機中進行 后端處理和顯示。PC機中裝有X射線強力輸送帶檢測系統(tǒng)軟件，包括初始化，輸送帶圖像顯示、存儲、檢索，結果分析與報警和以太網(wǎng)通信模塊。其除了能進行圖像處理的基 本功能和對圖像進行動態(tài)實時顯示，還能夠運用各種算法對強力輸送帶鋼繩芯的接頭伸 長、銹蝕、斷裂等情況進行提取和判斷，并在超標時給出報警信號。其中系統(tǒng)電源模塊提供高速x射線探測器所需的各種等級的直流電壓。圖2是高速X射線探測器結構框圖。高速X射線探測器由X射線光電轉換模塊、X 射線數(shù)據(jù)采集模塊、x射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊組成，X射線光電轉換模塊每四個為一組，組內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X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊最多 可與6個X射線數(shù)據(jù)采集模塊并行連接。實際應用中可以根據(jù)檢測的皮帶的寬度，來決 定采用X射線光電轉換模塊和X射線數(shù)據(jù)采集模塊的個數(shù)。每個X射線光電轉換模塊有32或64個光電轉換通道，即32或64個象素，象素間 距最小為0. 8ram。它利用硅光電二極管陣列將探測器吸收的X射線轉換為與之能量和流量 成正比的電流信號，然后進入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及信號調理電路，A/D轉換器和時序控制器組成。首先通過多路開關和信號調理電路，將輸入的 包含有強力輸送帶信息的模擬電壓并行信號轉換為串行信號。模擬電壓信號然后進入A/D 轉換器，進行模數(shù)轉換并得到16位數(shù)字信號。其中時序控制由CPLD完成，用于產(chǎn)生精 確的時序信號來控制多路開關和A/D轉換器的轉換工作。數(shù)據(jù)采集模塊輸出的數(shù)字信號被發(fā)送到X射線處理與傳輸模塊中的圖像處理及傳輸 控制器。X.射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊由數(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)處理與傳輸芯片采用 xilinx公司的高端FPGA芯片，它通過內嵌微處理器核完成對X光數(shù)據(jù)采集模塊傳送的圖 像數(shù)字信號進行預處理，包括偏移校準和平均化處理等，并根據(jù)TCP/IP協(xié)議對數(shù)據(jù)進行 打包，通過以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位PC機。串口芯片用于對模塊進行調試。數(shù)據(jù)存儲器采 用SDRAM存儲器，用于對預處理后的數(shù)據(jù)進行緩存，它可以根據(jù)實際需要以及FPGA芯片 的容量進行相應的擴展。電源管理電路用于根據(jù)外部直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生X射線數(shù)據(jù)采集 模塊和X射線數(shù)據(jù)處理和傳輸模塊所需電壓信號。圖3是數(shù)據(jù)處理及傳輸控制器硬件結構框圖。數(shù)據(jù)處理與傳輸控制器所采用的FPGA 芯片內部主要有四部分組成，分別是高性能32位CPU核PowerPC405 、 PLB骨干總線和 PLB-0PB外設總線、X射線圖像專用算法模塊和相應的外設控制器。32位CPU核 PowerPC405是FPGA嵌入式系統(tǒng)的核心，它通過PLB骨干總線實現(xiàn)和X射線圖像專用算 法模塊、數(shù)據(jù)緩存器、DMA控制器和存儲器控制器的快速通道，并通過PLB-OPB外設總線 進行各種外設的擴展，包括UART控制器和千兆以太網(wǎng)控制器。PowerPC405實現(xiàn)對整個X 射線探測器的控制管理，并負責管理和上位機的TCP/IP通信。X射線圖像專用算法模塊 利用硬件的強大運算能力實現(xiàn)高速運動目標的X射線數(shù)字圖像信號的實時預處理，減輕 上位機的處理負擔。針對X射線圖像的特點，預處理算法主要包括象素不平衡校正、通 道不平衡校正、均值濾波、灰度調整、圖像標準化等算法。存儲器控制器和UART控制器 分別與X光數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊中的SDRAM存儲器和串口芯片相連。千兆以太網(wǎng)控制器 則通過以太網(wǎng)接口芯片與上偉機的千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)相連。數(shù)據(jù)處理及傳輸控制器通過內 部各模塊軟硬件協(xié)同工作，高效靈活地完成X射線圖像的實時預處理及數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明的系統(tǒng)軟件是采用C#. NET在WINXP/WIN2000平臺上開發(fā)的。系統(tǒng)軟件包括初 始化，輸送帶圖像顯示、存儲、檢索，結果分析與報警和以太網(wǎng)通信模塊。(1) 初始化模塊初始化模塊主要實現(xiàn)對X射線數(shù)據(jù)采集模塊初始化設置和標準化算法設置。(2) 輸送帶圖像顯示模塊輸送帶圖像顯示模塊能夠實時顯示鋼繩夾芯輸送帶圖像，并能實現(xiàn)亮度/對比度調 整，圖像邊緣增強、正負片顯示、圖像放大縮小等功能。(3) 輸送帶圖像存儲模塊 '輸送帶圖像存儲模塊能夠實現(xiàn)實時存儲輸送帶圖像數(shù)據(jù)，包括掃描時間，掃描速度 等信息。(4)輸送帶圖像檢索模塊輸送帶圖像檢索模塊實現(xiàn)對采集的鋼繩夾芯輸送帶圖像進行存儲、顯示和瀏覽。 ^ (5)結果分析與報警模塊結果分析與報警模塊能夠對鋼繩夾芯輸送帶圖像進行實時檢測，分析檢測結果，形成檢測報告，發(fā)現(xiàn)故障及時報警。 (6)以太網(wǎng)通信等模塊以太網(wǎng)通信等模塊采用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊與PC機數(shù)據(jù)傳 輸功能。
權利要求
1.一種高速X光強力輸送帶檢測系統(tǒng)，它包括X射線發(fā)生器、一個或一個以上的高速X射線探測器和裝有X射線檢測系統(tǒng)軟件的PC機，其特征在于，每個高速X射線探測器與上位機之間通過以太網(wǎng)接口相連；每個高速X射線探測器包括一組或一組以上的光電轉換模塊、一個或一個以上的X射線數(shù)據(jù)采集模塊、X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊，每組X射線光電轉換模塊組內模塊之間以串行方式連接，各組X射線光電轉換模塊與X射線數(shù)據(jù)采集模塊并行連接；每個X射線數(shù)據(jù)采集模塊以并行方式與X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的高速X光強力輸送帶檢測系統(tǒng)，其特征在于，每個X射線光電 轉換模塊有32或64個光電轉換通道，即32或64個象素，每個象素間距大于或等于 0. 8mm。
3. 根據(jù)權利要求1所述的高速X光強力輸送帶檢測系統(tǒng)，其特征在于，X射線數(shù)據(jù)采集 模塊由多路開關及信號調理電路、A/D轉換器和時序控制器組成，多路開關和信號調 理電路將輸入的包含有強力輸送帶信息的模擬電壓并行信號轉換為串行信號，并通過 A/D轉換器將進行模數(shù)轉換并得到數(shù)字信號，時序控制器用于產(chǎn)生精確的時序信號來 控制多路開關和A/D轉換器的轉換工作。
4. 根據(jù)權利要求1所述的高速X光強力輸送帶檢測系統(tǒng)，其特征在于，X射線數(shù)據(jù)處理 與傳輸模塊包括數(shù)據(jù)處理與傳輸控制器以及與其相連的串口芯片、以太網(wǎng)接口芯片、 數(shù)據(jù)存儲器、電源管理電路。
5. 根據(jù)權利要求4所述的高速X射線探測器，其特征是X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊中 的數(shù)據(jù)處理與傳輸控制器采用單一 FPGA芯片。
全文摘要
本發(fā)明屬于無損X射線在線探測設備領域，涉及一種高速X光強力輸送帶檢測系統(tǒng)，它包括X射線發(fā)生器、一個或一個以上的高速X射線探測器和裝有X射線檢測系統(tǒng)軟件的PC機，其特征在于，每個高速X射線探測器與PC機之間通過以太網(wǎng)接口相連；每個高速X射線探測器包括一組或一組以上的光電轉換模塊、一個或一個以上的X射線數(shù)據(jù)采集模塊、X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊，每組X射線光電轉換模塊組內模塊之間以串行方式連接，各組X射線光電轉換模塊與X射線數(shù)據(jù)采集模塊并行連接；每個X射線數(shù)據(jù)采集模塊以并行方式與X射線數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊連接。本發(fā)明能夠實現(xiàn)遠程實時檢測強力輸送帶的圖像，包括強力輸送帶圖像的快速掃描、傳輸和監(jiān)控，具有集成度高，可靠性高，處理速度快等特點，提高了檢測水平。
文檔編號G01N23/04GK101241088SQ20081005241
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月11日 優(yōu)先權日2008年3月11日
發(fā)明者石博雅, 苗長云, 峰 榮 申請人:天津工業(yè)大學