基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測裝置與方法，屬于太赫茲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]聚乙烯管的原材料是聚乙烯，它是一種高分子量的有機(jī)合成材料。聚乙烯管一般采用中密度和高密度聚乙烯加工而成。目前聚乙烯管為國際上應(yīng)用最為成熟的塑料壓力管之一，具有耐腐蝕、密封性好、韌性高等特點，廣泛應(yīng)用于輸水輸油輸氣管道工程。
[0003]聚乙烯管的連接經(jīng)常采用熱熔連接方式，即在兩根直通的聚乙烯管對接處，利用通電加熱的方式使聚乙烯管接頭局部融化焊接起來，該連接方式的工藝和設(shè)備都比較簡單，雖然工藝比較成熟，但焊縫中仍然不可避免地出現(xiàn)一些質(zhì)量問題。為了安全起見，必須對聚乙烯管焊縫進(jìn)行無損探傷以保證焊接質(zhì)量。
[0004]目前常規(guī)的無損檢測方法主要有超聲波、磁粉、渦流、X射線和滲透等五種方法。由于聚乙烯材料不導(dǎo)電，顯然不能采用磁粉和渦流探傷法；而焊縫的缺陷有表面缺陷也有內(nèi)部缺陷，因此也不能采用滲透法；雖然X射線可以檢查內(nèi)部缺陷，但是具有放射性等危險；由于聚乙烯材料中的聲速比金屬中的聲速要小很多，給超聲探傷法帶來了極大的困難。
[0005]太赫茲(I THz=112 Hz)波通常是指頻率范圍在0.1 THz到10 THz的電磁波輻射，處于微波與紅外光之間。太赫茲波技術(shù)具有以下特點:(I)采用光脈沖取樣探測方法，可以獲得太赫茲波的瞬態(tài)電場，即可同時得到幅度和相位信息。(2)太赫茲輻射可以深入到無極性非金屬材料中，太赫茲輻射對陶瓷、塑料、紡織纖維等很多物質(zhì)透射率高，可用于上述材料及其相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量控制。(3)太赫茲輻射是一種非常安全的電磁輻射，頻率為I THz的電磁波的光子能量只有4mev，是X射線的百萬分之一，對人體幾乎沒有危害。(4)太赫茲波波長較長，受物質(zhì)顆粒散射影響很小。
[0006]太赫茲成像是最近幾年才發(fā)展起來的一種成像技術(shù)。然而現(xiàn)有太赫茲成像技術(shù)對成像物體采用逐點掃描的方式進(jìn)行成像，雖然圖像中所包含的物質(zhì)信息非常豐富，但是成像時間卻非常長，難以滿足在線和實時檢測的要求?；谖y輻射熱探測器陣列相機(jī)的太赫茲波成像技術(shù)應(yīng)時而生。微測輻射熱探測器陣列相機(jī)可以一次性采集成像物體的圖像，類似于相機(jī)拍照的機(jī)理，所以基于微測輻射熱探測器陣列相機(jī)的太赫茲波成像技術(shù)無須機(jī)械運(yùn)動掃描機(jī)構(gòu)，具有靈敏度高、效率高等優(yōu)點。
[0007]已有研宄結(jié)果表明，太赫茲波對聚乙烯材料具有很高的透射率，而聚乙烯管焊縫處如果出現(xiàn)缺陷則在太赫茲波的傳播過程中會引起太赫茲波的幅值和相位發(fā)生明顯的變化，據(jù)此，提出采用微測輻射熱探測器陣列相機(jī)，應(yīng)用太赫茲焦平面成像的方法對聚乙烯管焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測與評估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測裝置與方法，能夠解決目前聚乙烯管焊縫檢測中存在效率低、精度低、不可靠等冋題。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測裝置，
包括連續(xù)波太赫茲波源、第一離軸拋物面鏡、第二離軸拋物面鏡、樣品臺、聚乙烯透鏡、太赫茲陣列相機(jī)和計算機(jī)；
所述的連續(xù)波太赫茲波源經(jīng)第一離軸拋物面鏡后被準(zhǔn)直，然后經(jīng)第二離軸拋物面鏡后聚焦照射到樣品臺的待測聚乙烯管上，太赫茲波透過待測聚乙烯管后被聚乙烯透鏡準(zhǔn)直，再利用太赫茲陣列相機(jī)成像，并將成像數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)進(jìn)行在線處理與顯示。
[0010]所述的連續(xù)太赫茲波源為耿氏二極管、量子級聯(lián)激光器等連續(xù)太赫茲波源。
[0011]所述的樣品臺無須在運(yùn)動裝置的控制下逐像素移動掃描，成像時間短、效率高。
[0012]所述的太赫茲陣列相機(jī)為微測輻射熱陣列探測器，探測靈敏度高。
[0013]所述的聚乙烯透鏡是高密度聚乙烯透鏡或硅透鏡。
[0014]一種基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測方法，包括以下步驟:
1)根據(jù)在聚乙烯管焊縫中發(fā)現(xiàn)的所有類型缺陷如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透和未熔合五大類，制作含有上述所有類型缺陷的聚乙烯管焊縫標(biāo)準(zhǔn)試件；
2)應(yīng)用檢測裝置獲取制作的聚乙烯管焊縫標(biāo)準(zhǔn)試件中所含全部缺陷的太赫茲連續(xù)圖像，利用得到的全部缺陷的太赫茲連續(xù)圖像構(gòu)建樣本訓(xùn)練集，并建立聚乙烯管焊縫缺陷類型的識別模型，根據(jù)所建立的樣本訓(xùn)練集確定缺陷類型識別模型的參數(shù)，如此，應(yīng)用所建立的缺陷類型識別模型可建立缺陷類型與其太赫茲連續(xù)圖像的一一映射關(guān)系；
3)應(yīng)用檢測裝置獲取待檢測聚乙烯管焊縫的太赫茲連續(xù)圖像，將得到的太赫茲連續(xù)圖像輸入到步驟2)中建立的缺陷類型識別模型，根據(jù)缺陷類型識別模型的輸出結(jié)果即可判定待檢測聚乙烯管焊縫中是否存在缺陷，若存在缺陷，則根據(jù)缺陷類型識別模型的輸出結(jié)果確定缺陷類型。
[0015]所述的步驟2)為應(yīng)用檢測裝置測量聚乙烯管焊縫標(biāo)準(zhǔn)試件中所有類型缺陷的太赫茲連續(xù)圖像，其中連續(xù)太赫茲波源發(fā)出太赫茲波后經(jīng)過第一離軸拋物面鏡后準(zhǔn)直，經(jīng)第二拋物面鏡后被聚焦，然后照射到樣品臺處的含有已知類型缺陷的聚乙烯管焊縫標(biāo)準(zhǔn)試件上，透過后的太赫茲波攜帶了樣品信息，經(jīng)聚乙烯透鏡后被準(zhǔn)直，并照射到太赫茲陣列相機(jī)上，太赫茲陣列相機(jī)將太赫茲波信號轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)的圖像信息并輸入到計算機(jī)中，首先從聚乙烯管焊縫標(biāo)準(zhǔn)試件的太赫茲連續(xù)圖像中確定焊縫區(qū)域，然后在焊縫區(qū)域中提取缺陷的圖像特征，再采用模式識別方法建立聚乙烯管焊縫缺陷類型識別模型，其中的模式識別方法為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或支持向量機(jī)法。
[0016]所述的步驟3)中獲得待測聚乙烯管焊縫的太赫茲連續(xù)圖像后，首先從聚乙烯管焊縫的太赫茲連續(xù)圖像中確定焊縫區(qū)域，然后在焊縫區(qū)域中提取圖像特征，并將其輸入到步驟2)建立的缺陷類型識別模型中，最后根據(jù)缺陷類型識別模型的輸出結(jié)果確定是否存在缺陷，若存在缺陷，明確缺陷類型。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測裝置與方法，無需復(fù)雜的前處理過程，測試時間短，可以對聚乙烯管焊縫質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、有效的檢測與評價。
[0018]本發(fā)明所提出的裝置和方法靈敏度高，還可以應(yīng)用于其他材質(zhì)的塑料聚合物管道的無損檢測和在役評估等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0019]圖1為基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為太赫茲波成像分辨率示意圖；
圖3為焊縫缺陷類型識別模型的建立流程圖；
圖4為焊縫缺陷識別流程圖。
[0020]圖中:1、太赫茲光源，2、第一離軸拋物面鏡，3、第二離軸拋物面鏡，4、樣品臺，5、聚乙烯透鏡，6、太赫茲陣列相機(jī)，7、計算機(jī)。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]如圖1所示，一種基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測裝置，
包括連續(xù)波太赫茲波源1、第一離軸拋物面鏡2、第二離軸拋物面鏡3、樣品臺4、聚乙烯透鏡5、太赫茲陣列相機(jī)6和計算機(jī)7 ;
所述的連續(xù)波太赫茲波源I經(jīng)第一離軸拋物面鏡2后被準(zhǔn)直，然后經(jīng)第二離軸拋物面鏡3后聚焦照射到樣品臺4的待測聚乙烯管上，太赫茲波透過待測聚乙烯管后被聚乙烯透鏡5準(zhǔn)直，再利用太赫茲陣列相機(jī)6成像，并將成像數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)7進(jìn)行在線處理與顯不O
[0023]所述的連續(xù)太赫茲波源I為耿氏二極管、量子級聯(lián)激光器等連續(xù)太赫茲波源。
[0024]所述的樣品臺4無須在運(yùn)動裝置的控制下逐像素移動掃描，成像時間短、效率高，因此可以進(jìn)行實時成像，進(jìn)行成像時通過調(diào)整樣品臺到第二離軸拋物面鏡3和聚乙烯透鏡5之間的距離可以調(diào)整圖像的放大率；聚乙烯透鏡5可以是高密度聚乙烯透鏡或硅透鏡；太赫茲陣列相機(jī)6采用靈敏度較高的微測輻射熱探測器陣列相機(jī)，測輻射熱探測器也是一種量熱探測器，利用熱敏電阻在收到熱輻射時的阻值變化來測量輻射的強(qiáng)度，測輻射熱探測器是已經(jīng)商品化的太赫茲波段直接探測器中靈敏度最高的一種，其靈敏度比熱釋電相機(jī)高2~3個數(shù)量級，其噪聲等效功率(NEP)可以達(dá)到10_12~10_15 WHz_1/2，因此應(yīng)用于太赫茲成像降低了系統(tǒng)對太赫茲波源I的輻射功率要求。
[0025]如圖3和圖4所示:一種基于太赫茲焦平面成像的聚乙烯管焊縫檢測方法，包括以下步驟:
1)根據(jù)在聚乙烯管焊縫中發(fā)現(xiàn)的所有類型缺陷如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透和未熔合五大類，制作含有上述所有類型缺陷的聚乙烯管焊縫標(biāo)準(zhǔn)試件；
2)應(yīng)用上述裝置獲取制作的聚乙烯管焊縫標(biāo)準(zhǔn)試件中所含全部缺陷的太赫茲連續(xù)圖像，利用得到的全部缺陷的太赫茲連續(xù)圖像構(gòu)建樣本訓(xùn)練集，并建立聚乙烯管焊縫缺陷類型的識別模型，根據(jù)所建立的樣本訓(xùn)練集確定缺陷類型識別模型的參數(shù)，如此，應(yīng)用所建立的缺陷類型識別模型可建立缺陷類型與其太赫茲連續(xù)圖像的一一映射關(guān)系；
3)應(yīng)用上述裝置獲取待檢測聚乙烯管焊縫的太赫茲連續(xù)圖像，將得到的太赫茲連續(xù)圖像輸入到步驟2)中建立的缺陷類型識別模型，根據(jù)缺陷類型識別模型的