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        機(jī)器視覺在核電站蒸發(fā)器渦流檢測(cè)中的應(yīng)用

        2018-10-19 09:52:42,,,
        無損檢測(cè) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:定位器管板渦流

        ,, ,

        (中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司, 蘇州 215000)

        1 背景

        1.1 設(shè)計(jì)目的

        核電站系統(tǒng)中蒸汽發(fā)生器傳熱管承擔(dān)著熱量交換的關(guān)鍵作用,運(yùn)行中由于機(jī)械或者化學(xué)機(jī)理會(huì)導(dǎo)致傳熱管降質(zhì),因此需要對(duì)其進(jìn)行渦流檢測(cè)。在蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測(cè)過程中,渦流探頭定位器在管板上進(jìn)行移動(dòng)、定位,將其上安裝的探頭定位至待檢測(cè)的傳熱管管孔,然后通過相應(yīng)的推送設(shè)備將渦流探頭輸送到傳熱管內(nèi)部實(shí)施檢測(cè)。因此,在整個(gè)檢查過程中,渦流探頭定位器的定位準(zhǔn)確度非常重要,其可靠性必須得到保證。

        為保證渦流探頭定位器定位的準(zhǔn)確度,必須每隔一段時(shí)間進(jìn)行探頭定位器的位置核對(duì)。采用的傳統(tǒng)手段是在蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)放置高清廣角云臺(tái)攝像頭,通過光纖網(wǎng)絡(luò)將圖像實(shí)時(shí)傳送到島外的視頻處理設(shè)備上,采集人員用人眼觀察顯示器上的圖像,核對(duì)探頭定位器的當(dāng)前位置與控制軟件中顯示的位置是否一致。該方法不僅耗時(shí)長(zhǎng)、效率低,需要采集人員有一定的經(jīng)驗(yàn),并且一旦出現(xiàn)位置不一致的情況,從上次位置確認(rèn)開始采集的數(shù)據(jù)均要作廢,耽誤檢查時(shí)間窗口,極大地影響了檢測(cè)效率和檢測(cè)結(jié)果的可靠性?;谝陨显?,筆者采用基于機(jī)器視覺的識(shí)別定位技術(shù),開發(fā)了一套獨(dú)立于當(dāng)前渦流檢測(cè)設(shè)備的輔助定位系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)控探頭定位器的位置,確保傳熱管渦流檢測(cè)過程更加穩(wěn)定、可靠、高效。

        1.2 機(jī)器視覺簡(jiǎn)介

        機(jī)器視覺是通過光學(xué)裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像,以獲得所需信息的技術(shù)。其原理是采用CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相機(jī)或者其他圖像拍攝裝置將目標(biāo)圖像轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào);然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后傳送給專用的圖像處理系統(tǒng);再根據(jù)亮度信息、像素位置信息等進(jìn)行各種處理和運(yùn)算,從而識(shí)別目標(biāo)的特征;最后根據(jù)設(shè)定的閾值和其他條件得到判斷結(jié)果,再控制執(zhí)行模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理。

        圖像處理主要基于數(shù)字圖像處理技術(shù),對(duì)輸入的圖像進(jìn)行幾何變換、灰度變換、圖像增強(qiáng)、邊緣提取以及圖像的分割、測(cè)量和識(shí)別等。

        2 設(shè)計(jì)方案

        2.1 整體思路

        所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù),實(shí)時(shí)對(duì)蒸汽發(fā)生器管板孔位圖像進(jìn)行處理、識(shí)別。視覺相機(jī)安裝在探頭定位器上,采集到的圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到外環(huán)廊位置的電控箱內(nèi),然后通過光纖將圖像數(shù)據(jù)傳送到視覺圖像處理電腦上;通過上位機(jī)軟件對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別、處理,得到當(dāng)前的管板號(hào)與位置信息,隨后與采集電腦上的位置進(jìn)行對(duì)比,以識(shí)別當(dāng)前定位器是否處在正確的位置。

        2.2 設(shè)計(jì)過程

        2.2.1 圖像捕捉及光照

        正如人眼對(duì)物體的觀察一樣,要想看清楚物體,一雙好的眼睛和一個(gè)好的光照環(huán)境缺一不可。機(jī)器視覺識(shí)別同樣如此,如何確保定位器在蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)部作高速運(yùn)動(dòng)的情況下能對(duì)圖像進(jìn)行完整捕捉是視覺識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。因此,研發(fā)人員在設(shè)計(jì)過程中選取了一種既體積小巧又具有非常高幀率的工業(yè)級(jí)相機(jī)(其穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)幀率能達(dá)到100幀以上),能很好地在設(shè)備運(yùn)動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的高速捕捉。

        另外,由于蒸汽發(fā)生器內(nèi)部為密閉空間,光照條件較差。為了獲得足夠的光照調(diào)節(jié),研發(fā)人員在相機(jī)的前端添加了一組光照系統(tǒng),以對(duì)待測(cè)區(qū)與背景區(qū)作明顯的區(qū)分,達(dá)到增強(qiáng)待測(cè)目標(biāo)邊緣清晰度以及消除陰影和抵消噪光等要求。通過多次的試驗(yàn)及測(cè)試,最終選取了一種環(huán)形LED光源作為照明系統(tǒng),該光源能很好地突出顯示被測(cè)物體邊緣和高度的變化,是邊緣檢測(cè)的理想選擇。

        2.2.2 控制系統(tǒng)

        在整個(gè)系統(tǒng)中,控制單元主要需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:一是要能對(duì)前端光源進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié),以滿足不同環(huán)境下對(duì)光照條件的不同要求;二是要能將前端相機(jī)捕捉到的視頻圖像傳輸?shù)綄S糜?jì)算機(jī)上,以作進(jìn)一步的圖像處理。

        2.2.3 圖像處理系統(tǒng)

        針對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求和使用需求,在圖像處理軟件算法的設(shè)計(jì)上,主要從以下思路入手。

        (1) 通過軟件對(duì)畫面明暗的識(shí)別,結(jié)合輪廓識(shí)別來區(qū)分傳熱管和管板的邊界。

        (2) 軟件快速捕捉畫面,并快速比較前后兩幀畫面的變化,如果前后兩幀畫面沒有變化,管號(hào)也不會(huì)發(fā)生變化;如果前后兩幀的畫面發(fā)生變化,則軟件會(huì)識(shí)別出發(fā)生變化的傳熱管,并且認(rèn)為兩幀畫面上離得最近的傳熱管為同一根傳熱管,具有同樣的行列號(hào)。通過管子的行列號(hào)、其圓心在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)、管板坐標(biāo)系以及圖像坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系,計(jì)算出當(dāng)前圖像中的管板坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的角度和平移的距離,進(jìn)而推導(dǎo)出當(dāng)前管板坐標(biāo)系相對(duì)圖像坐標(biāo)系的關(guān)系。

        (3) 結(jié)合對(duì)應(yīng)的管板,設(shè)定好傳熱管固有的行列號(hào)的排布規(guī)則,并疊加到圖像中。

        (4) 在視覺相機(jī)獲取圖像以及圖像遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^程中,圖像信號(hào)常被噪聲污染。噪聲是引起圖像質(zhì)量、測(cè)量精度和對(duì)象識(shí)別準(zhǔn)確度降低的一個(gè)重要原因。因此需要采用一定的圖像濾波手段,用于提高圖像數(shù)據(jù)中的信噪比,進(jìn)行噪聲抑制,減輕后續(xù)圖像處理的壓力。此系統(tǒng)采用圖像中值濾波算法,能夠在去除脈沖噪聲、椒鹽噪聲的同時(shí)保留圖像邊緣細(xì)節(jié)。

        (5) 邊緣檢測(cè)技術(shù)是圖像處理中的一項(xiàng)重要技術(shù),邊緣檢測(cè)的主要目的是實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣識(shí)別,從而對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行精確定位。系統(tǒng)的邊緣檢測(cè)采用Canny算子[1],Canny算子具有較好的信噪比、高邊緣定位性能和在噪聲環(huán)境下較好的檢測(cè)效果,適用于不同工況環(huán)境下的邊緣檢測(cè)。傳統(tǒng)的Canny邊緣檢測(cè)方法用高斯濾波可能會(huì)存在使圖像過度平滑以及對(duì)椒鹽噪聲和脈沖噪聲敏感等問題,改用中值濾波后上述缺點(diǎn)有所改善,提高了圖像質(zhì)量。

        (6) 蒸汽發(fā)生器管板的管孔輪廓為圓形,故系統(tǒng)采用對(duì)圓形目標(biāo)識(shí)別非常有效的圖像識(shí)別算法——Hough梯度法[2]。Hough梯度法首先需要對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè),對(duì)邊緣圖像中的每一個(gè)邊緣點(diǎn),計(jì)算其局部梯度,利用得到的梯度,由斜率指定直線上的點(diǎn)作為圓心在累加器中累加;然后,將累加器中大于給定閾值并且大于其所有近鄰的點(diǎn)選出來,作為候選圓心。最后依據(jù)圓心距、最大最小半徑等限定條件篩選出所有的圓心。某原始圖像及其經(jīng)過各方法處理后得到的圖像如圖1所示。

        圖1 某原始圖像及其經(jīng)各方法處理后的圖像

        (7) 為了實(shí)現(xiàn)定位器在運(yùn)動(dòng)過程中的位置識(shí)別,要求算法必須執(zhí)行速度快,保證抓取相鄰兩幀圖像的間隔時(shí)間足夠短,而爬行器在此期間只進(jìn)行了微小運(yùn)動(dòng)。

        (8) 系統(tǒng)可能會(huì)用于不同機(jī)組類型(CPR或EPR)的蒸汽發(fā)生器的不同端(冷端或者熱端)的渦流檢測(cè)中。故針對(duì)冷、熱端行列號(hào)定義不同的問題,在軟件上進(jìn)行了整合,以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。同樣也對(duì)不同的機(jī)組類型進(jìn)行了整合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)CPR堆型管板正方形排布和EPR堆型管板三角形排布的兼容使用和算法優(yōu)化。

        2.3 系統(tǒng)組成

        結(jié)合以上的設(shè)計(jì)方案,最終設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)主要由以下幾大功能模塊組成:相機(jī)單元,附帶照明系統(tǒng)(見圖2),控制箱單元(見圖3),軟件單元(見圖4)。

        圖2 相機(jī)單元

        圖3 控制箱單元

        圖4 軟件單元

        3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

        3.1 性能測(cè)試

        該系統(tǒng)在實(shí)際使用前,在實(shí)驗(yàn)室模擬體上進(jìn)行了一系列的嚴(yán)格測(cè)試,以保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)試項(xiàng)目包括:光源測(cè)試、識(shí)別能力測(cè)試、整體穩(wěn)定性測(cè)試。其具體測(cè)試內(nèi)容如下:

        (1) 光源測(cè)試:在手動(dòng)控制及軟件控制兩種模式下,隨機(jī)調(diào)節(jié)光源的亮度,測(cè)試并記錄光源的穩(wěn)定性;

        (2) 識(shí)別能力測(cè)試:將定位器安裝在蒸汽發(fā)生器管板模擬體上,使用采集電腦隨機(jī)控制探頭定位器運(yùn)動(dòng),測(cè)試過程中觀察蒸汽發(fā)生器管板模擬體上探頭定位器的實(shí)際位置,與機(jī)器視覺識(shí)別定位軟件上顯示的行列號(hào)是否一致;

        (3) 整體穩(wěn)定性測(cè)試:將定位器安裝在蒸汽發(fā)生器管板模擬體上,連接系統(tǒng)各部件(光源、相機(jī)、電控箱以及電腦),進(jìn)行整體穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試過程重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)硬件以及軟件的穩(wěn)定性和可靠性。

        經(jīng)過對(duì)各系統(tǒng)模塊以及整體穩(wěn)定性的測(cè)試,結(jié)果表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性均滿足相關(guān)技術(shù)要求,其性能能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求。

        3.2 實(shí)際應(yīng)用效果

        在寧德核電站3號(hào)機(jī)組N302大修蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢測(cè)中,該系統(tǒng)首次應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)。從實(shí)際使用情況來看,該設(shè)備性能良好,準(zhǔn)確性、可靠性以及穩(wěn)定性均滿足技術(shù)規(guī)范要求,在連續(xù)5 d的工作中,圓滿完成了管板爬行器的機(jī)器視覺定位工作。

        4 結(jié)語(yǔ)

        視覺定位系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)識(shí)別算法,獨(dú)立于渦流檢測(cè)的控制系統(tǒng),視覺定位系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)的位置信息可以互相驗(yàn)證。其遠(yuǎn)程可調(diào)光源和高性能工業(yè)相機(jī)為該系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ);軟件算法穩(wěn)定高效,滿足大于100幀·s-1的實(shí)時(shí)處理要求。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、使用,視覺定位系統(tǒng)全程運(yùn)行穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)便,可靠性高。在使用過程中,能輔助采集人員進(jìn)行定位,增加了額外的位置信息,使得蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測(cè)工作更加便捷、可靠。一系列的測(cè)試證明,該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求,可勝任渦流探頭定位器的輔助定位工作。

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