一种金属表面检测的方法及系统与流程

本发明涉及金属检测领域，特别涉及一种金属表面检测的方法及系统。

背景技术：

抛光的金属在其生产及后期处理过程中,可能会产生划痕、凹坑、凸起等表面缺陷，这些缺陷不仅影响了产品的外观，而且也会对产品的使用性能和寿命造成一定的影响。由于抛光金属具有极强的反光特性，常用的光学二维成像和三维扫描方法都很难对抛光金属表面进行缺陷检测。目前的检测手段大多采用传统的人工目视灯检方式，但是这种检测方式对于缺陷的识别有效性不足，效率偏低，而且检测成本极高。因此，寻找一种不受高反光影响并能有效检测表面缺陷的方法，对抛光金属表面的质量控制有着重要意义。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种金属表面检测的方法及系统，通过使用本发明提供的方法或系统，能够迅速检测金属表面是否存在缺陷，而且效率高，成本较低。

本发明第一方面公开了一种金属表面检测的系统，所述系统包括发射器、探测器以及调制装置；其中，发射器和所述探测器位于所述调制装置的两端；

所述发射器，用于将频率小于金属等离子体频率的电磁波入射到所述调制装置与待测金属之间的狭缝，以产生金属表面等离子体波；其中，所述金属表面等离子体波与所述入射的电磁波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，所述空间辐射电磁波从所述调制装置的另一端射出；

所述探测器，用于接收所述空间辐射电磁波，并根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷。

所述调制装置的长度需小于表面等离子体波在所述待测金属表面的传播距离。

另外，需要指出的是，所述调制装置到所述待测金属表面的距离小于所述待测金属表面等离子体波在空气中的衰减距离。

另外，进一步需要指出的是，所述待测金属的厚度大于所述表面等离子体波在所述待测金属中的衰减距离。

结合第一方面，检测过程中，改变调制装置和金属在水平方向上的相对位置，当表面等离子体波经过所述金属表面存在缺陷的地方，出射的电磁波会发生变化，从而可以检测出所述金属表面的缺陷及所在位置。

可选的，所述系统还包括处理单元；

所述处理单元，用于对利用机器学习算法对历史检测数据进行学习以获取缺陷检测模型；其中，所述历史检测数据是对存在缺陷的金属进行检测后所述探测器探测到的数据。

另外，需要指出的是，通过本系统的使用方法有很多，比如通过平移检测系统进行水平检测，也可以通过垂直移动检测系统进行垂直检测；还可以水平和垂直检测结合，当然如果待检测金属的形状为圆形时，还可以通过旋转检测系统来进行检测。

本发明第二方面公开了一种金属表面检测的方法，所述方法包括：

发射器将频率小于金属等离子体频率的电磁波入射到调制装置与待测金属之间的狭缝，以产生金属表面等离子体波；其中，所述金属表面等离子体波与入射的电磁波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，所述空间辐射电磁波从所述调制装置的另一端射出；其中，所述调制装置平行放置在所述待测金属的上方；

探测器接收所述空间辐射电磁波，并根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷；

其中，所述调制装置的长度需小于所述表面等离子体波在所述待测金属表面的传播距离。

其中，需要指出的是，所述调制装置到所述待测金属表面的距离小于所述待测金属表面等离子体波在空气中的衰减距离。

其中，进一步需要指出的是，所述待测金属的厚度大于所述表面等离子体波在所述待测金属中的衰减距离。

其中，可选的，所述根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷，包括：当所述探测器接收到的空间辐射电磁波发生变化时，确定所述金属表面存在缺陷，以及根据所述接收到的空间辐射电磁波的角度确定所述缺陷的位置。

另外，进一步可选的，所述方法还包括：

处理单元利用机器学习算法对历史检测数据进行学习以获取缺陷检测模型；其中，所述历史检测数据是对存在缺陷的金属进行检测后探测到的数据。

本发明第三方面公开了一种存储介质，所述存储介质中存储有程序代码，当所述程序代码被运行时，所述第二方面的方法会被执行；

本发明第四方面公开了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品中包含有程序代码；当所述程序代码被运行时，所述第二方面的方法会被执行。

可以看出，在本发明实施例的方案中，将频率小于金属等离子体频率的电磁波入射到所述调制装置与待测金属之间的狭缝，以产生金属表面等离子体波；其中，所述金属表面等离子体波与所述入射的电磁波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，所述空间辐射电磁波从所述调制装置的另一端射出；其中，所述调制装置平行放置在所述待测金属的上方；接收所述空间辐射电磁波，并根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷。通过本发明提供的技术方案，通过使用本发明提供的方法或系统，能够迅速检测金属表面是否存在缺陷，而且效率高，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种金属表面检测的系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种调制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种调制装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种调制装置的结构示意图；

图5为本发明的实施例提供的一种平移型金属表面检测轨迹示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种平移型金属表面检测轨迹示意图；

图7为本发明实施例提供另一种平移型金属表面检测轨迹示意图；

图8为本发明实施例提供另一种平移型金属表面检测轨迹示意图；

图9为本发明实施例提供的一种利用神经网络进行学习的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种金属表面检测的方法流程示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种金属表面检测的方法流程示意图；

图12为本发明实施例提供的一种金属表面检测设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明说明书、权利要求书和附图中出现的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同的对象，而并非用于描述特定的顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

请参阅图1，图1是本发明一个实施例提供的一种金属表面检测的系统。所述系统包括发射器110、调制装置120(或称为调制机构)以及探测器130；其中，发射器110和探测器130位于调制装置120的两端；

发射器110，用于将频率小于金属等离子体频率的电磁波入射到所述调制装置与待测金属之间的狭缝，以产生金属表面等离子体波；其中，所述金属表面等离子体波与所述入射的电磁波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，所述空间辐射电磁波从所述调制装置的另一端射出；

探测器130，用于接收所述空间辐射电磁波，并根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷。

另外，可以理解的是，探测器130，具体用于当接收到的空间辐射电磁波发生变化时，确定所述金属表面存在缺陷；进一步的，还可以根据接收到的空间辐射电磁波确定所述缺陷的位置。

其中，可以理解的是，空间辐射电磁波的变化包括但不限于空间辐射电磁波幅度的变化和空间辐射电磁波波动频率的变化等。

其中，可以理解的是，逆着接收到的空间辐射电磁波的射出角度就可以定位缺陷的位置。

举例来说，如果接收到的空间辐射电磁波的射出角度与入射电磁波的角度不匹配，就可以理解为发生了变化。比如入射是45度，如果不存在缺陷那么射出角度应该也是45度。如果不是45度，说明存在缺陷。

其中，检测过程中，通过改变调制装置和金属在水平方向上的相对位置，当表面等离子体波经过金属表面存在缺陷的地方，出射的空间辐射电磁波会发生相应变化。其中，需要指出的是，常见的缺陷类型包括划痕、裂纹、凸起以及凹坑等。

其中，需要指出的是，由于在一般情况(对于连续的金属介质界面)下，表面等离子体波的波矢量是大于光波的，所以不可能直接用光波激发出沿界面传播的表面等离子体波(propagatingsurfaceplasmon)。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：

其中，需要指出的是，表面等离子体波spw(surfaceplasmonwave)是沿金属和介质界面传播的表面电磁波，它只存在于介电常数(横磁波)或磁导率(横电波)符号相反的两种介质的界面上。在一定条件下，spw可与入射光横磁波极化能量耦合并被共振激发。

其中，需要指出的是，由于在一般情况(对于连续的金属介质界面)下，表面等离子体波的波矢量是大于光波的，所以不可能直接用光波激发出沿界面传播的表面等离子体波spw。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，即调制装置120。常用调制装置120的结构可以为棱镜耦合的方式、波导结构、衍射光栅结构等。

其中，可以理解的是,如图2所示,棱镜耦合的方式包括两种：一种是kretschmann结构：金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属-棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波。另一种是otto结构：具有高折射率的棱镜和金属之间存在狭缝，狭缝的宽度比较小，大约几十到几百个纳米。

其中，如图3所示,波导结构是利用波导边界处的消逝波激发表面等离子体波，使波导中的光场能量耦合到表面等离子体波中。其中，波导两侧光波是消逝波，当在波导的某个位置镀上金属，这样当光波通过这个区域的时候就能够激发出表面等离子体波。在实际的研究中，常采用光纤做波导，剥去光纤某段的包层，再镀上金属，这样就实现了一种最简单的波导激发表面等离子体波的结构。

其中，如图4所示,衍射光栅结构是利用光栅引入一个额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配。常用的光栅主要是一维光栅，二维光栅以及孔阵列结构和颗粒阵列，由于光栅结构的材料参数与几何参数等都可以自己选定，可供研究的内容很丰富。这种结构一方面能够激发表面等离子体波，另一方面二维光栅结构中能够引入能带，从而使得表面波的特性受到能带的影响，使得器件的参数更加可控。

其中，可以理解的是，调制装置120到所述金属表面的距离小于所述金属表面等离子体波在空气中的衰减距离。进一步的，所述待测金属的厚度大于所述表面等离子体波在所述金属中的衰减距离。另外，还需要指出的是，调制装置120的几何设计根据相应的波特性进行调整(比如：长度需小于表面等离子体波在所述金属表面的传播距离)。

其中，需要指出的是，可以根据不同频率波生成的金属表面等离子体波的衰减距离估算金属表面缺陷，如裂纹、凹坑等的深度。例如：不同频率的波对应的调制装置在所述金属表面移动时，若发现移动到某个位置，探测器检测到某一个频率的波对应的信号变化最大，且其他频段的波对应的信号基本没什么变化，就可以依据该频率波的衰减常数的公式，估算出金属表面裂纹、凹坑等的深度。

其中，需要指出的是，表面等离子体波spw(surfaceplasmonwave)是沿金属和介质界面传播的表面电磁波，它只存在于介电常数(横磁波)或磁导率(横电波)符号相反的两种介质的界面上。在一定条件下，spw可与入射光横磁波极化能量耦合并被共振激发。

另外，需要指出的是，通过本系统的使用方法有很多，比如通过平移检测系统进行水平检测，也可以通过垂直移动检测系统进行垂直检测；还可以水平和垂直检测结合，当然如果待检测金属的形状为圆形时，还可以通过旋转检测系统来进行检测。

具体的，无论使用那种方法，检测开始时，入射波进入调制装置与待测金属之间的狭缝，产生金属表面等离子体波。该表面等离子体波可以与入射波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，从调制装置的另一端射出，从而被探测器接收。电磁波发射器和探测器分别位于调制装置的两端。检测过程中，改变调制装置和金属在水平方向上的相对位置，当表面等离子体波经过金属表面存在缺陷的地方，出射的电磁波会发生变化，从而可以检测出金属表面的缺陷及所在位置。

接下来详细介绍下常见的几种使用方法。

如图5所示，图5提供了一种平移检测的方法。其中，需要指出的是，在待测物比该系统的检测范围大的情况下，无法一次完成对整个表面的检测，因而需要设计表面检测轨迹，水平改变该装置与金属表面的相对位置，遍历全局。具体的，如图5所示，保持检测装置与所述金属表面的相对高度不变，让他们沿着波传播方向相对平移，然后逐行扫描，覆盖整个所述金属表面。检测过程中，当遇到金属表面缺陷时，出射的波信号会马上产生变化，由此可以定位出缺陷的位置。另外，需要指出的是，平移检测法检测的精度较高。

如图6所示，图6提供了一种垂直移动检测方法。所述方法具体包括：保持检测装置与金属表面的相对高度不变，让他们垂直于波传播方向相对平移，然后逐列扫描，覆盖整个所述金属表面。检测过程中，当遇到金属表面缺陷时，出射的波信号会马上产生变化，由此可以定位出缺陷的位置。另外，需要指出的是，垂直检测方法的检测的速度较快。

另外，进一步，需要指出的是，可以将上述两种方法进行结合。具体的，所述方法包括：先让金属与检测装置垂直于波传播方向相对平移，当检测到出射波信号变化时(遇到表面缺陷)，改变扫描方式为沿波传播方向平移，从而可以得到该缺陷在两个方向上的准确位置。此后，该装置与金属继续沿垂直于波方向平移，逐列扫描，直至遇到下一个缺陷，重复以上步骤，可以精确定位出整个金属表面的缺陷。

另外，也可以针对待测金属的形状设计检测方法，比如待测金属是圆形的，且尺寸小于该检测装置时，可以采用旋转式扫描，迅速检测表面缺陷。该方法最大的优点就是检测速度快，效率高。具体的，如图7和图8所示，所述方法包括：检测装置位于被测表面上方，保持相对高度不变。检测过程中，该装置与被测表面进行相对旋转运动，当转过360度，整个表面都可以被该装置扫描到。根据出射波的信号变化，可以检测出相应的缺陷。

举例来说，如果待测表面为如手机外壳的金属logo，那么就可以采用上述的旋转法进行检测。

进一步的，需要指出的是，由于抛光金属表面的缺陷多种多样(包括划痕，凸起，凹坑等)，其对表面等离子体波的影响也各不相同。因此，可以对探测端采集到的出射波信号进行逐类分析，达到表面缺陷检测及识别的目的。由于单次测量只能得到单方向或者单线条的电磁波信号，进行平移或者旋转扫描后，得到整个被测物体的电磁信号平面分布图，再进行人工智能算法分析。

可选的，所述金属表面检测系统还包括处理单元；

所述处理单元，用于对利用机器学习算法对历史检测数据进行学习以获取缺陷检测模型；其中，所述历史检测数据是对存在缺陷的金属进行检测后所述探测器探测到的数据。

其中，常见的机器学习算法包括分类学习算法，贝叶斯学习算法、支持向量机学习算法以及神经网络学习算法等等。

举例来说，如图9所示，图9为利用神经网络进行学习的示意图。具体的，针对出射波信号图，利用深度学习神经网络进行大样本训练和学习。按照不同的缺陷样品分别采集大量数据，对这些能够间接反映金属表面缺陷的信号图进行分类训练，得到不同缺陷的神经网络模型。其中，该模型中定义了凸起、无缺陷(ok)、划痕、凹坑等输出状态。

可以看出，本实施例的方案中，将频率小于金属等离子体频率的电磁波入射到所述调制装置与待测金属之间的狭缝，以产生金属表面等离子体波；其中，所述金属表面等离子体波与所述入射的电磁波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，所述空间辐射电磁波从所述调制装置的另一端射出；其中，所述调制装置平行放置在所述待测金属的上方；接收所述空间辐射电磁波，并根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷。通过本发明提供的技术方案，通过使用本发明提供的方法或系统，能够迅速检测金属表面是否存在缺陷，而且效率高，成本较低。

请参阅图10，图10是本发明的另一个实施例提供的一种金属表面检测的方法流程示意图。其中，如图10所示，所述方法包括：

s201、发射器将频率小于金属等离子体频率的电磁波入射到调制装置与待测金属之间的狭缝，以产生金属表面等离子体波；其中，所述金属表面等离子体波与所述入射的电磁波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，所述空间辐射电磁波从所述调制装置的另一端射出；

其中，所述调制装置的长度需小于表面等离子体波在所述金属表面的传播距离；

其中，所述调制装置平行放置在所述待测金属的上方；

其中，所述调制装置到所述金属表面的距离小于所述金属表面等离子体波在空气中的衰减距离。

其中，所述待测金属的厚度大于所述表面等离子体波在所述金属中的衰减距离。

s202、探测器接收所述空间辐射电磁波，并根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷。

具体的，所述根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷，包括：当接收到的空间辐射电磁波发生变化时，确定所述金属表面存在缺陷以及确定所述缺陷的位置。

其中，可以理解的是，空间辐射电磁波的变化包括但不限于空间辐射电磁波幅度的变化和空间辐射电磁波波动频率的变化等。

举例来说，可以根据接收到的空间辐射电磁波确定所述缺陷的位置。可以理解的是，逆着接收到的空间辐射电磁波的射出角度就可以定位缺陷的位置。

举例来说，如果接收到的空间辐射电磁波的射出角度与入射电磁波的角度不匹配，就可以理解为发生了变化。比如入射是45度，如果不存在缺陷那么射出角度应该也是45度。如果不是45度，说明存在缺陷。

其中，检测过程中，通过改变调制装置和金属在水平方向上的相对位置，当表面等离子体波经过金属表面存在缺陷的地方，出射的空间辐射电磁波会发生变化。

另外，可选的，所述方法还包括：

处理单元对利用机器学习算法对历史检测数据进行学习以获取缺陷检测模型；其中，所述历史检测数据是对存在缺陷的金属进行检测后探测到的数据。

举例来说，常见的机器学习算法包括分类学习算法，贝叶斯学习算法、支持向量机学习算法以及神经网络学习算法等等。

可以看出，本实施例的方案中，将频率小于金属等离子体频率的电磁波入射到所述调制装置与待测金属之间的狭缝，以产生金属表面等离子体波；其中，所述金属表面等离子体波与所述入射的电磁波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，所述空间辐射电磁波从所述调制装置的另一端射出；其中，所述调制装置平行放置在所述待测金属的上方；接收所述空间辐射电磁波，并根据所述空间辐射电磁波确定是否存在缺陷。通过本发明提供的技术方案，通过使用本发明提供的方法或系统，能够迅速检测金属表面是否存在缺陷，而且效率高，成本较低。

如图11所示，本发明的一个实施例提供的一种金属表面检测的方法，其中，所述方法包括：

s301、发射器将频率小于金属等离子体频率的电磁波入射到所述调制装置与待测金属之间的狭缝，以产生金属表面等离子体波；其中，所述金属表面等离子体波与所述入射的电磁波耦合，并被共振激发为空间辐射电磁波，所述空间辐射电磁波从所述调制装置的另一端射出；

其中，所述调制装置平行放置在所述待测金属的上方；

其中，所述调制装置到所述金属表面的距离小于所述金属表面等离子体波在空气中的衰减距离。

其中，所述待测金属的厚度大于所述表面等离子体波在所述金属中的衰减距离。

其中，所述调制装置的长度需小于表面等离子体波在所述金属表面的传播距离

s302、探测器接收所述空间辐射电磁波。

s303、当探测器接收到的空间辐射电磁波发生变化时，确定所述金属表面存在缺陷以及确定所述缺陷的位置；

举例来说，可以根据接收到的空间辐射电磁波确定所述缺陷的位置。可以理解的是，逆着接收到的空间辐射电磁波的射出角度就可以定位缺陷的位置。

举例来说，如果接收到的空间辐射电磁波的射出角度与入射电磁波的角度不匹配，就可以理解为发生了变化。比如入射是45度，如果不存在缺陷那么射出角度应该也是45度。如果不是45度，说明存在缺陷。

其中，检测过程中，通过改变调制装置和金属在水平方向上的相对位置，当表面等离子体波经过金属表面存在缺陷的地方，出射的空间辐射电磁波会发生变化。。

s304、处理单元利用机器学习算法对历史检测数据进行学习以获取缺陷检测模型；其中，所述历史检测数据是对存在缺陷的金属进行检测后探测到的数据。

举例来说，常见的机器学习算法包括分类学习算法，贝叶斯学习算法、支持向量机学习算法以及神经网络学习算法等等。

请参阅图12，在本发明的另一个实施例中，提供一种设备400。该设备可以是发射器，也可以是探测器。设备400包括cpu401、存储器402、总线403、收发器404等硬件。该设备可执行上述的发射器的方法或探测器的方法。

在本发明的另一个实施例中，公开了一种存储介质，所述存储介质中存储有程序代码，当所述程序代码被运行时，前述方法实施例中的方法会被执行。

在本发明的另一个实施例中，公开了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品中包含有程序代码；当所述程序代码被运行时，前述方法实施例中的方法会被执行。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。