基于相移技术的车辆轮胎激光快速无损检测方法与流程

本发明涉及轮胎检测技术领域，特别是涉及一种基于相移技术的车辆轮胎激光快速无损检测方法。

背景技术：

据统计，汽车轮胎的钢丝及帘布断裂等缺陷，对汽车行驶安全危害较大。但从外观上无法用肉眼识别，极大影响了使用安全。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的提供一种基于相移技术的车辆轮胎激光快速无损检测方法。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于相移技术的车辆轮胎激光快速无损检测方法，

所述方法，包括利用检测头机构进行车辆轮胎的检测的步骤；所述检测头机构通过相移技术，获得对比度很高的条纹图；

所述相移技术为偏振相移法，所述偏振相移法：利用正交的二偏振光经四分之一波片和偏振片，通过改变它们的相对转角可实现相移；

激光器发出的光束经扩束镜扩束后，照明物体表面，物面漫反射的光通过错位镜分成正交偏振并互相分离的两束光，物光和参考光；

在物光与参考光合束后共同通过一个1/4波片，该1/4波片的快轴与物光及参考光偏振方向各成45度，错位镜提供了两个正交偏振的错位像，从而使两束光分别变成左旋和右旋圆偏振光，旋转放在1/4波片后的偏振片任一角度，干涉条纹发生2倍于该角度的条纹相移，每转动偏振片π/4，即实现π/2的相移。

其中，所述检测头机构包括激光照射单元、光学干涉单元和图像采集单元，

所述激光照射单元，包括：激光器以及反射镜、扩束镜，

所述光学干涉单元，包括：渥拉斯顿棱镜、1/4波片以及偏振片，

所述图像采集单元，包括：带c接口镜头、ccd，

通过激光器发出的激光束依次经过反射镜和扩束镜后，照射在轮胎的检测区域上，通过光学干涉单元接收轮胎检测区域上的反射光，反射光依次经过渥拉斯顿棱镜、1/4波片以及偏振片，然后，通过带c接口镜头、ccd转换为图像信息加以输出。

其中，所述ccd与视频采集盒连接，所述视频采集盒与计算机连接，图像信号输入到计算机中，经过加载处理，就可以检测出所检区域内轮胎的内部缺陷。

其中，所述渥拉斯顿棱镜由两个用双折射材料制成直角棱镜粘合而成。

另外，本申请还提供了一种基于相移技术的车辆轮胎激光快速无损检测方法，

所述方法，包括利用检测头机构进行车辆轮胎的检测的步骤；所述检测头机构通过相移技术，获得对比度很高的条纹图；

所述相移技术为压电陶瓷法，所述压电陶瓷法是在压电陶瓷的一端，即自由端粘贴一平面反射镜，当在其两端加不同的电压时，压电陶瓷的伸缩使反射镜产生平移，从而改变光程而实现相位改变。

其中，所述检测头机构包括激光照射单元、光学干涉单元和图像采集单元，

所述激光照射单元，包括：激光器、扩束镜，

所述光学干涉单元，包括：分光棱镜、第一反射镜以及第二反射镜，

所述图像采集单元，包括：ccd，

激光器发射的激光束经过扩束镜后，用准直激光照射被测物，被测物的散射光通过分光棱镜后分成2束，经过第一反射镜和第二反射镜两个平面反射镜的反射后，再次经过分光棱镜，然后在ccd像面上形成两个重叠的被测物像。

其中，所述ccd与图像采集卡连接，利用所述ccd进行摄像，通过图像采集卡采集并存入计算机，对变形前后的两幅图像进行实时相减，即可形成一幅剪切散斑干涉条纹图。

其中，所述第一反射镜垂直设置于分光棱镜上方，所述第二反射镜水平设置于分光棱镜的右侧。

其中，所述第一反射镜为压电陶瓷反射镜，所述第一发射镜由位移控制器通过计算机控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，通过在剪切散斑中引入相移技术，可以获得对比度很高的条纹图，是提高检测效果的有效方法。相移技术利用相位变化求解位移和位移导数，从而得到全场的相位分布，使识别缺陷更进一步，在无损检测中得到很好的应用。相移法是精度较高、能对剪切散斑干涉条纹图自动分析的一种方法，所以相移技术在剪切散斑技术中非常重要。

附图说明

图1所示为本申请的检测系统的结构第一示意图；

图2所示为本申请的检测系统的结构第二示意图；

图3所示为本申请的检测系统的滑块的结构示意图；

图4所示为本申请的检测系统的轮胎辅助固定架的结构示意图；

图5所示为本申请的检测系统的固定架卡座的结构示意图；

图6所示为本申请检测系统的检测头机构的实施例1的结构示意图；

图7所示为本申请检测系统的检测头机构的实施例1的渥拉斯顿棱镜的结构示意图；

图8所示为本申请检测系统的检测头机构的实施例2的结构示意图；

图9所示为本申请检测系统的检测头机构的实施例2的分光棱镜的结构示意图；

图中，1-车轮，2-电磁阀，3-气泵，4-检测头，5-滑块，6-固定板，7-支撑板，8-旋转电机，9-调节支脚，10-轮架，11-第一锥形轮，12-第二锥形轮，13-旋转轮，14-调节丝杠，15-导向杆，16-移动块，17-底板，18-侧板，19-横向连接杆，20-下夹块，21-锁紧螺栓，22-上夹块，23-锁定板，24-锁紧杆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，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、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个部件或者模块或特征与其他部件或者模块或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了部件或者模块在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的部件或者模块被倒置，则描述为“在其他部件或者模块或构造上方”或“在其他部件或者模块或构造之上”的部件或者模块之后将被定位为“在其他部件或者模块或构造下方”或“在其他部件或者模块或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该部件或者模块也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请提供了一种基于相移技术的车辆轮胎激光快速无损检测方法，其特征在于，

所述方法，包括利用检测头机构进行车辆轮胎的检测的步骤；所述检测头机构通过相移技术，获得对比度很高的条纹图；

所述相移技术为偏振相移法，所述偏振相移法：利用正交的二偏振光经四分之一波片和偏振片，通过改变它们的相对转角可实现相移；

激光器发出的光束经扩束镜扩束后，照明物体表面，物面漫反射的光通过错位镜分成正交偏振并互相分离的两束光，物光和参考光；

在物光与参考光合束后共同通过一个1/4波片，该1/4波片的快轴与物光及参考光偏振方向各成45度，错位镜提供了两个正交偏振的错位像，从而使两束光分别变成左旋和右旋圆偏振光，旋转放在1/4波片后的偏振片任一角度，干涉条纹发生2倍于该角度的条纹相移，每转动偏振片π/4，即实现π/2的相移。

相移技术利用相位变化求解位移和位移导数，从而得到全场的相位分布，通过如下步骤实现：

在不考虑噪声的情况下，像面上(x,y)点处的光强可以表示为：

引入每级为2π/n的相移量，则：

式中，i＝1,2,…,n。n为采样次数。

上式可展开成如下形式：

等式右边实际上是一个傅立叶级数，由三角函数的正交特性可以求得：

通常情况下每点的光强表达式有3个未知数，至少需要3个方程求解，即n≥3。

当n＝3时，由上式可得：

此公式即为三步相移法的计算公式。其中i1、i2、i3分别为角度为0°、120°、240°时的光强。

当n＝4时，得：

此公式即为四步相移法的计算公式。其中i1、i2、i3、i4分别为角度为0°、90°、180°、270°时的光强。

本系统设计为采用4步相移法。

相位的值域范围是(-π,π)，但由反正切函数计算得到的相位值都是包裹相位值，取值范围，即只能得到截断相位图，即相位值是被截断在反正切函数的主值范围内的。要获得真实的相位值，就需要进行相位解(去)包裹(phaseunwrapping，或称相位展开)处理，即将由于反正切函数运算引起的截断相位恢复成原有的连续相位分布。由于检测过程中不可避免的各种干扰而使包裹相位图总存在相位误差点，即相位不正确的跃变点或应该有跃变而未跃变的点。由于包络相位图中的随机噪声、无效数据等的影响，使相位展开成为相位测量中的一个难点。

的值域分布为但也取此值域，因此无法给出真实相位。经过判断分子、分母的正负可以进一步将值域扩展到[-π,π)，每一步的相位用一个字节表示，使[-π,π)对应[0,255]灰度级，这样就可以得到相位图。经过计算得到的相位图是一些在[-π,π)上分布的与干涉条纹对应的相位条纹。在处，存在差2π的间断点。相位去包裹的目的就是要消除这些间断点，得到连续的相位分布相位去包裹的基本思想是：判断任意相位像素的灰度级之差，当这种差值大于某一阈值时，即认为是间断点，进行加或减2π的运算。

另外，本申请还提供了另外一种基于相移技术的车辆轮胎激光快速无损检测方法，所述方法，包括利用检测头机构进行车辆轮胎的检测的步骤；所述检测头机构通过相移技术，获得对比度很高的条纹图；

利用压电陶瓷的逆压电效应或电致伸缩效应引入相移。使用时，压电陶瓷的一端，即自由端粘贴一平面反射镜，当在其两端加不同的电压时，压电陶瓷的伸缩使反射镜产生平移，从而改变光程而实现相位改变。这种方法的优点是体积小、结构简单、响应速度快、稳定性好；缺点是驱动电路较复杂，驱动电源体积大，不利于仪器小型化。

如图1-图5所示，本发明提供了一种车辆轮胎激光快速无损检测系统，上述的检测头机构，应用于如下检测系统中，包括：充气装置、旋转轮机构以及检测头机构、轮胎辅助固定架，所述轮胎辅助固定架安装在旋转轮机构上，

所述充气装置，包括：充气管以及设置在充气管上的电磁阀以及气泵，所述充气管的一端与待测轮胎的充气嘴连接；

所述旋转轮机构，包括：旋转轮，所述旋转轮通过轮轴滑动连接在轮架上，能够旋转，一端的轮轴上连接有第二锥形轮，所述轮架上安装有旋转电机，所述旋转电机的输出轴上设置有第一锥形轮，所述第一锥形轮和第二锥形轮传动连接；

所述轮架设置在支撑板上，所述支撑板上还设置有检测头机构；

所述轮胎辅助固定架包括两块平行间隔设置的底板，两个底板通过横向连接杆连接，每个底板上均设置一个纵向的侧板，侧板的上端设置有固定架卡座，所述固定架卡座包括下夹块和上夹块，所述下夹块和上夹块通过锁紧螺栓固定连接，下夹块通过螺栓与侧板顶端固定连接，两侧的固定架卡座与锁紧杆的两端滑动连接，锁紧杆上固定连接有锁定板，所述锁定板上设置有螺栓孔，使用的时候，锁紧杆穿过轮胎的轮毂后，锁定板上的螺栓孔与轮毂上的螺栓孔使用螺栓固定，所述底板安装在支撑板上。

其中，所述支撑板下端安装有能够调节高度的调节支脚。

其中，所述支撑板上设置有安装槽，所述安装槽内安装有移动块，调节丝杠穿过移动块一侧，与移动块螺纹连接，与支撑板滑动连接，导向杆穿过移动块，与移动块滑动连接，与支撑板固定连接，通过旋转调节丝杠，使得移动块移动，所述轮架设置在移动块上。

其中，检测头安装在滑块上，所述固定板上设置有滑动槽，所述滑块与滑动槽相配合使用，滑块与滑动槽滑动连接，所述滑块下端为燕尾形状，所述滑动槽的形状为燕尾形状。

便携式方案的设计思想着重体现原位、经济、便捷检测，对越野车等单车轮车型不需要从车辆上拆下轮胎就可进行检测，对于后轮双胎的运输车等车型，只需要拆下一个轮胎即可检测。

便携式方案进行检测时，用千斤顶顶在车轴上，将轮胎顶起，顶起高度使轮胎可以自由旋转即可。将充气机通过一个可控制阀门(该阀门由控制箱控制充放气)连接到轮胎的充气嘴。控制箱也控制充气机的电路，可实现开关充气机，即在需要充气的时候启动充气机，反之关闭。这样，就实现了对轮胎的可控制加载。笔记本电脑通过串口与控制箱连接(对于没有串口的笔记本电脑，可接usb转串口器)，以实现对控制器的自动操作。检测头通过usb接口的视频采集盒与笔记本电脑连接，以采集视频信号。伺服电机驱动的旋转轮可自动驱动轮胎旋转，旋转的时机和角度由笔记本电脑通过控制箱来控制。对于双轮的情况，需要人工将双轮胎卸下，然后装上外侧轮胎进行单胎检测。之后，再换上内则轮胎进行单胎检测,最后将外侧轮胎装上复原。或者，可以利用本系统设计的辅助支架装置来减少拆卸步骤。

对于双后轮的情况，由于2个轮胎的相对的胎侧没有空间安放设备，所以需要将一个轮胎先拆卸下来进行单胎的检测。

如图6-7所示，为本申请检测头机构的一种实施例，该实施例使用偏振相移法，所述检测头机构包括激光照射单元、光学干涉单元和图像采集单元，

所述激光照射单元，包括：激光器以及反射镜、扩束镜，

所述光学干涉单元，包括：渥拉斯顿棱镜、1/4波片以及偏振片，

所述图像采集单元，包括：带c接口镜头、ccd，

通过激光器发出的激光束依次经过反射镜和扩束镜后，照射在轮胎的检测区域上，通过光学干涉单元接收轮胎检测区域上的反射光，反射光依次经过渥拉斯顿棱镜、1/4波片以及偏振片，然后，通过带c接口镜头、ccd转换为图像信息加以输出。

检测头机构是整个系统的核心部分。由“激光照射系统”、“光学干涉系统”和“图像采集系统”组成。它的主要功能是发出经过处理的均匀的激光束照射在轮胎的检测区域上，通过剪切光学系统接收轮胎检测区域上的反射光，转换为图像信息加以输出。所输出的图像信号输入到系统的计算机中，经过加载处理，就可以检测出所检区域内轮胎的内部缺陷。

检测头中实现剪切功能的光学方法为渥拉斯顿棱镜法。渥拉斯顿棱镜法属于波前分割剪切干涉法。这种剪切实现方案是利用了光的偏振和双折射现象。由两个用双折射材料制成直角棱镜粘合而成。所以渥拉斯顿棱镜法也称双折射棱镜加偏振镜片(polarizer)的方法。使用渥拉斯顿棱镜的优点是光路和结构简单、防震要求低。

当一束光垂直入射到棱镜的前表面时，在后表面将形成两束互相分开的、振动方向互相垂直的平面偏振光。当光线入射到第一块棱镜后，寻常光(ordinaryray，o光)和非常光(extraordinaryray，e光)无折射地沿同一方向进行，但它们的速度不同。在进入第二块棱镜后，由于第二块棱镜的光轴垂直于第一块棱镜的光轴，故第一块棱镜的寻常光变为非常光，非常光变为寻常光。在两棱镜的界面上将分别以相对折射率ne/no和no/ne折射，结果两束光在第二块棱镜中分开，并在离开棱镜时将再次折射而形成按一定角度分开的偏振光，它们的振动方向互相垂直。这两束光互为参考光(reference)和物光(object)而干涉。但其振动方向互相垂直，所以需要在棱镜后加一块偏振片，其偏振轴和从渥拉斯顿棱镜输出的两束偏振光成45°角，从而可使这两束偏振光在偏振片的偏振轴方向上相干涉。

当棱镜顶角β不大时，两折射光束差不多对称出射，由渥拉斯顿棱镜折射出的两束光的夹角(剪切角)近似为：

α＝2arcsin[(no-ne)tanβ]

式中，no－棱镜材料的寻常光的折射率；ne－棱镜材料的非常光的折射率，β－棱镜的顶角。

物面近似剪切量为：so≈doα

式中，so－物面近似剪切量；do－物距；α－剪切角。

像面近似剪切量为：si≈diα

式中，si－像面近似剪切量；di－像距；α－剪切角。

通过上面的分析可以发现：当渥拉斯顿棱镜制作好以后，材料的折射率和棱镜的顶角都已经固定了，所以两束光的夹角也就是剪切角就固定了。因此，要调整剪切量时，需要移动渥拉斯顿棱镜的前后位置，以改变像距或物距。

如图8-9所示，为检测头机构的另外一种结构，该机构使用压电陶瓷法，包括：激光照射单元、光学干涉单元和图像采集单元，

所述激光照射单元，包括：激光器、扩束镜，

所述光学干涉单元，包括：分光棱镜、第一反射镜以及第二反射镜，

所述图像采集单元，包括：ccd，

激光器发射的激光束经过扩束镜后，用准直激光照射被测物，被测物的散射光通过分光棱镜后分成2束，经过第一反射镜和第二反射镜两个平面反射镜的反射后，再次经过分光棱镜，然后在ccd像面上形成两个重叠的被测物像。

本实施例实现了单次检测成像技术，在检测快捷性和方便性上有巨大进步。

本实施例的剪切结构属于振幅分割剪切干涉法。剪切光路属于双光路布置，由分光镜(半透半反镜)与两片反射镜组成图像错位装置。

用准直激光照射被测物，被测物的散射光通过半透半反镜后分成2束，经过两个平面反射镜的反射后，再次经过半透半反镜，然后在ccd像面上形成两个重叠的被测物像。由于两个平面反射镜中，一个与光轴垂直，另一个与光轴有一微小夹角α，所以被测物的两个像有一定的错位，即实现了剪切成像。

第一反射镜为压电陶瓷(piezoelectricceramic,pzt)反射镜，位移控制器通过计算机控制，带动第一反射镜移动。压电陶瓷反射镜的移动即可改变光波的行程，实现光波的相移；旋转反射镜还可调节剪切量的大小。散斑图像采用ccd摄像，通过图像采集卡(即a/d转换器)采集并存入计算机内存，对变形前后的两幅图像进行实时相减，即可形成一幅剪切散斑干涉条纹图。

优点是：由于物光在行进中能量损失较少，光强比接近于1，且在全场内分布均匀，光能利用率高，图像质量好；剪切量(剪切角度)的改变非常容易；易于实现相移技术。

物面近似剪切量为：so≈do2α

式中，so－物面剪切量；do－物距；α－反射镜法线与光轴的夹角。

检测头的激光器组共13个波长780纳米二极管激光器以环状分布构成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。