1 前言 　　在無損探傷的研究中，往往要預先制作標準試樣，以供設備研制的測試和標定。標準試樣是一定規格的槽或孔，有關國家標準對其深度尺寸有較高的要求。測量刻槽深度的方法有多種，如機械儀表測量、超聲波測量、脈沖熱像檢測和白光干涉測量法等。脈沖熱像對槽深度的定量檢測通常利用熱像時間序列先求得峰值時間，進而求得槽深度，但該法不適合窄槽的測量[1]，也不適合精確測量深度小的缺陷[2]。機械儀表測量通常采用游標卡尺、深度百分表或千分表，操作簡單，但測量的精度不高。超聲波測量是在槽的兩側表面相近部位,分別配置超聲波縱波發射探頭和接收探頭，接收探頭接收到的回波中含有槽深度信息，按此回波的傳播時間來測量裂縫的深度，該方法測量精度高，但超聲波測量過程麻煩，適用范圍小[3]。白光干涉測量法是利用邁克爾遜光路結構產生相干光，采用白光光源測量物體表面的三維輪廓，具有高測量精度和高靈敏度的特點，測試過程快速準確，但該方法對底部比較粗糙的刻槽不適合[4]。 　　在底部較粗糙的窄淺槽深度測量方面，上述測量方法受到了很大的限制。如今，數字圖像處理技術已經非常成熟，同時CCD的成像質量越來越高。用光切法和CCD獲取光帶在槽輪廓處形成的圖像，再用計算機軟件對圖像進行處理，不僅操作十分簡便，而且測量精度較高。 　　 2 光切法測量原理 　　光切法的主要設備是雙管顯微鏡，其加裝CCD后的測量光路如圖1所示。雙管顯微鏡有兩個光管，一個為照明管，另—為觀測管。兩管軸線互成90°。光源4發出的光經聚光鏡3聚焦成平行光，經狹縫2后形成細光帶，再由物鏡1聚焦后，成45°角投射在工件8的表面上。細光帶與槽的長度方向垂直。光帶以與光源成90°角的方向反射，經物鏡7和目鏡6聚焦后以供觀測[5]。在目鏡后加裝CCD5，以便產生數字圖像傳送給計算機進行處理。 　　1—照明管物鏡 2—狹縫 3—聚光鏡 4—光源 5—攝像頭 　　6—觀測管目鏡 7—觀測管物鏡 8—帶窄槽的工件 　　在未開槽的工件表面上，光帶成像是一條完整的光帶，但開槽后由于槽底部與工件上表面不在一個高度上，形成的反射光帶與上表面的反光會錯開一定距離，光帶不再是連續的。 　　 [b]3 CCD攝取圖像 [/b]　　3.1 CCD成像原理 　　電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device）是在P（或N）型硅基體上，生成一層SiO2絕緣層（厚度約0.1μm），再于絕緣層上淀積一系列間隙相隔很小（小于0.3μm）的金屬電極（柵極），每個金屬電極和它下面的絕緣層及半導體硅基體形成一個MOS電容器，CCD實際上是由一系列MOS電容器構成的MOS陣列。由于這些MOS電容器彼此靠得很近，它們之間可以發生耦合，使被注入到MOS電容器中的電荷可以有控制地從一個電容器移位到另一個電容器。這種電荷轉移過程是電荷耦合的過程 [6]。生成的電荷通過模數轉換器芯片轉換成數字信號，再傳輸給計算機，并借助計算機的處理手段，根據需要來修改圖像。CCD通常以像素為單位。 　　3.2 光源的選擇 　　CCD應用系統可大致分為攝像和檢測兩種類型，不同類型對照明光源有不同要求。攝像是為了真實地記錄景物的結構、狀態和顏色，光源一般是日光或大功率氙燈。檢測系統一般有兩種：一種是通過測量被檢測物體的像來測量被檢測物體的某些特征參數；另一種是通過測量被檢物體的空間頻譜分布確定被檢物體的某些特征參數。對于前者，只要選用白熾燈或鹵鎢燈作為照明光源就可以了；而對于后者，應選用激光照明，它能滿足單色性好、相干性好、光束準直度高等方面的要求[7]。 在實際測量中，采用了白熾燈光經黃綠色濾光片后所得的光作為光源，既有效地縮小了光的波長范圍，又保證了光照度，效果較好。 　　3.3 攝取圖像 　　在調好雙管顯微鏡的光源聚焦后，再調整好顯微鏡的目鏡，用肉眼觀察光帶的成像質量。在獲得較好的成像質量后，安裝好帶有CCD的攝像頭并攝取圖像。前后需攝取兩幅圖像，一幅是工件完好表面的光帶圖像，還有一幅是槽及其相近工件表面的光帶圖像。 　　實際測量一個電火花加工（EDM）獲得的刻槽的光帶圖像。該工件是不銹鋼管，其外圓柱面（OD面）上刻有縱向（槽的長度方向與鋼管中心線平行）槽。先旋轉鋼管，在完好的部位拍攝一幅圖像，如圖2（a）所示。此圖像是不銹鋼管OD面反射光帶的圖像，用作槽圖像的參照，便于較好地讀取槽底部和其對應鋼管表面的距離。鋼管OD面和刻槽底部的反射光帶共同形成的圖像。 　　（a） 鋼管表面的光帶圖像 　　（b） 鋼管槽的光帶圖像 　　 [b]4 數字圖像處理 [/b]　　在實際應用中，不銹鋼管表面受光潔度的影響，形成的光帶輪廓不是很清晰。尤其是電火花加工的緣故，槽底部的表面粗糙度較大，槽底形成的光帶短小、模糊。在圖像質量不高的情況下，有必要用數字圖像處理技術對獲得的圖像進行處理，以提取感興趣的信息[8]。 　　4.1 圖像閾值分割 由于圖像只由光帶和暗背景兩部分組成，因此首先對圖像進行閾值分割處理可獲得較好的圖像效果。選用迭代閾值圖像分割方法，先進行直方圖灰度值統計，設定初始閾值為127，分別計算圖像中小于127和大于127的兩組平均灰度值，再進行迭代計算，直至兩個閾值相等，根據計算的閾值對圖像進行二值化處理 [8]。 　　4.2 濾波處理 　　濾波處理使圖像輪廓平滑，圖像質量得到改善。中值濾波既能去除圖像中的噪聲，又能保持圖像中一些物體的邊緣[9]。選用9×9中值濾波方法，讀取圖像后循環取得各點像素值，并對以各點為中心的9×9窗口所包括的像素值進行排序，得到中間值，以此替代各點的像素值[8]。 　　4.3 轉為灰度圖像 　　把彩色圖像轉換為灰度圖像，便于下步的粗化處理。具體處理方法是比較各像素點的R、G、B分量值，取最大值作為該像素點的灰度值[8。 　　（a） 鋼管OD面光帶 　　（b） 鋼管槽光帶 　　此時的圖像雖較清晰，但輪廓較粗，邊緣不整齊，不利于讀數，因此有必要進行進一步的處理。 　　4.4 粗化處理 　　粗化處理是為了獲得圖像的“骨架”，即圖像輪廓的中軸線。先對灰度圖像進行灰度值取補，然后再對圖像細化處理，即先定義一個5×5的結構元素，計算5×5的結構元素中各個位置上的值，從第3行第3列開始起，判斷每一像素點是否同時符合被刪除的4個條件，并依次對其進行處理[8]。循環執行判斷是否刪除，直到沒有點可以刪除為止。　　 　　（a） 鋼管OD面的光帶骨架 　　（b） 鋼管槽的光帶骨架 　　4.5 圖像的疊合 　　清晰地看到光帶圖像是圓弧狀的，為便于觀察槽底部圖像與加工前鋼管外表面圖像的差別。 　　4.6 局部放大后加網格 　　上方的小黑點即為槽底部的圖像，下方水平線即鋼管表面未加工處的圖像。為便于讀數，把圖像中間部分放大一倍，然后添加網格，分度為6微米/格。 　　 [b]5 結語 [/b]　　在對不銹鋼管的刻槽深度測量的實際應用中，該方法測量的精度較高，尤其適合刻槽底部具有一定粗糙度的窄淺槽深度的高精度測量，同時也可用作對刻槽寬度的測量。在開發出合適的應用程序后，該方法既可以實現數字圖像的自動處理，也可以在自動處理圖像的效果不好時，用手動的方式進行分步處理，必要時還可增加亮度調節和對比度調節以及其他濾波處理等環節。還可以在保證鋼管移動平穩性的前提下，實現對單個刻槽不同部位深度的連續測量，便于完全掌握刻槽的深度信息。在改變顯微鏡的放大倍數的情況下，也可以測量較大的刻槽深度。 　　 [b]參考文獻： [/b]　　[1] 王永茂,王颯爽,馬寧等.缺陷深度脈沖熱像檢測新方法（J）.無損檢測,2004,26　　　　（3）,124-126. 　　[2] 王永茂,郭興旺,李日華等. 缺陷大小和深度的紅外檢測（J）.無損檢測，2003，25（9），458-461. 　　[3] 王亞峰.裂紋深度非破壞測量方法（J）.計量技術，2006,7,39-40. 　　[4] 薛晨陽3,孔繁華,張文棟等.利用白光干涉原理測量MEMS深槽結構（J）.傳感技術學報（J）,2006,19（5）. 　　[5] 謝鐵邦,李柱,席宏卓.互換性與技術測量（第三版）（M）.武漢：華中理工大學出版社,1998. 　　[6] 劉篤仁等.傳感器原理及應用技術（M）.西安：西安電子科技大學出版社．2003. 　　[7] 王慶有等.CCD應用技術（M）.天津：天津大學出版社，2000． 　　[8] 楊淑瑩.VC++圖像處理程序設計（第2版）（M）.北京：清華大學出版社,北京交通大學出版社,2005. 　　[9] 夏良正等.數字圖像處理（修訂版） （M）．南京：東南大學出版社，1999．