金属表面常规检测方法

随着科技的发展，钢材等金属制品的需求量也在不断增加，对金属质量的要求也越来越高。直接导致的就是金属表面缺陷检测在钢铁生产中的作用和地位越来越明显，因为金属表面缺陷是影响质量成色的重要因素，其缺陷的类型、大小及严重程度是衡量金属制品质量的重要指标，是最直观，也是客户最关心的质量指标，对成品质量起着决定性的作用。目前，在金属表面缺陷检测中，如高温连铸坯表面、带钢表面等缺陷的检测，主要是人工抽样检查，不仅受现场客观条件的限制，也容易由于个人主观因素出现误判或错判，这种落后的检测手段已无法满足现代钢铁工业发展的要求。为开发金属制品表面缺陷在线检测系统，本文将探讨和国内外主流金属制品表面缺陷在线检测方法。

一、漏磁检测

漏磁检测技术广泛应用于钢铁产品的无损检测。其检测原理是，利用磁源对被测材料局部磁化，如材料表面存在裂纹或坑点等缺陷，则局部区域的磁导率降低、磁阻增加，磁化场将部分从此区域外泄，从而形成可检验的漏磁信号。在材料内部的磁力线遇到由缺陷产生的铁磁体间断时，磁力线将会发生聚焦或畸变，这一畸变扩散到材料本身之外，即形成可检测的磁场信号。采用磁敏元件检测漏磁场便可得到有关缺陷信息。因此，漏磁检测以磁敏电子装置与磁化设备组成检测传感器，将漏磁场转变为电信号提供给二次仪表。

漏磁检测技术的整个过程为：激磁-缺陷产生漏磁场-传感器获取信号-信号处理-分析判断。在磁性无损检测中，磁化时实现检测的第一步，它决定着被测量对象(如裂纹)能不能产出足够的可测量和可分辨的磁场信号，同时也影响着检测信号的性能，故要求增强被测磁化缺陷的漏磁信号。被测构件的磁化由磁化器来实现，主要包括磁场源和磁回路等部分。因此，针对被测构件特点和测量目的，选择合适的磁源和设计磁回路是磁化器优化的关键。

漏磁检测金属表面缺陷的物理基础使带有缺陷的铁磁件在磁场中被磁化后，在缺陷处会产生漏磁场，通过检测漏磁场来辩识有无缺陷。因此，研究缺陷漏磁场的特点，确定缺陷的特征，就成为漏磁检测理论和技术的关键。要测量漏磁场，测量装置须具有较高的灵敏度，特别是能测空间点磁场，还应有较大的测量范围和频带;测量装置须具有二维及三维的精确步进或调整能力，以确定传感器的空间位置;同时，应用先进的信号处理技术去除噪声，确定实际的漏磁场量。Foerster，Athertion 已成功应用霍尔器件检测缺陷，霍尔器件可在z—Y二维空间步进的最小间隔分别为2μm和0.1μm。

漏磁检测不仅能检测表面缺陷，且能检测内部微小缺陷;可检测到5X10mm。的微小缺陷;造价较低廉。其缺点是，只能用于金属材料的检测，无法识别缺陷种类。目前，漏磁检测在低温金属材料缺陷检测方面已进入实用阶段。如日本川崎公司千叶厂于1993年开发出在线非金属夹杂物检测装置;日本NKK公司福冈厂于同年研制出一种超高灵敏度的磁敏传感器，用于检测钢板表面缺陷。

二、红外线检测与技术

红外线检测是通过高频感应线圈使连铸板坯表面产生感应电流，在高频感应的集肤效应作用下，其穿透深度小于1 mm，且在表面缺陷区域的感应电流会导致单位长度的表面上消耗更多电能，引起连铸板坯局部表面的温度上升。该升温取决于缺陷的平均深度、线圈工作频率、特定输入电能，以及被检钢坯电性能、热性能、感应线圈宽度和钢运动速度等因素。当其它各种因素在一定范围内保持恒定时，就可通过检测局部温升值来计算缺陷深度，而局部温升值可通过红外线检测技术加以检定。利用该技术，挪威Elkem公司于1990年研制出Ther—mOMatic连铸钢坯自动检测系统，日本茨城大学工学部的冈本芳三等在检测板坯试件表面裂纹和微小针孔的实验研究中也利用此法得到较满意的结果。

三、超声波探伤技术

超声波检测是利用声脉在缺陷处发生特性变化的原理来检测。接触法是探头与工件表面之间经一层薄的起传递超声波能量作用的耦合剂直接接触。为避免空气层产生强烈反射，在探测时须将接触层间的空气排除干净，使声波入射工件，操作方便，但其对被测工件的表面光洁度要求较高。液浸法是将探头与工件全部浸入于液体或探头与工件之间，局部以充液体进行探伤的方法。脉冲反射法是当脉冲超声波入射至被测工件后，声波在工件内的反射状况就会显示在荧光屏上，根据反射波的时间及形状来判断工件内部缺陷及材料性质的方法。目前，超声波探伤技术已成功应用于金属管道内部的缺陷检测。

四、光学检测法

机器视觉是以图像处理理论为核心，属于人工智能范畴的一个领域，它是以数字图像处理、模式识别、计算机技术为基础的信息处理科学的重要分支，广泛应用于各种无损检测技术中。基于机器视觉的连铸板坯表面缺陷检测方法的基本原理是：一定的光源照在待测金属表面上，利用高速CCD摄像机获得连铸板坯表面图像，通过图像处理提取图像特征向量，通过分类器对表面缺陷进行检测与分类。20世纪70年代中期，El本Jil崎公司就开始研制镀锡板在线机器视觉检测装置 。1988年，美国Sick光电子公司也成功地研制出平行激光扫描检测装置，用以在线检测金属表面缺陷。基于机器视觉的表面在线检测与分类器设计的研究工作目前在国内尚处于起步阶段。1990年，华中理工大学采用激光扫描方法测量冷轧钢板宽度和检测孔洞缺陷，并开发了相应的信号处理电路;1995年又研制出冷轧连铸板坯表面轧洞、重皮和边裂等缺陷检测和最小带宽测量的实验系统。1996年，宝钢与原航天部二院联合研制出冷轧连铸板坯表面缺陷的在线检测系统，并进行了大量的在线试验研究。近年来，北京科技大学、华中科技大学等也研制出较为实用化的在线检测系统。

从检测技术的观点来看，基于机器视觉的钢表面缺陷检测系统面临困境：①要求检测到的缺陷的几何尺寸越来越小，有的甚至小于0.1 mm;② 检测对象可能处于运动状态，导致采集的图像抖动较大;③现场环境较恶劣，往往受烟尘、油污、温度高等因素的影响，引起缺陷图像信噪比下降;④表面缺陷的多样性(如冷轧连铸板坯表面可达100多种)，不同缺陷之间的光学特性、电磁特性不同;有的缺陷之间的差异不明显。因此，基于机器视觉的连铸板坯表面缺陷分类器要求具有收敛速度快、鲁棒性好、自学习功能等特点。

北京科技大学的徐科等提出了基于机器视觉的连铸板坯缺陷区(ROI)检测方法，对ROI图像的几何特征形特征、投影特征、纹理特征提取特征向量，并对不同位置的同类ROI进行搜索、提取和合并;同时，对提取ROI区域的多维特征向量，采用模式识别统一熵理论对ROI图像的多维特征向量进行降维处理。在此基础上，进行非确定性分类器算法应用研究，并已成功应用于攀钢和武钢的冷轧带钢表面缺陷在线检测。

武汉三维光之洋公司在冷轧带钢方面拥有成熟的表面监测技术，开发的HTS一2W 表面质量检测系统由标准摄像头、通用PC机及先进的软件构成，特点是分辨率高、能对整个带钢表面进行全自动检测。该系统装备与功能：① 系统通过采用氙气闪光灯与高灵敏度摄像头，可把整个检测单元安放在测量箱中(几乎在所有的热轧线上都有，用于安装测厚仪、平直度仪等)。采用百视泰系统的软件处理方法，使系统能符合热轧生产线的要求。②整个系统包括带摄像头和照明装置的检测单元、由若干套运行图像处理和缺陷分类软件的双处理器PC(每个摄像头配1套)组成的计算机单元以及若干操作显示终端(及标准PC)。另外，还可增加归档系统、打印机等。其关键数据，如轧线速度、钢卷号等通过TCP/IP或通过直接的信号接口输入到系统中。③系统使用若干个摄像头拍摄，各个摄像头的视场搭接，使获取的图像能覆盖整个带钢表面，且有足够的分辨率。每个摄像头都在其视场范围内连续摄取带钢表面的图像视频流。HTS一2W 系统_1 在蒂森一克虏伯公司的2号热轧机上成功应用带钢表面缺陷检测，能识别红铁皮、辊印、暗纹、氧化亚铁皮、划伤、孔洞、夹杂等缺陷，检测精度达95%。

五、结语

人工检测金属制品表面缺陷的方法受到检测人员主观因素影响大、实时性差、误检率高且检测手段落后。电涡流检测、红外线检测和漏磁检测的技术较成熟，但其对缺陷的敏感程度各不相同，漏检率较高，无法综合评价连铸板坯的表面质量，只能用在要求不太高的场合;利用机器视觉技术进行连铸板坯表面缺陷检测与分类，具有检测准确、缺陷识别范围较广、可靠性高且高效等特点，是目前表面缺陷检测领域研究的热点。

表面自动检测系统需将现代先进的自动检测技术、数学信号处理技术、微电子和VLSI技术、计算机技术、图像处理和模式识别技术相结合。面向钢铁工业中表面检测任务的机器视觉检测系统，正在由传统意义下纯粹的质量确认发展成为可在制造过程中及时提供反馈信息，以分析、控制和保证表面质量的有效质量控制环节。机器视觉检测技术今后随着新型高精度的图像传感器件、检测系统光学器件以及高采样速率、高动态范围的A/D转换器件的研制成功，为表面缺陷分辨力和灵敏度提出硬件平台，从而检测更为细微的缺陷。另外，高性能的缺陷分类器应能同时满足实时性和准确性，为进一步提高分类器的智能化水平，应探讨新型的优化算法(如遗传算法GA等)和模糊信息处理技术应用于分类器设计的可行性。