線陣CCD技術(shù)在鋼板測(cè)寬儀中的應(yīng)用

　　帶鋼質(zhì)量檢測(cè)帶鋼寬度是帶鋼生產(chǎn)中的一個(gè)重要的質(zhì)量指標(biāo)。為保證帶鋼生產(chǎn)的質(zhì)量控制, 需要在帶鋼軋制過程中對(duì)帶寬進(jìn)行在線監(jiān)測(cè), 以利于提高產(chǎn)品的寬度性能指標(biāo)。本文提出的帶鋼測(cè)寬儀利用線陣CCD 圖像檢測(cè)技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)帶鋼的非接觸動(dòng)態(tài)寬度測(cè)量及帶鋼寬度超差報(bào)警。

　　利用CCD 技術(shù)對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)測(cè)量,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、精度高、測(cè)量速度快、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。攝像頭的主要傳感部件是CCD, 它具有靈敏度高、畸變小、壽命長(zhǎng)、抗震動(dòng)、抗磁場(chǎng)、體積小、無殘影等特點(diǎn)。CCD 成像檢測(cè)的基本原理是, 首先在光學(xué)系統(tǒng)的作用下, 將被測(cè)物體的某種特性的變化轉(zhuǎn)化成光束角度的變化, 光束照射在CD 器件的受光窗面上, 受光窗面受光線照射的像素中產(chǎn)生光生電荷, 并將電荷存儲(chǔ)在像素單元中, 未受到光線照射的像素不產(chǎn)生光生電荷, 然后在CCD 驅(qū)動(dòng)電路中的讀出時(shí)鐘脈沖控制下, 將電荷轉(zhuǎn)移并移位傳輸至輸出電路中, 經(jīng)輸出電路將電荷量轉(zhuǎn)化為電壓量輸出。CCD 器件輸出的是數(shù)字視頻信號(hào), 需要經(jīng)過用戶設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理電路將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào), 以便進(jìn)一步處理。

　　1 測(cè)量方案與測(cè)量系統(tǒng)

　　目前國(guó)內(nèi)使用的測(cè)寬儀主為如圖所示結(jié)構(gòu)。主要包括兩個(gè)部分, 檢測(cè)箱和光源部分。檢測(cè)箱是測(cè)寬儀的頭部, 它包括兩個(gè)攝像機(jī)、連接兩個(gè)攝像機(jī)用的絲桿及驅(qū)動(dòng)絲桿用的電機(jī), 以及變速抱閘電磁離合器。另外還有測(cè)量基準(zhǔn)寬度用的自整角發(fā)送機(jī)和水、氣路系統(tǒng)等。在檢測(cè)箱中除兩個(gè)旋轉(zhuǎn)狹縫檢測(cè)頭采用CCD 攝像機(jī)。下部光源箱由6 根40W 日光燈組成, 左右各3 根另外在光源箱內(nèi)部通入壓縮空氣用于冷卻和防塵。為了光源箱上面的透光玻璃不受氧化鐵皮等所污染, 在玻璃上通以冷卻水沖洗。但從結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn),其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制體繁瑣,需要標(biāo)定鋼板攝像頭位置, 以及及時(shí)維護(hù),實(shí)時(shí)操作性非常差。因此可尋找一種改進(jìn)方法。

　　首先, 在光源上做一改進(jìn), 把下面的光源用一個(gè)激光發(fā)光管打到一個(gè)搖擺旋轉(zhuǎn)的反射鏡上, 使光點(diǎn)打在鋼板上形成一條直線。如圖所示. 然后在成像上做一改變, 不用什么電機(jī)來帶動(dòng)CCD 跑動(dòng), 而用一個(gè)凸透鏡, 使紅外光成像在CCD 上面。這樣結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單, 調(diào)試也很方便。如選用2500 像素的CCD, 測(cè)量2.5m 寬的鋼板, 那么CCD 的1 個(gè)像素對(duì)應(yīng)鋼板的1 mm。實(shí)際情況可以忽略激光光束的影響, 和鋼板傳送造成對(duì)測(cè)量的影響。因?yàn)楣庠幢容^穩(wěn)定, 鋼板的傳送速度相比反光鏡和CCD 的速度來說是非常慢, 1 .5 mm/s. 這樣在 CCD 的截面上成像成一道亮線, 這條線的像元數(shù)乘以1mm 的值, 即為鋼板的寬度。測(cè)量非常簡(jiǎn)單。這種結(jié)構(gòu)與上相比結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單, 如果能精度小于0.5mm 是完全可以代替的。該系統(tǒng)的精度后面論證。如上圖所示, CCD 感光則CCD 上的像元成高電平脈沖, 否則為低脈沖, 故只要測(cè)量出CCD 高電平脈沖的寬度就可以得出鋼板的尺寸來。分析該圖, 只要求出 N1 時(shí)刻的脈沖數(shù)和N2之后的脈沖數(shù), 積分時(shí)間固定, 就可以得出N1 和N2 之間的脈沖數(shù), 從而對(duì)應(yīng)得出測(cè)量尺寸來。這里考慮到CCD 的頻率20M相比之下比較高,MCU 處理起來有難度。觀察CCD 的實(shí)際輸出,用CPLD 計(jì)數(shù),在CCD 的場(chǎng)信號(hào)結(jié)束時(shí)把測(cè)得的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳給MCU 做處理。 這樣避免了繁瑣的硬件設(shè)計(jì)。這樣過程非常簡(jiǎn)單。用CPLD 來計(jì)DOS 的輸出, 當(dāng)場(chǎng)信號(hào)下降沿來臨時(shí), 將計(jì)數(shù)器清零, 在場(chǎng)信號(hào)上升沿來臨時(shí), 將計(jì)數(shù)器里的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上, 同時(shí)對(duì)MCU 申請(qǐng)中斷。MCU 將數(shù)據(jù)處理后顯示輸出, 并傳遞給下位機(jī)。

　　2 邊緣分割

　　CCD 輸出的視頻數(shù)字信號(hào)中包含了圖像背景信息和圖像信息, 如圖中的光屏蔽像素區(qū)、信號(hào)輸出區(qū)所示, 由于被測(cè)物與背景在光強(qiáng)上的變化, 反映在CCD 視頻信號(hào)所對(duì)應(yīng)的圖像譜上, 在邊界處會(huì)有明顯的電平變化, 但是具體來說如何準(zhǔn)確地邊界位置, 就需要將CCD 視頻信號(hào)中背景與圖像信息分離成二值電平信息。通常用閥值法。若閥值選得過高, 則過多的目標(biāo)點(diǎn)將誤歸為背景; 反之會(huì)出現(xiàn)相反情況。這勢(shì)必影響分割出來目標(biāo)的具體尺寸。因此, 確定閥值是問題的核心。分析CCD 視頻信號(hào)的輸出波形可以看出, 圖像邊界在波形圖曲線變化率最大的點(diǎn)處。為此, 可以用微分的辦法找到曲線的最大變化率所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。這種方法稱微分法。微分法的電路原理框圖如圖所示。將CCD 視頻輸出的調(diào)幅脈沖信號(hào)經(jīng)采樣保持電路或低通濾波后變成連續(xù)的視頻信號(hào), 如圖所示。將連續(xù)視頻信號(hào)經(jīng)過微分電路I 微分, 它的輸出是視頻信號(hào)的變化率, 信號(hào)電壓的最大值對(duì)應(yīng)視頻信號(hào)邊界過濾區(qū)變化濾最大的點(diǎn)(如圖中的A 點(diǎn)及A 點(diǎn))。微分I 在視頻信號(hào)的下降沿產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖, 在上升沿產(chǎn)生一個(gè)正脈沖, 如圖的第4 的第二條波形所示。將微分I 輸出的兩個(gè)級(jí)性相反的脈沖信號(hào)送給取絕對(duì)值電路, 經(jīng)過絕對(duì)值電路將微分I 電路輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變成同級(jí)性的脈沖信號(hào), 如圖的第3 條波波形, 信號(hào)的幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)邊界特征點(diǎn)。將同級(jí)性脈沖送入微分電路 II 再次微分, 獲得對(duì)應(yīng)絕對(duì)最大值處的過零信號(hào)。過零信號(hào)再次經(jīng)過零觸發(fā)器, 輸出兩個(gè)下降邊沿對(duì)應(yīng)于過零點(diǎn)的脈沖信號(hào)。用這兩個(gè)脈沖的下降沿取觸一個(gè)觸發(fā)器, 便可以獲得視頻信號(hào)起初邊界特征的發(fā)波脈沖, 即二值化信號(hào)。其脈沖寬度為圖形AA 間的寬度。

　　如此檢測(cè)的把帶鋼圖像從背景中分離出來,精度相比較起來比前面的要高。 其理論精度可提高到1/7 像元, 也就是1/7mm。這樣的精度在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)足夠。實(shí)際測(cè)量可以保證到0.2mm。

　　3 使用情況與結(jié)論

　　在鋼廠的實(shí)際應(yīng)用中, 做實(shí)測(cè)得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表所示:

　　從圖中可以看到, 其精度滿足于實(shí)際的需要。測(cè)寬儀的改造基本是成功的, 無論在可靠性、檢測(cè)精度、故障率等方面, 均滿足了生產(chǎn)工藝要求, 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。用戶反應(yīng)良好。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):從結(jié)構(gòu)上有很大的創(chuàng)新, 結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單,無須反復(fù)標(biāo)定, 操作簡(jiǎn)便, 成本也相當(dāng)經(jīng)濟(jì), 是原有的三分之一。測(cè)量原理與信號(hào)采集與系統(tǒng)相比, 也比較簡(jiǎn)單。

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　　作者簡(jiǎn)介:何社陽, 男 (1976—), 漢族, 河南靈寶人, 碩士,河南科技大學(xué)教師, 主要研究方向?yàn)?檢測(cè)與控制、儀器儀表等。

　　通訊地址:(471003 河南洛陽 河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院65 信箱)何社陽

　　(收稿日期:2007.2.13)(修稿日期:2007.3.15