線陣CCD技術在鋼板測寬儀中的應用

　　帶鋼質量檢測帶鋼寬度是帶鋼生產中的一個重要的質量指標。為保證帶鋼生產的質量控制, 需要在帶鋼軋制過程中對帶寬進行在線監測, 以利于提高產品的寬度性能指標。本文提出的帶鋼測寬儀利用線陣CCD 圖像檢測技術, 實現了傳動帶鋼的非接觸動態寬度測量及帶鋼寬度超差報警。

　　利用CCD 技術對產品表面質量進行實時檢測、動態測量,具有結構簡單、非接觸、精度高、測量速度快、性能穩定可靠等優點。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、抗震動、抗磁場、體積小、無殘影等特點。CCD 成像檢測的基本原理是, 首先在光學系統的作用下, 將被測物體的某種特性的變化轉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生光生電荷, 并將電荷存儲在像素單元中, 未受到光線照射的像素不產生光生電荷, 然后在CCD 驅動電路中的讀出時鐘脈沖控制下, 將電荷轉移并移位傳輸至輸出電路中, 經輸出電路將電荷量轉化為電壓量輸出。CCD 器件輸出的是數字視頻信號, 需要經過用戶設計的數據處理電路將其轉化為標準信號, 以便進一步處理。

　　1 測量方案與測量系統

　　目前國內使用的測寬儀主為如圖所示結構。主要包括兩個部分, 檢測箱和光源部分。檢測箱是測寬儀的頭部, 它包括兩個攝像機、連接兩個攝像機用的絲桿及驅動絲桿用的電機, 以及變速抱閘電磁離合器。另外還有測量基準寬度用的自整角發送機和水、氣路系統等。在檢測箱中除兩個旋轉狹縫檢測頭采用CCD 攝像機。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。但從結構中可以發現,其結構復雜,控制體繁瑣,需要標定鋼板攝像頭位置, 以及及時維護,實時操作性非常差。因此可尋找一種改進方法。

　　首先, 在光源上做一改進, 把下面的光源用一個激光發光管打到一個搖擺旋轉的反射鏡上, 使光點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, 不用什么電機來帶動CCD 跑動, 而用一個凸透鏡, 使紅外光成像在CCD 上面。這樣結構相當簡單, 調試也很方便。如選用2500 像素的CCD, 測量2.5m 寬的鋼板, 那么CCD 的1 個像素對應鋼板的1 mm。實際情況可以忽略激光光束的影響, 和鋼板傳送造成對測量的影響。因為光源比較穩定, 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, 這條線的像元數乘以1mm 的值, 即為鋼板的寬度。測量非常簡單。這種結構與上相比結構非常簡單, 如果能精度小于0.5mm 是完全可以代替的。該系統的精度后面論證。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 時刻的脈沖數和N2之后的脈沖數, 積分時間固定, 就可以得出N1 和N2 之間的脈沖數, 從而對應得出測量尺寸來。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 的實際輸出,用CPLD 計數,在CCD 的場信號結束時把測得的數據數據傳給MCU 做處理。 這樣避免了繁瑣的硬件設計。這樣過程非常簡單。用CPLD 來計DOS 的輸出, 當場信號下降沿來臨時, 將計數器清零, 在場信號上升沿來臨時, 將計數器里的數據送到數據線上, 同時對MCU 申請中斷。MCU 將數據處理后顯示輸出, 并傳遞給下位機。

　　2 邊緣分割

　　CCD 輸出的視頻數字信號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、信號輸出區所示, 由于被測物與背景在光強上的變化, 反映在CCD 視頻信號所對應的圖像譜上, 在邊界處會有明顯的電平變化, 但是具體來說如何準確地邊界位置, 就需要將CCD 視頻信號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, 則過多的目標點將誤歸為背景; 反之會出現相反情況。這勢必影響分割出來目標的具體尺寸。因此, 確定閥值是問題的核心。分析CCD 視頻信號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處。為此, 可以用微分的辦法找到曲線的最大變化率所對應的點。這種方法稱微分法。微分法的電路原理框圖如圖所示。將CCD 視頻輸出的調幅脈沖信號經采樣保持電路或低通濾波后變成連續的視頻信號, 如圖所示。將連續視頻信號經過微分電路I 微分, 它的輸出是視頻信號的變化率, 信號電壓的最大值對應視頻信號邊界過濾區變化濾最大的點(如圖中的A 點及A 點)。微分I 在視頻信號的下降沿產生一個負脈沖, 在上升沿產生一個正脈沖, 如圖的第4 的第二條波形所示。將微分I 輸出的兩個級性相反的脈沖信號送給取絕對值電路, 經過絕對值電路將微分I 電路輸出的信號轉變成同級性的脈沖信號, 如圖的第3 條波波形, 信號的幅值點對應邊界特征點。將同級性脈沖送入微分電路 II 再次微分, 獲得對應絕對最大值處的過零信號。過零信號再次經過零觸發器, 輸出兩個下降邊沿對應于過零點的脈沖信號。用這兩個脈沖的下降沿取觸一個觸發器, 便可以獲得視頻信號起初邊界特征的發波脈沖, 即二值化信號。其脈沖寬度為圖形AA 間的寬度。

　　如此檢測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。這樣的精度在實際應用中已經足夠。實際測量可以保證到0.2mm。

　　3 使用情況與結論

　　在鋼廠的實際應用中, 做實測得的部分數據如下表所示:

　　從圖中可以看到, 其精度滿足于實際的需要。測寬儀的改造基本是成功的, 無論在可靠性、檢測精度、故障率等方面, 均滿足了生產工藝要求, 達到了設計要求。用戶反應良好。

　　本文作者創新點:從結構上有很大的創新, 結構相當簡單,無須反復標定, 操作簡便, 成本也相當經濟, 是原有的三分之一。測量原理與信號采集與系統相比, 也比較簡單。

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　　作者簡介:何社陽, 男 (1976—), 漢族, 河南靈寶人, 碩士,河南科技大學教師, 主要研究方向為:檢測與控制、儀器儀表等。

　　通訊地址:(471003 河南洛陽 河南科技大學機電工程學院65 信箱)何社陽

　　(收稿日期:2007.2.13)(修稿日期:2007.3.15