衛(wèi)星太陽能電池陣破損自動檢測系統(tǒng)的研究

林曉瓏,千慶姬,張鐵強

(吉林大學 物理學院,吉林 長春 130022)

文章編號 1674-2915(2010)02-0140-06

衛(wèi)星太陽能電池陣破損自動檢測系統(tǒng)的研究

林曉瓏,千慶姬,張鐵強

(吉林大學 物理學院,吉林 長春 130022)

介紹了國內首次研制的衛(wèi)星太陽能電池陣破損自動檢測系統(tǒng)的檢測原理、系統(tǒng)結構與設計及現(xiàn)場試用結果。系統(tǒng)采用專用照明系統(tǒng),電池陣列經(jīng)光學系統(tǒng)清晰成像至 CCD傳感器上,經(jīng)信號放大、A/D轉換后輸入計算機管理和控制系統(tǒng)。圖像傳感探頭自動掃描整塊電池板,并由距離傳感器控制,始終保持采集圖像清晰。利用特有的系統(tǒng)控制和檢測軟件,處理每幅電池圖像信息,檢測結果通過列表形式給出損傷電池的位置、破損類型、破損度等參數(shù)?，F(xiàn)場試驗結果表明:該系統(tǒng)的檢出率達 98.5%以上,檢測速度為每分鐘 20片電池,達到了快速、高精度、自動化檢測太陽能電池陣的使用要求。

衛(wèi)星太陽能電池陣;破損檢測;視頻圖像;LED光源

Abstract:The automatic damage detection system for a satellite solar array was firstly developed in China,and its detection theory,structure and design of detection system and the results of on-site trial were introduced.By using a unique lighting system,the image of the salar arraywas focused clearly onto a CCD sensor via an optical system,then the signalswere multiamplified and A/D converted to store in a computer system.An imaging probe automatically scans the whole array and keeps the image clear through the control of a distance sensor.The customized system control and detection sof tware were used to process every battery image,then testing resultswere shown on a table to offer the location of the damaged battery,damage types and damage degreeetc.An on-site test shows that detection rate of the system isover 98.5%and detection speed is 20 batteries per minute,which meets the requirements of fast,accurate and automatic detection of the solar array.

Key words:satellite solar array;damage detection;video image;LED lighting source

1 引 言

太陽能電池陣是唯一主動提供衛(wèi)星能源的核心部件,該部件性能直接決定衛(wèi)星的正常運行及壽命。衛(wèi)星太陽能電池陣是由上萬塊 Si晶體電池片或 GaAs/Ge電池片串聯(lián)和并聯(lián)粘接而成,由于單體電池片是脆性材料,在加工、安裝和運輸過程中難免損壞,而破損直接影響電池陣列的性能指標。所以太陽能電池陣在加工、出廠、安裝到衛(wèi)星之前,都要做很嚴格的破損檢查。目前國內采用的人工目測方式存在費時、工作效率低,檢查質量受人為因素影響等問題,因此,研制衛(wèi)星太陽能電池陣破損自動檢測系統(tǒng)很有必要[1]。

作者利用視頻圖像檢測技術,研制了國內首臺衛(wèi)星太陽能電池陣破損自動檢測系統(tǒng)。本文敘述了該系統(tǒng)的檢測原理、系統(tǒng)設計及試驗結果。依據(jù)圖像檢測原理及設計指標和使用要求,設計了可調照明方位的LED光源,編制了特有的系統(tǒng)控制和檢測軟件。試用結果表明,系統(tǒng)達到了快速、高精度、自動化檢測太陽能電池陣的使用要求,并為現(xiàn)場試用提供了樣機。

2 系統(tǒng)結構與檢測原理

衛(wèi)星太陽能電池陣破損自動檢測系統(tǒng)采用了機器視覺檢測系統(tǒng)原理,其結構框圖如圖 1所示。

圖1 衛(wèi)星太陽能電池陣破損自動檢測系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Automatic damage detection system for satellite solar array

用LED陣列組成的特定波長的光源,從四面以小角度照射太陽能電池陣,并由光學系統(tǒng)將其清晰成像至高速 CCD傳感器靶面上,然后將 CCD采集的清晰太陽能電池圖像信息,經(jīng)信號放大、A/D轉換后輸入計算機系統(tǒng)。光學系統(tǒng)和 CCD組成的圖像傳感器通過三維移動機械機構,自動掃描整塊電池板。為了在掃描過程中始終保持圖像清晰,由兩個距離傳感器控制機械掃描機構的縱向距離,使攝像頭始終與太陽能板之間保持最佳的成像距離。在掃描的同時自動采集每塊單體電池的圖像信息,利用自主研發(fā)的圖像處理軟件處理每幅電池圖像,識別電池的崩邊、裂紋、缺角等表面缺陷,最后檢測結果通過列表形式給出損傷電池的位置、破損類型、破損度等參數(shù),并自動判斷合格與否[2]。

3 系統(tǒng)結構與設計

圖2 總體結構示意圖Fig.2 Chart of system structure

系統(tǒng)由圖像傳感探頭 (成像物鏡和 CCD傳感器組成)、照明系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、自動掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、圖像處理及控制軟件組成,如圖 2。

3.1 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)決定了獲取圖像及裂紋等破損狀態(tài)的清晰程度,因而決定系統(tǒng)檢測精度,其由照明光源和調整照射角度的機械結構組成。

照明光源應滿足:(1)照明光的波長與 CCD器件光譜最佳響應波長匹配,(2)長壽命。基于以上考慮,采用了藍綠光 LED,其發(fā)光中心波長為 490 nm,基本落在 CCD最佳光譜響應區(qū)間。

光源的光照射角度是獲取突出裂紋圖像的關鍵因素之一。一般來說,電池片出現(xiàn)裂紋、崩邊等現(xiàn)象時,電池外表面上保護玻璃也會損傷,因此,損傷處以漫反射光為主;而無損傷處則以鏡反射光為主。因為成像探頭位于垂直被測面的方向上,所以照明燈的照射方向應以小角度方向為宜。而被成像的電池片是方形的,所以采用方形燈,照射角度可調。由于四面均有照射光,不管裂紋在哪個方位,都會被照射到,產(chǎn)生較強的漫反射光,進入傳感探頭。照射光的角度越小,成像效果越好,其結構簡圖如圖 3所示[3]。

圖3 照明光源示意圖Fig.3 Lighting source

3.2 成像物鏡

成像物鏡將電池片成像在面陣 CCD圖像傳感器的靶面上,因此,成像透鏡性能的好壞直接影響成像質量。性能好的透鏡能夠清晰地分辨細微信息的圖像,從而獲得高精度、高分辨率的圖像檢測結果。

本系統(tǒng)要求在物距為 50 mm左右時,一次成像約 60 mm×30 mm大小的電池片。因物距短、物面較大,故選擇了廣角透鏡。

檢測中選擇了日本產(chǎn)、用于視覺檢測系統(tǒng)的百萬像素級成像透鏡 computar-mo814-MP,Computar FA物鏡是專用于工業(yè)和自動化領域,有高分辨率、高像質、無畸變、高穩(wěn)定性 (能夠鎖定光圈和焦距)的高品質物鏡,其焦距可調,分辨率 >100 l/mm。

為了消除鏡頭玻璃面上的反射光對成像質量的影響,在鏡頭前表面鍍有中心波長λ0為 490 nm的增透膜。

3.3 CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器必須滿足采集速度快,靈敏度高,分辨率高的要求。圖像采集時間和一次成像被測太陽能電池的面積將決定檢測太陽能電池板的速度。因圖像傳感器 (CCD器件)的尺寸和透鏡的視場角決定一次成像面積的大小,為此,應選擇較大尺寸、高像素、響應速度快的傳感器件。這里選擇了日本產(chǎn) IA I牌 CM-200GE型相機,CCD芯片面積為 1.4 cm(1/1.8 in)口徑,200萬pixels,可以提供 25 frame/s高分辨率圖像,能將單體電池片的整片數(shù)字圖像傳送到計算機內存,以備處理。

3.4 測距系統(tǒng)

在物距一定時,調好并鎖定相機的焦距,以獲得清晰成像。當探頭在整個電池陣面上掃描時,由于電池板面的傾斜或電池粘接不平等原因使物距發(fā)生變化,當物距偏離最佳初始位置的距離超過相機景深時,圖像開始模糊,裂紋等甚至在像面中消失,這將嚴重影響檢測精度,增加誤檢率或漏檢率。因此,在探頭掃描電池板的全過程中,物距必須始終保持在初始調好的最佳區(qū)間。

測距傳感器的作用是測探頭到電池板的距離(物距),當物距偏離景深時,進行 Z向掃描,控制物距始終在景深區(qū)間內。

距離傳感器應滿足如下要求:(1)檢測精度>0.2 mm,距離檢測時分辨率在 0.1%以上;(2)檢測信號穩(wěn)定、快速;(3)與計算機連接以便控制;(4)輕便、耐用。

選用德國產(chǎn)品 FT50RLA-220S IL8型激光距離傳感器,可滿足以上要求。

3.5 自動掃描系統(tǒng)與控制

最大太陽能電池板長 3.5 m,寬 2.5 m,由上萬片單體電池橫豎粘接而成。檢測時是把成品太陽能電池板懸掛在剛性固定架上,由于電池板的自重,其成垂直狀態(tài)。為節(jié)省檢測時間,先沿 X向快速掃描電池板,由距離傳感器測兩側電池板到探頭的垂直距離 (Y向),調整固定架的方位,使電池板傾斜很小。

檢測時將探頭按 X、Y向交替移動,掃描整塊太陽能電池板。當掃描到每個單片電池中間時,對每個單片電池快速照相,然后傳給計算機做圖像處理。其掃描參數(shù)通過解析電池板設計 CAD文件獲得,利用運動控制卡控制。

Z向移動是利用兩個測距傳感器始終測量探頭到電池板間的距離,然后取平均值,當超出探頭的景深距離,隨時調整,使物距保持在最佳位置。這樣可避免單片電池粘接不平和電池板傾斜所引起的物距變化問題,掃描過程中始終保持成像清晰。

掃描機構為三維平移機構,導軌均為滾珠直線導軌,X、Y向是齒形帶傳動,伺服電機驅動。Z向為滾軸絲杠傳動,步進電機驅動,由距離傳感器控制。

4 計算機圖像處理

軟件系統(tǒng)構成如圖 4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)組成模塊框圖Fig.4 Sof tware system componentsmodule chart

圖像處理模塊的功能是從采集的圖像中提取被檢測部分,去除柵極線和噪聲。

根據(jù)電池片內部區(qū)域與邊界處圖像的不同特征,確定電池片實際所占區(qū)域,去掉邊沿和其它電池片殘留部分,保留被檢區(qū)域。被檢區(qū)域中柵極線會影響裂紋等缺陷的辨別,利用閾值二值化算法對圖像二值化,利用柵極線亮度比背景和裂紋等缺陷高的特點,去除柵極線,通過跟蹤方法辨別柵極線斷開處。閾值的選取極其重要,選得過高,誤檢率增加;相反,則漏檢率增加,要經(jīng)過反復試驗確定[4,5]。

缺陷辨別模塊的主要功能是辨別裂紋、崩邊、缺角、污跡等缺陷。缺陷定義如下:裂紋為線條狀的傷痕;崩邊為單片電池邊緣棱角處的缺損;缺角為單片電池四角的缺損 (這種缺陷極少出現(xiàn));污跡為沾到電池片上面,面積超過一定大小的粘接劑等。一般成像后的裂紋等缺陷是比較暗的,并且容易受噪音點的影響,直接采用閾值二值化算法很難分離裂紋,采用峰值二值化算法,利用裂紋灰度比周圍亮度稍高的特點進行二值化,其效果比較理想。一般裂紋缺陷橫跨柵極線,因此,在去除柵極線中被斷開,采用連接算法處理;然后依據(jù)面積、長度、周長、位置、面積與長度之比等參數(shù)對缺陷進行辨別。由于崩邊、缺角、污跡等缺陷的反射光與無缺陷處的反射光差別很大,成像很容易辨別,故需將辨別結果存入檢查報表數(shù)據(jù)庫中。

檢查結果輸出和瀏覽核實模塊的功能是把檢查結果以報表形式顯示或打印,報表中包含:檢查日期、檢查電池總片數(shù)、缺陷電池片位置坐標、缺陷類別和缺陷數(shù)量等信息。提取瀏覽已經(jīng)檢查過的所有電池片圖像,以備人工核實[6,7]。

5 測試結果及分析

系統(tǒng)對太陽能電池板進行了半年的現(xiàn)場檢測,結果表明:在整塊太陽能電池陣上以60 cm/min速度掃描,從采集到的圖像可清晰地看到細微的裂紋和微小的破損部位,經(jīng)圖像處理后能更清晰地顯示裂紋信息,如圖 5、圖 6所示。

圖5 基片損傷原始圖片F(xiàn)ig.5 Original Image of substrate damage

圖6 圖像處理后的效果Fig.6 Processed image

在貼有 60 mm ×30 mm大小,5 000個 Si晶體的電池片的成品太陽能電池陣上,做了檢測系統(tǒng)的精度試驗,結果如表 1。

由于所檢測的電池板是從超凈室剛生產(chǎn)出的成品,所以只有裂紋狀缺陷。為了增加使用功能,圖像處理軟件中加入了測崩邊、缺角、污跡等缺陷的功能。檢測結果報表給出缺陷電池片位置坐標、數(shù)量、缺陷類別,并將辨別結果存入檢查報表數(shù)據(jù)庫中。

由表 1看出,檢出率 >98.5%,誤檢率或漏檢率均 <1%,說明圖像處理中的閾值設定是最佳狀態(tài)?？傊?該系統(tǒng)能獲得清晰的圖像,從而保證了系統(tǒng)的高檢測精度,穩(wěn)定性和可靠性好,達到了高精度、自動化檢測太陽能電池陣的目的。

表 1 系統(tǒng)檢測率測試表Tab.1 System detection rates

6 結 論

衛(wèi)星太陽能電池陣破損自動檢測系統(tǒng)利用自動掃描圖像法來檢測電池陣玻璃蓋片的裂紋、劃痕、崩邊、掉角等缺陷,檢測范圍可達到 4 m×3 m,檢測速度為每分鐘 20片電池,檢出率高于98.5%,誤檢率或漏檢率均低于 1%,檢測速度快,精度高,可用于衛(wèi)星太陽能電池陣的成品檢測,并兼有操作簡便、實用的特點。

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Automatic damage detection system for satellite solar array

L IN Xiao-long,Q IAN Qing-ji,ZHANG Tie-qiang
(College of Physics,Jilin University,Changchun130022,China)

T M914.4;V423.44

A

2010-02-12;

2010-03-21

林曉瓏 (1960—),女,吉林長春人,碩士研究生,高級工程師,主要從事光學精密機械設計、光電檢測、物理實驗教學等工作。E-mail:lxlzhzzxl@yahoo.com.cn