基于線陣CCD的極片缺陷檢測系統(tǒng)

劉 妍

(中北大學，山西太原030051)

鋰離子電池作為第三代動力電池的代表，因具有工作容量大、循環(huán)壽命長、自放電率低等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中。電池極片的好壞是影響電池質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，但是國內(nèi)電池極片涂布幾乎是采用人工檢測，而大部分電池極片的缺陷目標較小，因此，采用人工視覺檢測存在勞動強度大、速度低、易受人為因素影響、誤檢率和漏檢率較高。本系統(tǒng)利用光電檢測技術(shù)實現(xiàn)電池生產(chǎn)過程中的顆粒、露箔等極片缺陷檢測，消除因露箔等極片缺陷所帶來的安全隱患［1］。

圖1 極片結(jié)構(gòu)圖

由極片結(jié)構(gòu)圖可以看出每一段極片都包括涂布和金屬兩部分，其中涂布表面有碳粉等化學物質(zhì)，能夠儲存化學能。而金屬部分通過離子的運動實現(xiàn)電能向化學能的轉(zhuǎn)換。極片分為正極片和負極片，正極片的金屬一般是鋁箔，負極片的金屬一般是銅。極片在卷繞成電池之前還需要進行焊極耳和貼膠帶。貼膠是為了將金屬與涂布銜接的地方蓋住使極耳不外露，從而提高電池質(zhì)量，保證電池的穩(wěn)定性［2］。

表面平整、光滑、涂布均勻、無褶皺、無金屬外露、無積塵、無劃痕、無氣泡、無黑點的極片稱為好的極片。本系統(tǒng)可以識別出突出極片0.5 mm以上的顆粒、小于0.2 mm×0.2 mm的露箔區(qū)，檢測速度大于15 m/min，滿足極片檢測的準確性和檢測效率［3］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CCD極片缺陷檢測系統(tǒng)是利用光學成像的方式，直接獲取極板表面的圖像。而極板上露箔區(qū)域和涂覆碳區(qū)域在配備輔助光源的情況下，以不同的灰度顯示于圖像上。通過對所獲取的圖像進行處理、識別，進而判斷極板上是否存在非碳的露箔區(qū)域和其他缺陷區(qū)域［4］。

圖2 CCD檢測系統(tǒng)總體框圖

由圖2可以看出CCD檢測系統(tǒng)主要由四部分組成:光學系統(tǒng)(包括光源、反光鏡、工業(yè)CCD相機)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像處理子系統(tǒng)、信息提示子系統(tǒng)。

1.1 工業(yè)級CCD相機

被測對象的光信息通過光學系統(tǒng)，在CCD的光敏面元上形成光學圖像，CCD器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強成比例的電荷量。用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進行驅(qū)動，在CCD輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序則對應(yīng)CCD光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進行相關(guān)的圖像處理后，將被測目標從背景中分離出來，為進一步的圖像處理和分析做準備。

圖3 檢測平面示意圖

我們對芯極板的兩側(cè)涂布同時進行檢測，為了節(jié)省成本，采用反射鏡先將芯極板的兩側(cè)分別成像于芯極板兩側(cè)的反射鏡中，再通過CCD相機獲取反射鏡中的芯極板圖像，如圖3所示。為了保證反射鏡的圖像能成像于CCD上，反射鏡應(yīng)與芯極板平面成一定夾角，CCD相機的光軸與芯極板切向重合。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在圖像數(shù)據(jù)傳輸方面，以太網(wǎng)可以高速傳輸和存儲圖像數(shù)據(jù)，不容易引起數(shù)據(jù)幀的丟失，系統(tǒng)功耗小等特點，可以完全滿足系統(tǒng)的實時圖像數(shù)據(jù)處理的要求。同時，由于幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，具有很好的發(fā)展前景［5］。因此，根據(jù)項目實時在線檢測需求，選用高速CCD相機并配以太網(wǎng)的采集模式，采集圖像數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

所采集回來的芯極板表面圖像是以灰度的形式表征涂覆碳和露箔區(qū)域，如果不配以相應(yīng)的圖像處理功能，則只能通過人眼進行判斷，這樣就不符合自動化生產(chǎn)的需求，因此必須對所采集到的圖像進行處理、分析和理解，識別當前檢測區(qū)域中是否存在露箔和顆粒等缺陷區(qū)域。對于該圖像處理主要涉及兩個關(guān)鍵技術(shù):圖像分割與基于脈沖檢測的圖像中目標位置提取。

1.4 信息提示系統(tǒng)

該子系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)所輸出的信號，進行檢測結(jié)果提示。提示方法可以根據(jù)需求提供蜂鳴提示和圖形提示。

2 結(jié)論

本系統(tǒng)已被合肥國軒高科動力能源有限公司采用，選擇2k分辨率的線陣CCD相機，經(jīng)檢測，可以識別出突出極片0.5 mm以上的顆粒、小于0.2 mm×0.2 mm 的露箔區(qū)，檢測速度大于15 m/min，滿足極片檢測的準確性和檢測效率等要求。

［1］吳宇平.鋰離子電池:應(yīng)用與實踐［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004.

［2］賈云得.機器視覺［M］.北京:科學出版社，2000.

［3］盛遵冰.機器視覺圖像檢測與定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［4］劉學山.基于機器視覺的鋰離子電池極片檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.華南理工大學，2010.

［5］王偉，鄭永果，衛(wèi)文學.基于機器視覺的在線電池檢測系統(tǒng)研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2006，18(z1):425－426，429.