激光掃描技術(shù)在鋼板寬度檢測(cè)中的應(yīng)用

姜占平

(重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400031)

激光掃描技術(shù)在鋼板寬度檢測(cè)中的應(yīng)用

姜占平

(重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400031)

采用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)鋼板寬度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。在硬件結(jié)構(gòu)上，采用雙CCD感光器加激光線(xiàn)輔助光源掃描檢測(cè)技術(shù)，提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。根據(jù)CCD成像原理及三角形相似定理，對(duì)因鋼板寬度變化及鋼板邊緣上浮所引起的寬度變化計(jì)算模型進(jìn)行了推導(dǎo)，提出了采用激光線(xiàn)遮擋板分線(xiàn)法來(lái)判定鋼板邊緣上浮所引起的測(cè)量誤差，并根據(jù)誤差測(cè)量結(jié)果，對(duì)鋼板寬度進(jìn)行了修正;同時(shí)，通過(guò)分析CCD激光線(xiàn)條最佳成像方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)標(biāo)定。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的測(cè)量精度能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。

鋼板寬度檢測(cè);激光掃描測(cè)量;CCD相機(jī);圖像處理

鋼板寬度是冶金行業(yè)鋼板剪切過(guò)程中的一個(gè)重要檢測(cè)和控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼板寬度的準(zhǔn)確檢測(cè)［1］和實(shí)時(shí)控制是提高鋼板成材率和保證后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。目前，鋼材生產(chǎn)企業(yè)多數(shù)采用人工檢測(cè)方法，由于受現(xiàn)場(chǎng)鋼板高溫和復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境影響，人工勞動(dòng)

強(qiáng)度過(guò)大、檢測(cè)滯后，且檢測(cè)精度依賴(lài)于人工經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)率較低［2－3］。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理作為視覺(jué)成像檢測(cè)方法的技術(shù)支撐，與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、集成技術(shù)、光學(xué)等眾多領(lǐng)域交叉，在檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性上均有很大的進(jìn)展。作為圖像采集設(shè)備的電荷耦合器件，CCD集成度高、光敏元間距小、幾何尺寸嚴(yán)格，在圖像采集、信號(hào)處理和數(shù)字存儲(chǔ)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。作者在前人研究基礎(chǔ)上，采用雙面陣CCD圖像傳感器和He－Ne綠色線(xiàn)形激光發(fā)射器作為輔助光源的計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)鋼板寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)原理及方法進(jìn)行了研究，建立了軟硬件系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:該方法及檢測(cè)精度能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于冶金行業(yè)復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境和鋼材自身高溫輻射等不利因素的存在，采用傳統(tǒng)方法很難實(shí)時(shí)、精確地測(cè)量出熱連軋、中厚板以及冷軋帶鋼的寬度數(shù)據(jù)。文中提出采用CCD圖像感光器加激光線(xiàn)輔助光源成像方法對(duì)板帶材寬度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。該方法優(yōu)點(diǎn)在于:(1)利用了CCD圖像傳感器高分辨率和高掃描頻率來(lái)動(dòng)態(tài)識(shí)別鋼板橫向二維寬度，并可在線(xiàn)重構(gòu)和觀測(cè)板形形態(tài);(2)通過(guò)加輔助光源成像方法來(lái)提高檢測(cè)精度，剔除鋼板自身高溫光強(qiáng)輻射影響，邊部定位準(zhǔn)確;(3)通過(guò)雙CCD激光線(xiàn)斷線(xiàn)成像方式，能有效克服被測(cè)介質(zhì)因?yàn)檫吘壣细∷斐傻恼`差，易實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)、高精度測(cè)量。

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括CCD圖像感光器、線(xiàn)形激光源、分線(xiàn)板及冷卻氣體吹掃管路等幾部分。系統(tǒng)組成及安裝示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備安裝與寬度檢測(cè)示意圖

由于鋼材自身溫度在到達(dá)600℃以上時(shí)會(huì)出現(xiàn)可見(jiàn)光譜的紅光輻射，這會(huì)干擾高溫情況下可見(jiàn)光CCD成像，尤其在鋼板溫度不恒定時(shí)，更容易造成檢測(cè)誤差，使得傳感器件感光元曝光量不定。為保證檢測(cè)精度，采用線(xiàn)形輔助光源成像的方法，另外相機(jī)濾色鏡的選擇考慮了成像的最佳通頻帶，在保證采集到清晰圖像的同時(shí)又能剔除其他頻帶光譜干擾;考慮高溫現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中水、霧、汽的影響，故需測(cè)定成像波段介質(zhì)透過(guò)率，選擇最佳成像波段;為了避免高溫水霧及環(huán)境粉塵遮擋成像光路，設(shè)備安裝過(guò)程中，合理設(shè)計(jì)氣體吹掃路徑。系統(tǒng)中的CCD圖像傳感器、信號(hào)傳輸線(xiàn)路、氣體吹掃通路采用高溫耐腐蝕材料全封閉安裝。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分包括系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)定模塊、鋼板寬度計(jì)算模塊、鋼板邊緣浮動(dòng)判斷模塊以及鋼板板型重構(gòu)模塊，系統(tǒng)的檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 鋼板寬度檢測(cè)流程

實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，即給系統(tǒng)制定攝像機(jī)標(biāo)定模塊，采用導(dǎo)入特定的計(jì)算模型后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果確定像素位移量到實(shí)際鋼板寬度的轉(zhuǎn)換因子。

鋼板在傳送過(guò)程中，左右邊緣有可能高于基準(zhǔn)面，因此，檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)同步計(jì)算鋼板邊緣浮動(dòng)量，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)鋼板寬度值進(jìn)行修正，該結(jié)果將包含在板型重構(gòu)信息中。鋼板在傳送過(guò)程中出現(xiàn)的邊緣上浮動(dòng)情況，及由此產(chǎn)生的CCD激光線(xiàn)斷點(diǎn)位移量計(jì)算方法如圖3所示。圖4為經(jīng)分線(xiàn)板分割的激光線(xiàn)條原始圖像，邊緣①處和邊緣②處分別代表了實(shí)際測(cè)量中鋼板寬度的變化信息。以①號(hào)邊緣處檢測(cè)為例。

圖3 鋼板邊緣位置檢測(cè)方法

圖4 被測(cè)鋼板表面激光線(xiàn)形

可知，CCD-1像素位移量l值的變化可能有兩種因素引起:其一是鋼板自身的寬度變化引起激光線(xiàn)輔助光源斷線(xiàn)點(diǎn)位置的變化，其二是鋼板邊緣上浮引起的斷線(xiàn)點(diǎn)位置變化，如圖3中由于鋼板①號(hào)邊緣翹起導(dǎo)致在x方向出現(xiàn)了a到e'的位移量。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用激光線(xiàn)分線(xiàn)板的方式，因此可通過(guò)檢測(cè)斷線(xiàn)位置點(diǎn)b的橫向移動(dòng)來(lái)判斷鋼板邊緣位移量是否由浮動(dòng)導(dǎo)致，斷線(xiàn)點(diǎn)b處位置的變化所導(dǎo)致的CCD像素位移量l'與實(shí)際斷線(xiàn)點(diǎn)移動(dòng)距離D1表示為:

因此，可通過(guò)判斷點(diǎn)b位置的變化計(jì)算出點(diǎn)a的實(shí)際位移量，進(jìn)而對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。計(jì)算結(jié)果如下，當(dāng)系統(tǒng)固定后可得到以下相關(guān)參數(shù)，圖3中令:

其中:f5及f6在實(shí)際應(yīng)用應(yīng)通過(guò)標(biāo)定得出。

軟件處理過(guò)程中，鋼板邊緣位置的提取基于灰度圖像特征區(qū)域提取技術(shù)，即在CCD視場(chǎng)內(nèi)采用激光線(xiàn)條斷線(xiàn)點(diǎn)實(shí)時(shí)定位提取技術(shù)。

1.3 CCD測(cè)量原理

采用激光線(xiàn)光源輔助成像測(cè)量方式，需根據(jù)被測(cè)量鋼板和激光源在CCD感光元上的像面照度決定傳感器光積分時(shí)間，即要保證圖像采集能獲得清晰的激光線(xiàn)條，由像面照度公式?jīng)Q定如下［9］:∠d'ae'=α，∠dbc=β;分線(xiàn)板距鋼板表面高度:h=OO';x2=aO;x'2=bO;可知:y1=e'd'=x1tanα，y'1=cd=x'1tanβ，則:x1=ae'與x'1=bc之間的函數(shù)關(guān)系由三角形相似定理可得:

式中:n、n'分別為物、像方介質(zhì)折射率;K表示光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率;L表示光亮度;U'表示像方孔徑角。

其中，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量高溫或常溫自身輻射光亮度L和激光線(xiàn)經(jīng)鋼板反射亮度L'，則實(shí)際鋼板表面反射亮度應(yīng)為:

式中:E為激光發(fā)射器光源自身照度;ρ為鋼板表面反射率 (0＜ρ＜1)。則鋼板表面漫反射激光線(xiàn)像面照度應(yīng)滿(mǎn)足下式:

因CCD光圈固定時(shí)其感光元像面照度與被采集圖像亮度為正比關(guān)系，因此可通過(guò)控制CCD感光元件的光積分時(shí)間得到激光線(xiàn)與被測(cè)量鋼板表面最大寬容度圖像，從而準(zhǔn)確定位圖像中的激光線(xiàn)條邊緣斷線(xiàn)位置。

實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，可通過(guò)鋼板傳送速度來(lái)控制CCD積分時(shí)間，以保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性。其測(cè)量計(jì)算方法表述如下，若檢測(cè)精度需控制為dp，則:式中:l為面陣CCD成像面橫向尺度，即為橫向像元總數(shù)1 024與像元尺寸5.2μm的乘積;H為CCD距被測(cè)鋼板表面高度，試驗(yàn)中定為1 000mm;F為CCD鏡頭的焦距 (25 mm)。

把相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式 (9)、(10)，可得每個(gè)像素代表的橫向尺寸:dp=0.208 mm，即為寬度檢測(cè)精度。

2 系統(tǒng)標(biāo)定

實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)各參數(shù)的確定難免存在誤差，因此需采用標(biāo)定模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用前標(biāo)定。仍以圖3中①號(hào)邊緣為例，如圖5(a)、(b)所示分別為鋼板邊緣寬度變化和邊緣上浮所引起的CCD像素偏移量變化值，其中，圖5(a)采用步進(jìn)電機(jī)以0.2 mm/s的速率向鋼板寬度方向移動(dòng)鋼板，并同時(shí)每隔1 s記錄此刻像素位移量值，共延伸10 mm長(zhǎng)度;以同樣方式記錄鋼板邊緣上浮10 mm時(shí)CCD像素偏移量值，可得到圖5(b)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)。因此，測(cè)量過(guò)程中通過(guò)邊緣上浮判定即可對(duì)實(shí)際鋼板測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

圖5 鋼板寬度和邊緣上浮變化量與CCD像素偏移量關(guān)系圖

3 結(jié)論

(1)采用雙CCD感光器加激光線(xiàn)輔助光源掃描檢測(cè)技術(shù)對(duì)板材寬度進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)。在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，提出了采用激光線(xiàn)遮擋板分線(xiàn)法來(lái)判定由于鋼板邊緣上浮所引起的測(cè)量誤差;在軟件上，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)提高了系統(tǒng)檢測(cè)精度，并對(duì)整體檢測(cè)方法進(jìn)行了闡述。

(2)依據(jù)CCD成像原理及三角形相似定理，對(duì)鋼板寬度變化及由鋼板邊緣上浮所引起的寬度變化計(jì)算式進(jìn)行了推導(dǎo)。

(3)對(duì)系統(tǒng)激光線(xiàn)條最佳成像方法進(jìn)行了分析，并根據(jù)所選用的成像器件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)標(biāo)定，結(jié)果表明該系統(tǒng)的測(cè)量精度能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。

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App lication of Laser Scanning Technology in Steel PlateW idth Inspection

JIANG Zhanping
(College of Mechanical and Power Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 400031，China)

The computer digital image processing technology was used for steel plate width inspection in real-time.In the hardware structure aspect，the dual CCD cameras and the optical imaging laser scanningmeasurement technology were employed to improve the inspection accuracy of the system.According to the CCD imaging principles and similar triangle theorems，the computermodel for width changing caused by steel plate width changing and steel plate edge floating was derived.The laser sub-line method that using blocking plate in the laser projected way was put forward to determine themeasurement errors caused by steel plate edge floating，and the steel platewidth was corrected according to the results ofmeasurement.At the same time，through the analysis of CCD camera laser stripe optimal imagingmethod，the experimental calibration was implement for the system.The resultmanifests that the inspection accuracy of the system can meet the practical application requirements well.

Steel plate width inspection;Laser scanningmeasurement;CCD camera;Image processing

TP29

B

1001－3881(2014)10－175－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.053

2013－04－26

姜占平 (1980—)，女，碩士研究生，主要從事機(jī)械故障測(cè)試與診斷方面的研究。E－mail:jiang_zhp2007@163.com。