基于放電檢測(cè)和機(jī)器視覺技術(shù)的火花塞缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

劉春成， 徐 琳， 張 坤

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

火花塞作為汽車的“心臟起搏器”，直接影響到汽車運(yùn)行的平穩(wěn)以及油耗.火花塞將點(diǎn)火線圈產(chǎn)生的超高電壓引入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，促使自身電極放電，產(chǎn)生火花，進(jìn)而點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的汽油、柴油等和空氣的混合物，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力[1].但是火花塞存在缺陷將會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火不良、發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)，引起嚴(yán)重的安全隱患.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)火花塞的檢測(cè)主要通過人眼目測(cè)為主，觀看內(nèi)部陶瓷端面是否出現(xiàn)裂紋、孔洞等人為影響因素大，且容易造成人眼疲勞，從而出現(xiàn)漏檢、誤檢等情況，不符合生產(chǎn)自動(dòng)化、工業(yè)化的應(yīng)用需求，檢測(cè)方法也沒有具體規(guī)范.

隨著缺陷檢測(cè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，越來越多的檢測(cè)算法應(yīng)用于相關(guān)陶瓷件的缺陷檢測(cè)上.文獻(xiàn)[2]采用超聲波檢測(cè)法對(duì)航天飛行器上的多孔陶瓷纖維隔熱材料進(jìn)行空氣耦合檢測(cè)試驗(yàn)，該方法能夠非常有效地檢測(cè)出試樣缺陷.文獻(xiàn)[3]提出了1種基于非下采樣的Shearlet變換的機(jī)器視覺檢測(cè)方法.文獻(xiàn)[4]提出了1種基于熱圖像序列重建與一階差分處理相結(jié)合的新方法，利用脈沖紅外熱像儀對(duì)4種不同尺寸的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，提高了缺陷檢測(cè)的能力.文獻(xiàn)[5]根據(jù)電容器局部放電檢測(cè)的特點(diǎn)和要求, 研制了1種新型的高頻電流測(cè)量方法, 采用各種抗干擾手段進(jìn)行局部放電檢測(cè).文獻(xiàn)[6]利用熱成像技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行無損檢測(cè).文獻(xiàn)[7]采用空氣耦合傳感器(ACTS),計(jì)算了2個(gè)輸入頻率之和極差值處的超聲調(diào)制分量間的譜相關(guān)，對(duì)不同輸入頻率組合下的譜相關(guān)進(jìn)行離群值分析，實(shí)現(xiàn)裂紋自動(dòng)診斷.但是火花塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陶瓷件存在于火花塞內(nèi)部，這些檢測(cè)方法不能直接對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，無法滿足檢測(cè)要求.此外，文獻(xiàn)[8]提出了1種面向火花塞端面的缺陷檢測(cè)算法，提取火花塞放電圓環(huán)位置，進(jìn)行缺陷特征提取，但是存在算法計(jì)算量大、檢測(cè)過程緩慢等缺點(diǎn).文獻(xiàn)[9]利用電壓加載下點(diǎn)火針是否出現(xiàn)放電火花，設(shè)計(jì)了1套火花塞檢測(cè)系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)存在著極高的安全隱患，無法對(duì)加載電壓進(jìn)行檢測(cè)，并且無法確認(rèn)火花塞的正確放電位置.

針對(duì)上述幾種方法對(duì)汽車火花塞檢測(cè)存在適應(yīng)性不足等問題，筆者設(shè)計(jì)1種結(jié)合放電檢測(cè)技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)[10-19]的火花塞缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)敵龅碾妷哼M(jìn)行檢測(cè)與圖像處理判斷，為今后的汽車火花塞以及相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的檢測(cè)提供新的思路與方法.

1 檢測(cè)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)原理

火花塞由絕緣陶磁體和金屬電極組成.在高電壓加載下，由于陶瓷絕緣性高于空氣，因而電壓會(huì)擊穿火花塞中心電極和側(cè)電極之間的空氣，產(chǎn)生放電現(xiàn)象.如火花塞陶瓷絕緣體上存在裂紋，裂紋之間為空氣.由于空氣絕緣性小于陶瓷體，且裂紋之間的空氣距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于火花塞中心電極與側(cè)電極之間的空氣距離，則火花塞陶瓷件絕緣體裂紋之間的空氣為絕緣性能最低處.在放電的電壓下，火花塞陶瓷絕緣體裂紋處空氣會(huì)被電壓擊穿而放電，火花塞中心電極和側(cè)電極之間將不會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象.具體放電原理如圖1所示.通過對(duì)火花塞放電位置進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出放電火花的具體流經(jīng)信息，從而判定火花塞是否存在缺陷.

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由放電部分與機(jī)器視覺部分組成.放電部分包括NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡、IGBT驅(qū)動(dòng)板、IGBT模塊、點(diǎn)火線圈及分壓模塊.NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡作為點(diǎn)火線圈的信號(hào)觸發(fā)源，能夠?qū)﹄娐分休敵鲭妷哼M(jìn)行檢測(cè)；根據(jù)脈寬調(diào)制原理可知，IGBT驅(qū)動(dòng)板和IGBT模塊為點(diǎn)火線圈開關(guān)；由電磁感應(yīng)原理可知，點(diǎn)火線圈能夠輸出系統(tǒng)所需電壓.機(jī)器視覺部分由工業(yè)相機(jī)和工控機(jī)組成，負(fù)責(zé)對(duì)放電火花的拍攝以及位置信息的判定.檢測(cè)系統(tǒng)的組成見圖2.

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

2 試驗(yàn)與分析

2.1 電壓放電試驗(yàn)

通過在工控機(jī)上進(jìn)行軟件編程，控制NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生PWM信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)過IGBT驅(qū)動(dòng)板被其調(diào)節(jié)，從而有足夠能量去驅(qū)動(dòng)IGBT模塊.IGBT模塊觸發(fā)點(diǎn)火線圈的柵極，產(chǎn)生極高的脈沖電壓，電壓作用于火花塞的表面和分壓模塊.火花塞會(huì)在其絕緣性能最小處被擊穿，產(chǎn)生放電火花.圖3為高壓放電模塊.

圖3 高壓放電模塊

如圖3所示搭建系統(tǒng)所需的高壓放電模塊，通過控制NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡輸出脈沖信號(hào)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，點(diǎn)火線圈對(duì)火花塞施加脈沖電壓.為了確保脈沖電壓能夠達(dá)到火花塞的放電要求，需要對(duì)整個(gè)放電回路進(jìn)行電路檢測(cè).

點(diǎn)火線圈雖然可以正常工作，卻不能保證釋放的電壓一定能夠達(dá)到火花塞點(diǎn)火放電要求.如果火花塞不進(jìn)行放電，在火花塞中心電極區(qū)域就采集不到“缺陷”，從而造成檢測(cè)算法的誤判.點(diǎn)火線圈輸出電壓檢測(cè)結(jié)果如圖4所示.圖4a中，點(diǎn)火線圈輸出了負(fù)電壓，但是整個(gè)電路的回路依舊未導(dǎo)通，火花塞屬于未放電狀態(tài)；圖4b中，點(diǎn)火線圈輸出電壓瞬間，火花塞成功放電，電路導(dǎo)通構(gòu)成整個(gè)放電回路.理想狀態(tài)為整個(gè)電路的電壓應(yīng)該在放電結(jié)束后回歸于0，然而觀察圖4b可知，結(jié)束放電后，電壓并未瞬間回歸0.這主要是由于電路中存在著非線性元件，部分電磁能量?jī)?chǔ)存于其電感線圈中，需要1個(gè)阻尼衰減過程.

分析整個(gè)系統(tǒng)的工作原理可知，放電電壓的大小與PWM信號(hào)有關(guān)，為了對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，給點(diǎn)火線圈提供不同的供給電壓，改變PWM信號(hào)占空比，測(cè)量輸出電壓的大小.

圖4 點(diǎn)火線圈輸出電壓-時(shí)間曲線

電壓放電試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表1所示.由表1可知，在頻率一定的情況下，可以通過更改PWM信號(hào)的占空比達(dá)到控制輸出電壓大小的要求.

表1 電壓放電試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2.2 邊緣檢測(cè)與圓心定位試驗(yàn)

圖5為火花塞放電模型.由火花塞工作原理可知： 電壓加載下，對(duì)于存在缺陷的火花塞，放電火花不經(jīng)過中心電極，僅出現(xiàn)在側(cè)面缺陷處，見圖5a；沒有缺陷的火花塞，電壓擊穿中心電極和側(cè)電極之間的空氣，放電火花流經(jīng)中心電極，見圖5b.

圖5 火花塞放電模型

整個(gè)系統(tǒng)的判定標(biāo)準(zhǔn)由最終得到的放電火花位置路徑?jīng)Q定，為了得到最終的顯示結(jié)果，首先需要確定火花塞圖像的邊緣信息.對(duì)目前常用的邊緣算法進(jìn)行試驗(yàn)效果分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 火花塞邊緣檢測(cè)效果

通過歸納分析可知： Roberts算法定位比較精確，但是對(duì)噪聲比較敏感；Sobel算法計(jì)算簡(jiǎn)單，速度快，但是計(jì)算方向單一，對(duì)復(fù)雜紋理的處理顯得乏力；Prewitt算法對(duì)噪聲有抑制作用，但是對(duì)像素進(jìn)行加權(quán)平均相當(dāng)于對(duì)圖像的低通濾波，對(duì)邊緣的定位不如Roberts算法；Log算法去除噪聲好，細(xì)節(jié)損失大，邊緣精度較低；Canny算法定位性能好，對(duì)單一邊緣僅有唯一響應(yīng)，本次檢測(cè)效果最為理想化.最終選用Canny算法作為系統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法.

在捕捉的圖像中，圓心的位置即是中心電極所在處，圓心位置的確定是本系統(tǒng)能否正確判斷火花塞存在缺陷與否的關(guān)鍵所在.設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，依次利用邊緣掃描法、三點(diǎn)法和Hough算法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓進(jìn)行圓心定位，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 不同圓心定位算法的誤差和計(jì)算時(shí)間

由表2可知：三點(diǎn)法的用時(shí)最少，檢測(cè)速度最快，但是誤差較大；Hough算法雖然用時(shí)較多，但是精度較高.綜合本次試驗(yàn)圓心位置的重要性，最終選用Hough算法來確定系統(tǒng)圓心位置.進(jìn)而將火花塞放置在檢測(cè)工位，打開光源，利用工業(yè)相機(jī)抓拍1張未進(jìn)行電壓加載的火花塞原始圖片.火花塞缺陷判定流程圖如圖7所示.

在工控機(jī)中，利用Matlab軟件對(duì)抓拍的火花塞端面進(jìn)行處理.為了凸顯目標(biāo)圖像的輪廓，首先將原始圖像進(jìn)行二值化.利用試驗(yàn)效果最好的Canny算法實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)，確定火花塞的邊緣信息.繼而通過編寫程序，利用Hough算法確定火花塞中心電極圓心(a,b)與半徑r的坐標(biāo)信息.保留檢測(cè)到的邊緣信息與圓心信息，關(guān)閉光源，對(duì)火花塞進(jìn)行電壓加載.火花塞在電壓加載下進(jìn)行放電，產(chǎn)生放電火花，將放電火花坐標(biāo)信息(xi,yi)代入之前檢測(cè)的圓信息中.如滿足關(guān)系xi2+yi2≤r2，則放電火花存在于火花塞的中心電極與側(cè)電極之間，火花塞完好；否則判定火花塞存在缺陷.火花塞檢測(cè)效果如圖8所示.

圖7 火花塞缺陷判定流程圖

由圖8的實(shí)時(shí)檢測(cè)效果發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)系統(tǒng)可以確定火花塞的坐標(biāo)信息，并成功捕捉到放電火花.為了進(jìn)一步驗(yàn)證整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，選取了30個(gè)火花塞進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，每個(gè)火花塞在1個(gè)放電周期內(nèi)將會(huì)被抓拍200次，相機(jī)抓拍與脈沖輸出同步工作，每次檢測(cè)結(jié)果均會(huì)被系統(tǒng)記錄.結(jié)合實(shí)際電壓與參考電壓，如果達(dá)到點(diǎn)火電壓的火花塞存在1次放電火花不在中心電極與側(cè)電極判定區(qū)，則該火花塞被系統(tǒng)認(rèn)定為存在缺陷.試驗(yàn)分為3組，每10個(gè)試樣為1組，每組檢測(cè)時(shí)間只需10 min.

圖8 火花塞檢測(cè)效果圖

表3為第1組選取的10個(gè)火花塞檢測(cè)結(jié)果，其中有7個(gè)是完好無缺的，2個(gè)存在裂紋缺陷，1個(gè)存在針孔缺陷.該組檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，符合預(yù)期效果.

表3 第1組火花塞檢測(cè)結(jié)果

表4為第2組選取的10個(gè)火花塞檢測(cè)結(jié)果，其中5個(gè)完好無缺，3個(gè)存在裂紋缺陷，2個(gè)存在針孔缺陷.由檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，出現(xiàn)1個(gè)誤檢.該組檢測(cè)準(zhǔn)確率為90%.對(duì)火花塞進(jìn)行拆解觀察，發(fā)現(xiàn)陶瓷表面裂紋實(shí)際為極其細(xì)小的摩擦劃痕，由于擦損太小，因此對(duì)整個(gè)火花塞工作沒有影響，從而出現(xiàn)了誤檢.

表4 第2組火花塞檢測(cè)結(jié)果

表5為第3組選取的10個(gè)火花塞檢測(cè)結(jié)果，其中6個(gè)完好無缺的，3個(gè)存在裂紋缺陷，1個(gè)存在孔洞缺陷.分析檢測(cè)結(jié)果可知，本組檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，符合預(yù)期要求.后期又進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，總體檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上，驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性.

表5 第3組火花塞檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

1) 通過對(duì)火花塞的工作原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)缺陷點(diǎn)處絕緣性能的不足能夠?qū)е码妷杭虞d下的火花塞放電位置的改變.在此基礎(chǔ)上，通過提取放電火花位置信息來判斷火花塞是否存在缺陷.

2) 設(shè)計(jì)了火花塞缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，利用脈寬調(diào)制原理和電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)了脈沖電壓的輸出與調(diào)節(jié)，并且驗(yàn)證了可以通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來更改所輸出電壓的大小.

3) 利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)放電火花進(jìn)行位置判定，成功捕捉到了放電火花及其坐標(biāo)信息.利用Canny算法、Hough算法等方法，實(shí)現(xiàn)了邊緣檢測(cè)與圓心定位.整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行方便，檢測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)95%，彌補(bǔ)了現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足.且操作簡(jiǎn)單，提高了自動(dòng)化程度.