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线阵CCD技术在钢板测宽仪中的应用

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　　前言

　　带钢质量检测带钢宽度是带钢生产中的一个重要的质量指标。为保证带钢生产的质量控制, 需要在带钢轧制过程中对带宽进行在线监测, 以利于提高产品的宽度性能指标。本文提出的带钢测宽仪利用线阵CCD 图像检测技术, 实现了传动带钢的非接触动态宽度测量及带钢宽度超差报警。

　　利用CCD 技术对产品表面质量进行实时检测、动态测量,具有结构简单、非接触、精度高、测量速度快、性能稳定可靠等优点。摄像头的主要传感部件是CCD, 它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点。CCD 成像检测的基本原理是, 首先在光学系统的作用下, 将被测物体的某种特性的变化转化成光束角度的变化, 光束照射在CD 器件的受光窗面上, 受光窗面受光线照射的像素中产生光生电荷, 并将电荷存储在像素单元中, 未受到光线照射的像素不产生光生电荷, 然后在CCD 驱动电路中的读出时钟脉冲控制下, 将电荷转移并移位传输至输出电路中, 经输出电路将电荷量转化为电压量输出。CCD 器件输出的是数字视频信号, 需要经过用户设计的数据处理电路将其转化为标准信号, 以便进一步处理。

　　1 测量方案与测量系统

　　目前国内使用的测宽仪主为如图所示结构。主要包括两个部分, 检测箱和光源部分。检测箱是测宽仪的头部, 它包括两个摄像机、连接两个摄像机用的丝杆及驱动丝杆用的电机, 以及变速抱闸电磁离合器。另外还有测量基准宽度用的自整角发送机和水、气路系统等。在检测箱中除两个旋转狭缝检测头采用CCD 摄像机。下部光源箱由6 根40W 日光灯组成, 左右各3 根另外在光源箱内部通入压缩空气用于冷却和防尘。为了光源箱上面的透光玻璃不受氧化铁皮等所污染, 在玻璃上通以冷却水冲洗。但从结构中可以发现,其结构复杂,控制体繁琐,需要标定钢板摄像头位置, 以及及时维护,实时操作性非常差。因此可寻找一种改进方法。

　　首先, 在光源上做一改进, 把下面的光源用一个激光发光管打到一个摇摆旋转的反射镜上, 使光点打在钢板上形成一条直线。如图所示. 然后在成像上做一改变, 不用什么电机来带动CCD 跑动, 而用一个凸透镜, 使红外光成像在CCD 上面。这样结构相当简单, 调试也很方便。如选用2500 像素的CCD, 测量2.5m 宽的钢板, 那么CCD 的1 个像素对应钢板的1 mm。实际情况可以忽略激光光束的影响, 和钢板传送造成对测量的影响。因为光源比较稳定, 钢板的传送速度相比反光镜和CCD 的速度来说是非常慢, 1 .5 mm/s. 这样在 CCD 的截面上成像成一道亮线, 这条线的像元数乘以1mm 的值, 即为钢板的宽度。测量非常简单。这种结构与上相比结构非常简单, 如果能精度小于0.5mm 是完全可以代替的。该系统的精度后面论证。如上图所示, CCD 感光则CCD 上的像元成高电平脉冲, 否则为低脉冲, 故只要测量出CCD 高电平脉冲的宽度就可以得出钢板的尺寸来。分析该图, 只要求出 N1 时刻的脉冲数和N2之后的脉冲数, 积分时间固定, 就可以得出N1 和N2 之间的脉冲数, 从而对应得出测量尺寸来。这里考虑到CCD 的频率20M相比之下比较高,MCU 处理起来有难度。观察CCD 的实际输出,用CPLD 计数,在CCD 的场信号结束时把测得的数据数据传给MCU 做处理。这样避免了繁琐的硬件设计。这样过程非常简单。用CPLD 来计DOS 的输出, 当场信号下降沿来临时, 将计数器清零, 在场信号上升沿来临时, 将计数器里的数据送到数据线上, 同时对MCU 申请中断。MCU 将数据处理后显示输出, 并传递给下位机。

　　2 边缘分割

　　CCD 输出的视频数字信号中包含了图像背景信息和图像信息, 如图中的光屏蔽像素区、信号输出区所示, 由于被测物与背景在光强上的变化, 反映在CCD 视频信号所对应的图像谱上, 在边界处会有明显的电平变化, 但是具体来说如何准确地边界位置, 就需要将CCD 视频信号中背景与图像信息分离成二值电平信息。通常用阀值法。若阀值选得过高, 则过多的目标点将误归为背景; 反之会出现相反情况。这势必影响分割出来目标的具体尺寸。因此, 确定阀值是问题的核心。分析CCD 视频信号的输出波形可以看出, 图像边界在波形图曲线变化率最大的点处。为此, 可以用微分的办法找到曲线的最大变化率所对应的点。这种方法称微分法。微分法的电路原理框图如图所示。将CCD 视频输出的调幅脉冲信号经采样保持电路或低通滤波后变成连续的视频信号, 如图所示。将连续视频信号经过微分电路I 微分, 它的输出是视频信号的变化率, 信号电压的最大值对应视频信号边界过滤区变化滤最大的点(如图中的A 点及A 点)。微分I 在视频信号的下降沿产生一个负脉冲, 在上升沿产生一个正脉冲, 如图的第4 的第二条波形所示。将微分I 输出的两个级性相反的脉冲信号送给取绝对值电路, 经过绝对值电路将微分I 电路输出的信号转变成同级性的脉冲信号, 如图的第3 条波波形, 信号的幅值点对应边界特征点。将同级性脉冲送入微分电路 II 再次微分, 获得对应绝对最大值处的过零信号。过零信号再次经过零触发器, 输出两个下降边沿对应于过零点的脉冲信号。用这两个脉冲的下降沿取触一个触发器, 便可以获得视频信号起初边界特征的发波脉冲, 即二值化信号。其脉冲宽度为图形AA 间的宽度。