光电检测技术在工业中的应用现状与发展趋势

光电检测技术在工业中的应用现状与发展趋势内容摘要：

检测即在整个运动过程中不论运动速度如何变化如果使被测物体的运动与线阵 CCD扫描保持一种同步关系就能保证扫描的图像具有相当的分辨力和精度本文提出的数字同步方法原理是被测物体按要求的分辨力相对线阵 CCD 运动某个距离线阵 CCD 就扫描一行它们之间保持这种严格的同步关系。 交流位置伺服系统的工作方式与步进电机相似 每给一个脉冲转动一个角位移当量通过滚珠丝杆的转换行走一个线位移当量然后通过光栅尺检测实际位移 D1 D1 是已经误差补偿后的位移。 开发用外同步信号启动 CCD 行扫描的驱动电路该线阵 CCD 只有在外同步信号作用下才进行行扫描设要求的检测分辨力为 D2 则线位移量 D1 检测分辨力 D2和外同步信号的关系为 2 1 D 179。 kD其中 k 为满足上式的最大整数当电动位移台位移 kD1 时即 k 步时向线阵 CCD 发送一个外同步信号启 动一次 CCD 行扫描这样扫描的分辨力和精度不再受运动速度的影响而只取决于电动位移台的定位精度。 2) 轴类零件二维几何尺寸的自动定位与检测：在轴类零件尺寸检测过程中 通过定制专用夹具可以保证被测零件轴平面与物方焦平面重合但是采集到的零件图像在整个画面中可能有所平移因此对于小尺寸的检测一般不能按固定的检测位置进行尺寸检测而采用对零件图像边缘进行自动跟踪然后自动确定检测位置进行尺寸检测。 采用模板边缘跟踪方法对零件图像边缘进行自动跟踪，采用用于边缘检测的 Kirsch像素模板，用所有边缘模板逐一作用于图像中的每一个像素 产生最大绝对值输出值的模板所在的像素位置有边缘存在其模板方向代表了该处的边缘方向当检测到边缘和边缘方向后把模板中心点沿该方向移动模板大小个像素重复以上过程直到边缘跟踪完成。 由于边缘跟踪的精度和抗干扰性能与模板的大小有关为了得到较高精度的边缘信息又具有较好的抗干扰性能论文提出变模板法即根据具体情况来选取大小不同的两种模板其原理是首先利用 3像 *素 3 像素的比较小的边缘模板来进行边缘和方向判别检测到边缘和边缘方向后再利用另一较大的 9像素 *9像素边缘模板来决定模板中心点移动的像素值当用较大的 9像素 *9像素边缘模板 不能得到可靠的边缘方向信息时系统将自动切换使用较小的 3像素 *3像素边缘模板进行检测该方法的优点是能够较精确地跟踪零件图像边缘拐点同时减少了用小模板判别边缘和方向的次数由此减少了由于噪声造成方向判别错误的可能性。 经边缘探测后得到的图像拐点处的 (Xi, Yi)坐标值也即为拐点特征值它为合理确定检测位置提供了有利的依据由于能根据被测零件的复杂程度自动提取图像拐点特征值因而可以用探测到的特征值作为基准确定检测位置摒弃了固定位置进行检测的弊病。 检测数据及结论 图 11 被测物体二值化图 被测 物体的二值化图如图 11用该检测系统检测其 4个直径从下至上分别为直径 1~4 ，像素当量为。 每个直径检测三次检测结果如表 1。 若选用 DALSA 公司的 CTE44096 其扫描频率达 100MHz 当检测相同尺寸的物体时检测时间不到 1秒钟。 表 1 检测结果 在搭建的线阵 CCD 轴类零件尺寸检测平台上开展了检测方法和测试结果验证，证明 1) 研发的专用数字同步技术在保证与被测物体运动方向相垂直方向的高精度检测的同时大大提高了被测物体运动方向的检测速度和精度消除了被测物体运动速度变化对检测精度的响。 2) 采用图像边缘自动跟踪法能自动跟踪图像边缘自动获取边缘参数实现被测物体二维的多尺 寸自动定位和检测。 3) 检测误差 177。 当被测物体轴向尺寸为 100mm时检测时间 5s达到设计要求。 通过对基于线阵 CCD 的轴类零件尺寸检测方法和实验系统的研究为工程界寻求一种基于线阵 CCD的零件图像检测技术提供了实用和有效的方法和实现手段。 在钢铁工业中的应用 由于所用的机器功率高体积大，所以大功率的大型光电传感器在这里倍受青睐，成为有效的控制工具。 钢铁工业的浸酸过程中，需要展开钢板，然后通过酸池除去表面的锈和污物。 这是钢在切割和涂漆之前的必要一步。 通常是用直径为张力。 为了防止钢索断时造成危险，需要检测卷索错误。 可用高增益的后反射型光眼扫描卷轴边沿，只要反射器和传感器之间的光束不断，则表明卷索过程进展正确。 如果卷绕的钢索出现重迭或缺损，则高度将超出正常轴沿而挡住光束，使传感器有输出。 用一个积分型延迟定时器可展宽传感器的输出和响应信号。 系统的控制器能根据这个宽脉冲解释主光束的中断。 在造纸工业中的应用 在造纸工业中，检测纸辊上的卷纸量时，一般都采用超声波传感器，而不是光电传感器。 超声波传感器是这个过程检测的最佳选择。 只要将传感器与纸辊垂直安装、检测目标是良好的声反射 体即可。 但是如果应用场合存在安装或反射率问题时，就应想到采用光电传感器。 采用光电传感器可以提供也纸辊直径成比例的 4— 20mA信号。 由于超声波传感器与纸辊间严格的角度要求，所以安装偏差将造成声脉冲丢失。 而这种场合应用的光电传感器还有一个 额外的优点，就是它不受目标颜色变化的影响。 有些光电传感器是靠光强的起伏变化控制其输出的 (目标近光强增，目标远光强减 )。 而在这里应用的光电传感器是通过相位比较检测目标距离的。 它发射的红外光以一个已知的相位角离开传感器，被目标反射回来后相位角将发生偏移，其偏移量与目标距离成比 例。 利用相位比较法将不受反射信号强度变化和背景亮度变化的影响，因此可保证准确度。 CCD在工业应用及发展趋势 CCD 自从 1969 年，美国贝尔实验室 Boyle 和 Smith利用当时己发展得很好的硅技术研制成第 一个 CCD以来，依靠业已成熟的 MOS集成电路工艺， CCD 技术得以迅速发展。 CCD是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的器件，具有自动扫描、动态范围大、光谱响应范围宽、体积小、功耗低、寿命长和可靠性高等一系列优点。 CCD的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移 ，因此， CCD的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。 从结构上， CCD 可分为线阵 CCD和面阵 CCD两种，后者主要用于摄取图像，而前者作为一种高灵敏光电传感器在生产线上大量应用于产品外形尺寸非接触测量、分类、表面质量评定和精确定位等。 由于大面积高分辨率的面阵 CCD制造困难，并且光学镜头造成的面阵图像的畸变修正比线阵 CCD 扫描得到的图像的畸变修正复杂很多，因此线阵 C C D 比面阵 CCD 更适合作为高精度图像传感器。 CCD 的突出特点在于它是以电荷作为信号的，它的基本参数是电荷而不是电压或电流， 这就使得在器件的外围电路以及信号处理方面引入了新的概念和技术。 CCD 的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移。 因此， CCD 的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。 CCD 是在周期脉冲的作用下，通过电荷的存贮和传输来完成它的各种功能的。 由于 CCD 具有光电转换、信息存储等能，因而在图像传感、信号处理、数字信息存储三大领域内得到了广泛应用。 尤其是在图像传感领域内的应用发展最为迅速，从 CCD 概念提出到商品化的电荷耦合摄像机出现仅仅经历了四年。 近 20年来，由于 CCD图像传感技术研究的迅速发展， CCD器件 在像素集成度、分辨率、灵敏度、工作速度等指标上取得了突破性进展。 线阵 CCD 器件是由阵列光敏元曝光一定时 间后在相应驱动脉冲作用下，信号电荷转移至移位寄存器，由移位寄存器一位一位地将其输出，从而得到所需的光电信息。 线阵 CCD 灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作与维护方便、成本低廉，在工业生产线上，已广泛用于产品外部尺寸非接触检测、控制和分类、自动化及机器人视觉中的精确定位等技术领域。 CCD在生产自动化应用领域的发展趋势 CCD应用于自动工作机械，自动售货机，监视等装置。 本节对 CCD 在 焊接自动化领域的应用进行详述。 （ 1） CCD 用于焊接自动化焊缝跟踪 在焊接自动化系统中，使焊枪同步跟踪焊缝是系统设计的中心问题，其难点是电弧位置的精确测控。 CCD跟踪对象可以是辅助图象、电弧及熔池热场。 普通 CCD 摄像头的分辨可以达到 0． 05mm，动态跟踪检测精度可达 0． 06mm，均比采用其他方法检测精度高出一个数量级。 图 10是埋弧焊自动跟踪系统的传感器结构图。 传感器由光发射和接收两部分组成。 系统中采用的线阵 CCD器件被置于工件正上方，在垂直方向只接收散射光信号的光路结构。 激光从激光二级管发出，经柱面 透镜，在工件表面汇聚成宽度很窄的光带。 适当选取柱面透镜的焦距。 使该光带形成结构光。 由于该光平面以一定角度入射到工件上，随着坡口处位置高低的变化， 该光带在工件表面和坡口内部将形成一条空问曲线 ABCDE。 激光在工件上产生反射和散射，线阵 CCD器件在垂直方向上只接收散射光。 根据 瑞利定律可知散射光的强度随观察方向变化。 选择最佳入射角．使得在垂直方向上的散射光最为理想，故确定该值为传感器发射与接收光路间的夹角。 工件表面上的散射光带作为光源，经过圆透镜成像。 该像也为一空间曲线。 当圆透镜的焦距足够大时，该光学系统的 景深也相应较长。 可认为像曲线为一平面曲线abcde。 将线阵 CCD放置在像平面上，使其感光部分与像曲线的直线部分 ab和 de重合。 这样来自工件表面的光能落在 CCD 上并使其感光，。