激光掃描技術在鋼板寬度檢測中的應用

姜占平

(重慶科技學院機械與動力工程學院，重慶 400031)

激光掃描技術在鋼板寬度檢測中的應用

姜占平

(重慶科技學院機械與動力工程學院，重慶 400031)

采用計算機數字圖像處理技術對鋼板寬度進行實時檢測。在硬件結構上，采用雙CCD感光器加激光線輔助光源掃描檢測技術，提高系統檢測精度。根據CCD成像原理及三角形相似定理，對因鋼板寬度變化及鋼板邊緣上浮所引起的寬度變化計算模型進行了推導，提出了采用激光線遮擋板分線法來判定鋼板邊緣上浮所引起的測量誤差，并根據誤差測量結果，對鋼板寬度進行了修正;同時，通過分析CCD激光線條最佳成像方法對系統進行了試驗標定。結果表明，該系統的測量精度能滿足實際生產需求。

鋼板寬度檢測;激光掃描測量;CCD相機;圖像處理

鋼板寬度是冶金行業鋼板剪切過程中的一個重要檢測和控制參數，實現鋼板寬度的準確檢測［1］和實時控制是提高鋼板成材率和保證后續產品質量的重要因素。目前，鋼材生產企業多數采用人工檢測方法，由于受現場鋼板高溫和復雜的生產環境影響，人工勞動

強度過大、檢測滯后，且檢測精度依賴于人工經驗，生產率較低［2－3］。

近年來，計算機數字圖像處理作為視覺成像檢測方法的技術支撐，與計算機、自動化、集成技術、光學等眾多領域交叉，在檢測精度和實時性上均有很大的進展。作為圖像采集設備的電荷耦合器件，CCD集成度高、光敏元間距小、幾何尺寸嚴格，在圖像采集、信號處理和數字存儲等領域已得到廣泛應用。作者在前人研究基礎上，采用雙面陣CCD圖像傳感器和He－Ne綠色線形激光發射器作為輔助光源的計算機數字圖像處理技術對鋼板寬度實時檢測原理及方法進行了研究，建立了軟硬件系統。試驗結果表明:該方法及檢測精度能滿足工業現場應用要求。

1 系統設計

由于冶金行業復雜的測量環境和鋼材自身高溫輻射等不利因素的存在，采用傳統方法很難實時、精確地測量出熱連軋、中厚板以及冷軋帶鋼的寬度數據。文中提出采用CCD圖像感光器加激光線輔助光源成像方法對板帶材寬度進行實時檢測。該方法優點在于:(1)利用了CCD圖像傳感器高分辨率和高掃描頻率來動態識別鋼板橫向二維寬度，并可在線重構和觀測板形形態;(2)通過加輔助光源成像方法來提高檢測精度，剔除鋼板自身高溫光強輻射影響，邊部定位準確;(3)通過雙CCD激光線斷線成像方式，能有效克服被測介質因為邊緣上浮所造成的誤差，易實現在線、高精度測量。

1.1 硬件系統設計

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

圖1 設備安裝與寬度檢測示意圖

由于鋼材自身溫度在到達600℃以上時會出現可見光譜的紅光輻射，這會干擾高溫情況下可見光CCD成像，尤其在鋼板溫度不恒定時，更容易造成檢測誤差，使得傳感器件感光元曝光量不定。為保證檢測精度，采用線形輔助光源成像的方法，另外相機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又能剔除其他頻帶光譜干擾;考慮高溫現場環境中水、霧、汽的影響，故需測定成像波段介質透過率，選擇最佳成像波段;為了避免高溫水霧及環境粉塵遮擋成像光路，設備安裝過程中，合理設計氣體吹掃路徑。系統中的CCD圖像傳感器、信號傳輸線路、氣體吹掃通路采用高溫耐腐蝕材料全封閉安裝。

1.2 軟件系統設計

該系統軟件部分包括系統試驗標定模塊、鋼板寬度計算模塊、鋼板邊緣浮動判斷模塊以及鋼板板型重構模塊，系統的檢測流程如圖2所示。

圖2 鋼板寬度檢測流程

實際檢測過程中，需對系統進行試驗標定，即給系統制定攝像機標定模塊，采用導入特定的計算模型后根據標定結果確定像素位移量到實際鋼板寬度的轉換因子。

鋼板在傳送過程中，左右邊緣有可能高于基準面，因此，檢測過程中應同步計算鋼板邊緣浮動量，并根據計算結果對鋼板寬度值進行修正，該結果將包含在板型重構信息中。鋼板在傳送過程中出現的邊緣上浮動情況，及由此產生的CCD激光線斷點位移量計算方法如圖3所示。圖4為經分線板分割的激光線條原始圖像，邊緣①處和邊緣②處分別代表了實際測量中鋼板寬度的變化信息。以①號邊緣處檢測為例。

圖3 鋼板邊緣位置檢測方法

圖4 被測鋼板表面激光線形

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輔助光源斷線點位置的變化，其二是鋼板邊緣上浮引起的斷線點位置變化，如圖3中由于鋼板①號邊緣翹起導致在x方向出現了a到e'的位移量。由于系統設計采用激光線分線板的方式，因此可通過檢測斷線位置點b的橫向移動來判斷鋼板邊緣位移量是否由浮動導致，斷線點b處位置的變化所導致的CCD像素位移量l'與實際斷線點移動距離D1表示為:

因此，可通過判斷點b位置的變化計算出點a的實際位移量，進而對實測結果進行修正。計算結果如下，當系統固定后可得到以下相關參數，圖3中令:

其中:f5及f6在實際應用應通過標定得出。

軟件處理過程中，鋼板邊緣位置的提取基于灰度圖像特征區域提取技術，即在CCD視場內采用激光線條斷線點實時定位提取技術。

1.3 CCD測量原理

采用激光線光源輔助成像測量方式，需根據被測量鋼板和激光源在CCD感光元上的像面照度決定傳感器光積分時間，即要保證圖像采集能獲得清晰的激光線條，由像面照度公式決定如下［9］:∠d'ae'=α，∠dbc=β;分線板距鋼板表面高度: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之間的函數關系由三角形相似定理可得:

式中:n、n'分別為物、像方介質折射率;K表示光學系統透過率;L表示光亮度;U'表示像方孔徑角。

其中，可通過實驗測量高溫或常溫自身輻射光亮度L和激光線經鋼板反射亮度L'，則實際鋼板表面反射亮度應為:

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

因CCD光圈固定時其感光元像面照度與被采集圖像亮度為正比關系，因此可通過控制CCD感光元件的光積分時間得到激光線與被測量鋼板表面最大寬容度圖像，從而準確定位圖像中的激光線條邊緣斷線位置。

實際測量過程中，可通過鋼板傳送速度來控制CCD積分時間，以保證測量的實時性。其測量計算方法表述如下，若檢測精度需控制為dp，則:式中:l為面陣CCD成像面橫向尺度，即為橫向像元總數1 024與像元尺寸5.2μm的乘積;H為CCD距被測鋼板表面高度，試驗中定為1 000mm;F為CCD鏡頭的焦距 (25 mm)。

把相應數據代入式 (9)、(10)，可得每個像素代表的橫向尺寸:dp=0.208 mm，即為寬度檢測精度。

2 系統標定

實際應用中，系統各參數的確定難免存在誤差，因此需采用標定模塊對系統進行應用前標定。仍以圖3中①號邊緣為例，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)采用步進電機以0.2 mm/s的速率向鋼板寬度方向移動鋼板，并同時每隔1 s記錄此刻像素位移量值，共延伸10 mm長度;以同樣方式記錄鋼板邊緣上浮10 mm時CCD像素偏移量值，可得到圖5(b)的對應關系曲線。因此，測量過程中通過邊緣上浮判定即可對實際鋼板測量結果進行修正。

圖5 鋼板寬度和邊緣上浮變化量與CCD像素偏移量關系圖

3 結論

(1)采用雙CCD感光器加激光線輔助光源掃描檢測技術對板材寬度進行了實時檢測。在硬件結構設計上，提出了采用激光線遮擋板分線法來判定由于鋼板邊緣上浮所引起的測量誤差;在軟件上，采用數字圖像處理技術提高了系統檢測精度，并對整體檢測方法進行了闡述。

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

(3)對系統激光線條最佳成像方法進行了分析，并根據所選用的成像器件對系統進行了試驗標定，結果表明該系統的測量精度能滿足實際生產需要。

［1］梁東浩，趙建國，韓永澎.帶鋼寬度測量儀的研制［J］.計量測試，2001(6):46－50.

［2］解建國，張河新，李建朝，等.鋼板寬度高速實時在線檢測系統研究［J］.機床與液壓，2002(5):226－227.

［3］朱曉晨，史小路.鋼板寬度檢測儀的研究與實現［J］.山東農機，2005(5):16－19.

［4］周沛，林吉.海熱軋帶鋼軋機自動寬度控制(AWC)系統設計與實現［J］.電氣傳動，2006，36(1):52 －54.

［5］童衛旗.熱軋帶鋼在線測寬技術的發展現狀［J］.儀表技術與傳感器，2006(11):1－2.

［6］秦廣勝，何對燕，商紅林.一種新的激光輔助鋼板寬度測量系統的實現［J］.電子設計工程，2009，17(10):31－33.

［7］胡亮，段發階，丁克勤，等.基于線陣CCD鋼板表面缺陷在線檢測系統的研究［J］.計量學報，2005，26(3):200－203.

［8］崔慶勝，尹海潮，周婷婷，等.紅外測寬技術及其在熱軋帶鋼寬度檢測中的應用［J］.儀表技術與傳感器，2009(1):41－52.

［9］張興蘭，歐陽奇，趙立明.連鑄熱坯表面缺陷圖像清晰度控制算法［J］.重慶大學學報，2010，33(5):90－94.

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，主要從事機械故障測試與診斷方面的研究。E－mail:jiang_zhp2007@163.com。