一種基于數(shù)字化圖像處理的觸發(fā)器觸發(fā)電壓能量計(jì)算方法*

朱麗青

(云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，云南 昆明 650203)

1 觸發(fā)器觸發(fā)電壓能量傳統(tǒng)計(jì)算方法

觸發(fā)器是一種電磁觸發(fā)裝置，該觸發(fā)器在受到撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)電壓，當(dāng)觸發(fā)電壓達(dá)到一定值后可觸發(fā)后續(xù)裝置動(dòng)作，此類觸發(fā)器可用于物流小車的防撞報(bào)警等場(chǎng)合。觸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其工作原理如下：機(jī)械限位解除后，當(dāng)加速度達(dá)到指定閾值時(shí)，觸發(fā)器中帶磁性的銜鐵克服拉伸彈簧的預(yù)拉力向感應(yīng)線圈移動(dòng)直到吸合在感應(yīng)軸上，感應(yīng)線圈受到磁力線的擾動(dòng)而生成感應(yīng)電流，當(dāng)感應(yīng)電流流經(jīng)某電阻時(shí)，必產(chǎn)生感應(yīng)電壓。只有當(dāng)感應(yīng)電壓峰值和電壓波形能量大小達(dá)到一定閾值時(shí)，觸發(fā)器才能正常觸發(fā)后續(xù)裝置的動(dòng)作。用示波器采集的觸發(fā)器10 ms的觸發(fā)波形如圖2所示，傳統(tǒng)的計(jì)算電壓峰值和能量測(cè)量的方法是在觸發(fā)波形上手動(dòng)取點(diǎn)，再用數(shù)值處理擬合成一個(gè)較為靠近觸發(fā)波形的時(shí)間函數(shù)，然后對(duì)該時(shí)間函數(shù)進(jìn)行積分得到能量。該方法數(shù)據(jù)點(diǎn)少且常為手工采集，擬合函數(shù)精度差，效率低，有時(shí)無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。

2 觸發(fā)器觸發(fā)波形圖像采集系統(tǒng)的組成原理

本文觸發(fā)器觸發(fā)波形圖像采集系統(tǒng)主要由離心機(jī)、示波器、上位PC機(jī)、下位PLC控制器和觸發(fā)器組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)觸發(fā)波形采集和數(shù)據(jù)分析等2個(gè)主要功能，其中觸發(fā)采集由圖3中硬件框圖搭載的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析利用MATLAB 2008a編制的程序?qū)崿F(xiàn)。含PLC控制器和PC機(jī)的離心機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是西安捷盛開發(fā)的20 kg級(jí)離心式恒加速度試驗(yàn)機(jī)，示波器選用帶觸發(fā)模式、具備讀寫功能的示波器，示波器調(diào)整到觸發(fā)模式，調(diào)整參數(shù)統(tǒng)一為圖2所示模式，采集圖像背景可為黑或白，相應(yīng)觸發(fā)線條允許白或黑(如果需要，可以是任意RGB范圍內(nèi)顏色)。x軸代表時(shí)間，采集10 ms觸發(fā)波形作為衡量觸發(fā)器輸出能量指標(biāo)，y軸代表電壓，觸發(fā)波形零點(diǎn)如圖2所示，采集的波形代表每個(gè)時(shí)刻的電壓值，采集的波形存儲(chǔ)成jpg數(shù)據(jù)格式。

圖1 觸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 觸發(fā)器輸出的電壓脈沖

圖3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件框圖

圖1所示x正方向?yàn)橛|發(fā)器安裝于離心機(jī)上時(shí)偏離其旋轉(zhuǎn)軸心的方向，把觸發(fā)器緊固于離心機(jī)相應(yīng)半徑上(半徑大小和離心機(jī)運(yùn)行速度決定離心加速度的大小)；上位PC機(jī)對(duì)產(chǎn)品編號(hào)、試驗(yàn)名稱、轉(zhuǎn)速、離心加速度、啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)定，設(shè)定參數(shù)傳給下位機(jī)PLC，由PLC驅(qū)動(dòng)離心機(jī)旋轉(zhuǎn)，并把電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)及時(shí)反饋給上位機(jī)。當(dāng)觸發(fā)器離心加速度達(dá)到某觸發(fā)值時(shí)，會(huì)聽到清脆的嗒聲，離心機(jī)上的電刷把感應(yīng)電流自動(dòng)輸出到某電阻上，該電阻兩端連接在示波器上，則示波器能采集到觸發(fā)器的電壓脈沖，若電壓峰值滿足要求，則停機(jī)。

對(duì)于觸發(fā)器銜鐵動(dòng)作無(wú)觸發(fā)和觸發(fā)時(shí)旋轉(zhuǎn)加速度值、電壓峰值或能量不滿足要求的觸發(fā)器，按照預(yù)設(shè)定的離心加速度走完直到自動(dòng)停車；觸發(fā)器重新更換拉伸彈簧或重新充磁，安裝于該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)繼續(xù)試驗(yàn)直至合格。示波器采集的數(shù)據(jù)由PC機(jī)上的圖像處理模塊讀取并數(shù)字化，根據(jù)能量判定觸發(fā)器是否合格。

3 基于數(shù)字圖像處理的觸發(fā)器觸發(fā)電壓能量計(jì)算方法

數(shù)字圖像處理技術(shù)在工業(yè)探傷、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)以及機(jī)器人等方面有著廣泛的應(yīng)用。數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)是數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，它不僅研究物體三維輪廓的測(cè)量、在線測(cè)量、主動(dòng)適時(shí)測(cè)量，也可測(cè)量復(fù)雜平面圖形輪廓及其面積。為實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器觸發(fā)電壓和能量的精確檢測(cè)，有必要用圖像數(shù)字化技術(shù)處理觸發(fā)器觸發(fā)的波形圖像，把波形圖像數(shù)字化后在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集電壓數(shù)據(jù)，然后擬合成曲線，直接讀取計(jì)算電壓峰值與電壓零點(diǎn)之差可得到電壓峰值，計(jì)算曲線與電壓零點(diǎn)線之間的圖形面積可得到觸發(fā)輸出能量。

采集的數(shù)據(jù)可信度決定峰值能量計(jì)算的可靠度，系統(tǒng)采集時(shí)調(diào)整示波器使得觸發(fā)波形線條最細(xì)且沒(méi)觸發(fā)前示波器顯示屏看不出任何背景噪聲，合理的接地和屏蔽信號(hào)線的使用可保證采集到僅含信號(hào)噪聲的觸發(fā)電壓信號(hào)。

3.1 采集圖像降噪處理后數(shù)字化

信號(hào)噪聲主要由信號(hào)源觸發(fā)過(guò)程和傳輸通道引起，表現(xiàn)在示波器圖像上可能有高斯噪聲和椒鹽噪聲[1]，椒鹽噪聲與采集系統(tǒng)傳感器信道(即示波器性能)有直接關(guān)系，性能好的示波器采集的椒鹽噪聲可忽略不計(jì)，高斯噪聲可能是信號(hào)源銜鐵撞擊瞬間產(chǎn)生的，因此，應(yīng)該去除波形圖像的高斯噪聲。均值濾波或維納濾波對(duì)跳躍部分、顆粒噪聲等高噪聲可獲得較好效果[2]。圖4所示是采用1次中值濾波和4次維納濾波的對(duì)比圖。由圖4可知，類似椒鹽的網(wǎng)格可由中值濾波消除[3]，跳躍部分由維納濾波作用并不明顯，經(jīng)維納濾波后的圖片波形尖頂部位像素點(diǎn)變少(色澤變淡)，且波形點(diǎn)像素值變得寬泛對(duì)后續(xù)數(shù)字化采集不利，因此應(yīng)對(duì)圖像增強(qiáng)，銳化可突出物體的邊緣輪廓，便于識(shí)別。常用的有梯度法、算子、高通濾波等[4]，這里采用梯度法對(duì)4次維納濾波后的圖像進(jìn)行處理，處理后的圖像如圖4所示。

a)原圖

經(jīng)梯度增強(qiáng)的圖像明顯變粗，確實(shí)變得清晰可見，但圖像失真明顯；若用4次維納濾波后的圖像則波形有斷點(diǎn)失真現(xiàn)象，因此上述方法會(huì)人為引入較多波形中沒(méi)有的像素點(diǎn)，增加了后續(xù)數(shù)字化處理的誤差，且偏差大小難以確定。

3.2 采集圖像不降噪處理直接數(shù)字化

采集時(shí)，若能調(diào)整好示波器后按示波器消除網(wǎng)格鍵，可消除圖像中網(wǎng)格；若未消除網(wǎng)格，可連續(xù)2次利用ACDsee去除雜點(diǎn)命令消除網(wǎng)格而不損傷波形圖像，由此可得一幅干凈的圖像(見圖5)。仔細(xì)觀察該圖像，波形有一定寬度，若假定一定寬度的觸發(fā)波形中間值代表真值，離t軸較近或較遠(yuǎn)的點(diǎn)(即難以消除的噪點(diǎn))代表偏差。若能在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別提取電壓中間點(diǎn)、離t軸較近或較遠(yuǎn)的像素點(diǎn)，把這些像素點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)化為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)實(shí)際電壓值，再進(jìn)行插值擬合處理可得3條擬合曲線，擬合曲線分別代表10 ms內(nèi)每個(gè)時(shí)刻電壓平均值和電壓上、下限值，如此得出的曲線圖像沒(méi)有失真，是原圖像的真實(shí)反應(yīng)，由此得到的電壓峰值和能量面積更接近真實(shí)。

a)原圖 b)雜點(diǎn)處理后圖像

3.3 采集圖像直接數(shù)字化后能量計(jì)算方法

利用imread函數(shù)讀入觸發(fā)圖像數(shù)據(jù)存入矩陣A，利用函數(shù)imcrop(A,[x1,y1，x2,y2])截取圖5b中左上對(duì)角點(diǎn)Lp(x1,y1)到右下對(duì)角點(diǎn)Rp(x2,y2)之間的像素方塊區(qū)域存入矩陣B，矩陣B是像素點(diǎn)。采集矩陣B中每個(gè)時(shí)刻的電壓中間值、較大、較小值、電壓零點(diǎn)(zeroI)，采集原則是三維圖形矩陣點(diǎn)B(i,j, 1)、B(i,j, 2)、B(i,j, 3)應(yīng)分別等于波形上某i行j列點(diǎn)的像素值(0～255，0～255，0～255)。

采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)與圖像矩陣列數(shù)相同，原曲線上一點(diǎn)a，其對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)出現(xiàn)在三維矩陣的i行j列，原圖像大小(矩陣大小)為m×n，則像素點(diǎn)數(shù)大小為m×n/3，而原圖形對(duì)應(yīng)的真實(shí)坐標(biāo)尺度為t×U，則可求a點(diǎn)在實(shí)際坐標(biāo)中的位置為t(j-1)/(n/3-1)、U(i-1)/(m-1)[5]，再根據(jù)真實(shí)坐標(biāo)的原點(diǎn)(x1, zeroI)進(jìn)行坐標(biāo)平移，即得a點(diǎn)的坐標(biāo)值。

利用函數(shù)linspace(0,t,N)在已知n/3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中等分插入N個(gè)點(diǎn)，再利用spline(x,y, tnew)函數(shù)對(duì)y值進(jìn)行3次樣條函數(shù)插值，由于點(diǎn)數(shù)較多，其擬合結(jié)果相當(dāng)理想，擬合誤差可忽略不計(jì)，計(jì)算擬合曲線與時(shí)間零點(diǎn)間的圖形面積可得觸發(fā)波形能量。觸發(fā)波形能量的計(jì)算如下：

(1)

式中，U是電壓值；R是負(fù)載，此處R=10 Ω；t是時(shí)間；任一時(shí)刻的瞬時(shí)能量為U2/R，利用時(shí)間數(shù)值積分函數(shù)trapz(t,U2/R)即可計(jì)算能量面積(單位為mJ)。圖6所示為某觸發(fā)器觸發(fā)波形圖像數(shù)字化處理后的3條擬合曲線[6-7]，由圖6可以看出，3條擬合曲線非常接近。由圖6可知，該觸發(fā)器能量≥1.397 mJ。當(dāng)然，若需要電壓峰值，可方便地從擬合圖中直接讀取。讀取3條曲線中最小的電壓峰值和計(jì)算最小的觸發(fā)能量對(duì)判定觸發(fā)器合格有一定的安全裕度[8]。

a)采集圖像 b)擬合波形

4 采集圖像能量計(jì)算結(jié)果誤差分析

若設(shè)中間曲線計(jì)算后觸發(fā)電壓能量為E，上、下擬合曲線電壓觸發(fā)能量為Eu、Ed，可按式2和式3表示能量上、下偏差σu、σd。

(2)

(3)

筆者與委托廠家進(jìn)行觸發(fā)器試驗(yàn)驗(yàn)證，從采集的100個(gè)觸發(fā)器圖像中隨機(jī)抽取30個(gè)，經(jīng)計(jì)算其能量及能量偏差均≤±4%；若用超幾何分布[9-10]估計(jì)該偏差的可靠度，可知在置信度為0.9時(shí)，偏差數(shù)據(jù)的可靠度是0.937 2。實(shí)際觸發(fā)器數(shù)據(jù)處理時(shí)以下限值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)產(chǎn)品指標(biāo)也有一定的安全裕度。

5 結(jié)語(yǔ)

觸發(fā)器的精確觸發(fā)是觸發(fā)后續(xù)裝置準(zhǔn)確動(dòng)作的前提，而獲得準(zhǔn)確的觸發(fā)電壓能量是保證觸發(fā)器質(zhì)量的關(guān)鍵。本文提出了觸發(fā)器觸發(fā)波形的采集方法，分析得出采集的波形圖像不經(jīng)過(guò)圖像降噪和增強(qiáng)處理容易保留圖像原貌，由此數(shù)字化后得出的觸發(fā)器觸發(fā)波形能量更接近真值。文中假定各個(gè)時(shí)刻的波形圖像中間值、最大值和最小值分別代表各個(gè)時(shí)刻的真值、上限值和下限值，把各個(gè)時(shí)刻的真值、上、下限值采集數(shù)字化處理擬合成波形曲線并分別計(jì)算能量面積；最后對(duì)同一批次觸發(fā)器采集的圖像進(jìn)行偏差分析，得出該數(shù)值處理方法的偏差在±4%內(nèi)，可為觸發(fā)器或相似產(chǎn)品能量計(jì)算提供方法支持。

不足之處是，由于條件限制，示波器采集的波形圖像只能先存儲(chǔ)后集中處理，若需要數(shù)據(jù)批量處理，可考慮采用帶USB接口的示波器，把示波器采集的觸發(fā)波形實(shí)時(shí)發(fā)送到PC上位機(jī)中進(jìn)行處理，可更為有效地縮短生產(chǎn)時(shí)間。