基于CCD技術(shù)及塑料薄膜缺陷檢測系統(tǒng)

1、基于CCD技術(shù)的塑料薄膜缺陷檢測系統(tǒng)本文采用測量中廣泛使用的光電轉(zhuǎn)換器件線陣電荷耦合(CCD)技術(shù),完成了塑料薄膜缺陷檢測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計?；贒SO的塑料薄膜缺陷檢測系統(tǒng)在平行光的照射下,通過線陣CCD控制電路獲得塑料薄膜缺陷信號,使用虛擬示波器DSO-2902對一維缺陷信號進行采集、傳輸,借助于計算機進行分析處理,精確地檢測出薄膜的缺陷。1 前言中國的塑料產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段,提高加工能力，提升生產(chǎn)水平及產(chǎn)品的技術(shù)含量, 將是當前中國塑料工業(yè)發(fā)展的重點。目前,國內(nèi)部分企業(yè)和研究單位已經(jīng)展開了對塑料薄膜自動檢測系統(tǒng)的研究,并取得了一定的成果, 但這些設(shè)備主要檢測的目標是薄膜的常規(guī)特性,

2、例如: 透濕性、透氣性、表面張力等等。薄膜缺陷檢測領(lǐng)域在國內(nèi)仍是一項空白,我國一些大型的石化、塑料企業(yè)中的塑料薄膜缺陷檢測設(shè)備都是購自國外,這些設(shè)備精度高、速度快、可在線實時測量,具有極大的優(yōu)越性,但是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維修維護不便, 售價昂貴, 難以在我國全面推廣。廣大中小型塑料企業(yè)急需一種體積小、精度高、速度快、價格適中的薄膜缺陷在線檢測系統(tǒng)。因此,研制用于檢測塑料薄膜缺陷的裝置是十分有意義的。2 系統(tǒng)檢測原理整個系統(tǒng)由線陣CCD器件、光電探測器、高亮度平行光源、毛玻璃片、透鏡、調(diào)壓器、塑料薄膜材料、虛擬示波器、以及計算機等組成。其中,線陣CCD選用1024像元的TCD132D, 它將光源的光

3、信號轉(zhuǎn)換成電信號并通過虛擬示波器送入計算機, 然后加以分析。待測塑料薄膜材料被放于光源與CCD攝像頭之間, 這樣, 光源的一部分平行光線被所要測量的缺陷遮擋而無法到達CCD, 使CCD各光敏元的感光強度各不相同, 可以通過分析光強曲線的變化來確定被測物體的邊緣位置, 從而測得缺陷的實際大小, 并能夠進一步確定其位置。系統(tǒng)檢測原理如圖1所示。圖1.系統(tǒng)檢測原理從圖1可知, 缺陷顆粒經(jīng)過透鏡按一定的比例成像到CCD 器件的像元陣列表面, CCD 器件上的微光敏元陣列轉(zhuǎn)換成離散的分布電荷, 經(jīng)過CCD 器件模擬移位寄存器輸出成為時間序列的離散電壓信號, 再經(jīng)過低通濾波器解調(diào)使其成為含缺陷信息的光滑的

4、時域信號。利用虛擬示波器將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號在計算機中進行處理。若不考慮缺陷顆粒的細節(jié)形貌,可設(shè)其透射率函數(shù)為0/1分布。圖2為一維攝像系統(tǒng)電學(xué)信號示意圖。從圖2可知,在透射光照射下,材料中缺陷顆粒被成像到CCD器件像元陣列表面, 像的光強分布函數(shù)I(x)為物的光強分布函數(shù)I0(x0) 經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)尺度變換得到理想的像光強分布函數(shù)Ic(x)與光學(xué)系統(tǒng)點擴散函數(shù)的卷積。I(x)經(jīng)CCD器件的光敏元陣列轉(zhuǎn)化為空間一維離散分布的電荷函數(shù)g(x),再經(jīng)CCD模擬移位寄存器輸出成為時間序列的離散電壓信號E(t) , 通過解調(diào)網(wǎng)絡(luò)后, 形成連續(xù)分布的載有缺陷顆粒尺寸信息的時間信號S(t)。圖2 檢測系統(tǒng)電學(xué)

5、信號示意圖3 缺陷尺寸的確定塑料薄膜缺陷的尺寸是指垂直于試樣運行方向上缺陷的尺寸,要想測出其尺寸,首先要測出其像元尺寸,而CCD器件TCD132D的每個像元長度為14Lm,只要測出像元個數(shù)就可以求出其像元尺寸,而每個像元占虛擬示波器采集深度中的5個像素點,所以,只要測得缺陷顆粒尺寸對應(yīng)的采樣點數(shù)便可以計算出缺陷顆粒尺寸對應(yīng)的像元數(shù),從而確定其像元尺寸L。由圖3所示,只要確定其中t1 所占像素數(shù),即可確定t1 對應(yīng)的像元的長度。而每個缺陷的實際尺寸和其對應(yīng)的像元長度有著一定的關(guān)系, 故可以確定缺陷的尺寸。取閾值電平的信號輸出如圖3所示。從圖3可知,閾值電平選于50% 處,分別與圖形的下降沿和上升

6、沿交于n1 和n2兩點。圖3 取閾值電平的信號輸出t1對應(yīng)的點數(shù)n為:n=n2-n1n個點對應(yīng)的測得像元尺寸l為:l=14×n/54 基于DSO的缺陷數(shù)據(jù)采集方法CCD 輸出信號數(shù)據(jù)采集流程如圖4 所示。在缺陷檢測數(shù)據(jù)信號采集過程中, 數(shù)據(jù)采集裝置DSO-2902 的硬件驅(qū)動程序與采集軟件系統(tǒng)的通信十分重要。OUT . DLL 文件提供大量的數(shù)據(jù)采集裝置的硬件驅(qū)動程序, 軟件可以通過DLL( 動態(tài)連接庫) 的調(diào)用很方便的完成數(shù)據(jù)采集過程。調(diào)用DLL 需要3 個文件, 它們分別是調(diào)用的DLL 文件、此DLL 對應(yīng)的輸入庫文( * . lib) 以及此DLL 對應(yīng)的頭文件( * . h)

7、 。DLL 對應(yīng)的輸入庫文件可以由用戶通過Implib 命令在DOS 環(huán)境下生成, 其命令格式為: implib F: . . * . lib F: . . * . dll。得到這3 個文件后, 將它們拷到工程所在目錄下, 在C+ + Builder 工程環(huán)境中,點選Project | Add to Project . . . 將DLL 文件和庫文件加入到工程中, 并在頭文件中包含DLL 文件對應(yīng)的頭文件。從流程圖4可以看出,在數(shù)據(jù)采集時,首先要進行數(shù)據(jù)采集裝置的硬件檢測。DSO-2902 硬件檢測流程如圖5所示。圖5中,USB口檢測是用于對計算機USB口的尋址,并將USB口地址返回給軟件;D

8、SO硬件檢測用于軟件檢測DSO-2902數(shù)據(jù)采集裝置是否已連接在計算機的USB口上。動態(tài)連接庫中,相應(yīng)的函數(shù)格式分別為: char FindPort (int *UIP, char* UCP, charSysver) ; char FindHardware( int w inv ersion, char * bo ard_model, int *UIP, char* UCP) ; 參數(shù)UCP、UIP共同表示返回的USB口地址。char FindPo rt ( int* U IP, char* UCP, charSysver);char FindHardw are( int w inversio

9、n, char*board_model, int* U IP, char* UCP) ; 參數(shù)UCP、UIP 共同表示返回的USB 口地址。圖4 DSO 工作周期處理流程圖圖5 硬件檢測流程圖進行完硬件檢測之后,在進行數(shù)據(jù)采集之前,應(yīng)先進行數(shù)據(jù)采集DAQ(Data Acquisition)參數(shù)設(shè)置。在DAQ參數(shù)設(shè)置中, 需要設(shè)置每通道采集數(shù)據(jù)的參數(shù)和一次循環(huán)采集的數(shù)據(jù)塊的大小。其中,每通道采集數(shù)據(jù)的參數(shù)具體包括: 觸發(fā)方式、觸發(fā)源、觸發(fā)水平、觸發(fā)位置、采樣速率、每分區(qū)的電壓值、耦合方式(直流和交流)、探頭衰減倍數(shù)、偏移位置。進行完上述工作后,采集程序?qū)⒂胏apture函數(shù)命令開始數(shù)據(jù)的采集,以

10、EndCapture結(jié)束本次采集。5 實驗結(jié)果與討論薄膜料經(jīng)擠出、壓光工藝處理,在故意引入缺陷顆粒的情況下制成表面光潔的寬2cm、厚度0. 5 mm的試樣薄帶若干米長。選出缺陷顆粒數(shù)目適當、長3m的試樣, 其中引入6個缺陷, 將其放在步長電機驅(qū)動平移臺夾持器上, 按試樣進行順序?qū)υ撛嚇舆M行檢測, 通過虛擬示波器DSO-2902可以測得缺陷特征值見表1。表1 測得缺陷特征值測得缺陷最大電壓V最小電壓V缺陷起始位置下降沿邊緣點上升沿邊緣點14.280.7210644142426124.280.7211253183332434.280.6412364152433844.280.6413622902307354.280.9611524685472464.280.84132536493716通過表1中的塑料薄膜缺陷的一系列特征值,虛擬示波器DSO-2902對其進行實時采集、處理計算得到該次實驗中6個缺陷的橫向尺寸、縱向尺寸、橫向位置和縱向位置的值見表2。表2 實驗系統(tǒng)檢出缺陷數(shù)據(jù)缺陷橫向尺寸，m縱向尺寸，m1282.50276.672336.67336.673441.92436.674407.93403.3592.3286.676159.41153.33通過表2可以看出, 在3m長的試樣中, 所標定的6個缺陷全部被檢測出, 其中最大的441.