激光扫描技术在钢板宽度检测中的应用

姜占平

(重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆 400031)

激光扫描技术在钢板宽度检测中的应用

姜占平

(重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆 400031)

采用计算机数字图像处理技术对钢板宽度进行实时检测。在硬件结构上，采用双CCD感光器加激光线辅助光源扫描检测技术，提高系统检测精度。根据CCD成像原理及三角形相似定理，对因钢板宽度变化及钢板边缘上浮所引起的宽度变化计算模型进行了推导，提出了采用激光线遮挡板分线法来判定钢板边缘上浮所引起的测量误差，并根据误差测量结果，对钢板宽度进行了修正;同时，通过分析CCD激光线条最佳成像方法对系统进行了试验标定。结果表明，该系统的测量精度能满足实际生产需求。

钢板宽度检测;激光扫描测量;CCD相机;图像处理

钢板宽度是冶金行业钢板剪切过程中的一个重要检测和控制参数，实现钢板宽度的准确检测［1］和实时控制是提高钢板成材率和保证后续产品质量的重要因素。目前，钢材生产企业多数采用人工检测方法，由于受现场钢板高温和复杂的生产环境影响，人工劳动

强度过大、检测滞后，且检测精度依赖于人工经验，生产率较低［2－3］。

近年来，计算机数字图像处理作为视觉成像检测方法的技术支撑，与计算机、自动化、集成技术、光学等众多领域交叉，在检测精度和实时性上均有很大的进展。作为图像采集设备的电荷耦合器件，CCD集成度高、光敏元间距小、几何尺寸严格，在图像采集、信号处理和数字存储等领域已得到广泛应用。作者在前人研究基础上，采用双面阵CCD图像传感器和He－Ne绿色线形激光发射器作为辅助光源的计算机数字图像处理技术对钢板宽度实时检测原理及方法进行了研究，建立了软硬件系统。试验结果表明:该方法及检测精度能满足工业现场应用要求。

1 系统设计

由于冶金行业复杂的测量环境和钢材自身高温辐射等不利因素的存在，采用传统方法很难实时、精确地测量出热连轧、中厚板以及冷轧带钢的宽度数据。文中提出采用CCD图像感光器加激光线辅助光源成像方法对板带材宽度进行实时检测。该方法优点在于:(1)利用了CCD图像传感器高分辨率和高扫描频率来动态识别钢板横向二维宽度，并可在线重构和观测板形形态;(2)通过加辅助光源成像方法来提高检测精度，剔除钢板自身高温光强辐射影响，边部定位准确;(3)通过双CCD激光线断线成像方式，能有效克服被测介质因为边缘上浮所造成的误差，易实现在线、高精度测量。

1.1 硬件系统设计

硬件系统包括CCD图像感光器、线形激光源、分线板及冷却气体吹扫管路等几部分。系统组成及安装示意图如图1所示。

图1 设备安装与宽度检测示意图

由于钢材自身温度在到达600℃以上时会出现可见光谱的红光辐射，这会干扰高温情况下可见光CCD成像，尤其在钢板温度不恒定时，更容易造成检测误差，使得传感器件感光元曝光量不定。为保证检测精度，采用线形辅助光源成像的方法，另外相机滤色镜的选择考虑了成像的最佳通频带，在保证采集到清晰图像的同时又能剔除其他频带光谱干扰;考虑高温现场环境中水、雾、汽的影响，故需测定成像波段介质透过率，选择最佳成像波段;为了避免高温水雾及环境粉尘遮挡成像光路，设备安装过程中，合理设计气体吹扫路径。系统中的CCD图像传感器、信号传输线路、气体吹扫通路采用高温耐腐蚀材料全封闭安装。

1.2 软件系统设计

该系统软件部分包括系统试验标定模块、钢板宽度计算模块、钢板边缘浮动判断模块以及钢板板型重构模块，系统的检测流程如图2所示。

图2 钢板宽度检测流程

实际检测过程中，需对系统进行试验标定，即给系统制定摄像机标定模块，采用导入特定的计算模型后根据标定结果确定像素位移量到实际钢板宽度的转换因子。

钢板在传送过程中，左右边缘有可能高于基准面，因此，检测过程中应同步计算钢板边缘浮动量，并根据计算结果对钢板宽度值进行修正，该结果将包含在板型重构信息中。钢板在传送过程中出现的边缘上浮动情况，及由此产生的CCD激光线断点位移量计算方法如图3所示。图4为经分线板分割的激光线条原始图像，边缘①处和边缘②处分别代表了实际测量中钢板宽度的变化信息。以①号边缘处检测为例。

图3 钢板边缘位置检测方法

图4 被测钢板表面激光线形

可知，CCD-1像素位移量l值的变化可能有两种因素引起:其一是钢板自身的宽度变化引起激光线辅助光源断线点位置的变化，其二是钢板边缘上浮引起的断线点位置变化，如图3中由于钢板①号边缘翘起导致在x方向出现了a到e'的位移量。由于系统设计采用激光线分线板的方式，因此可通过检测断线位置点b的横向移动来判断钢板边缘位移量是否由浮动导致，断线点b处位置的变化所导致的CCD像素位移量l'与实际断线点移动距离D1表示为:

因此，可通过判断点b位置的变化计算出点a的实际位移量，进而对实测结果进行修正。计算结果如下，当系统固定后可得到以下相关参数，图3中令:

其中:f5及f6在实际应用应通过标定得出。

软件处理过程中，钢板边缘位置的提取基于灰度图像特征区域提取技术，即在CCD视场内采用激光线条断线点实时定位提取技术。

1.3 CCD测量原理

采用激光线光源辅助成像测量方式，需根据被测量钢板和激光源在CCD感光元上的像面照度决定传感器光积分时间，即要保证图像采集能获得清晰的激光线条，由像面照度公式决定如下［9］:∠d'ae'=α，∠dbc=β;分线板距钢板表面高度:h=OO';x2=aO;x'2=bO;可知:y1=e'd'=x1tanα，y'1=cd=x'1tanβ，则:x1=ae'与x'1=bc之间的函数关系由三角形相似定理可得:

式中:n、n'分别为物、像方介质折射率;K表示光学系统透过率;L表示光亮度;U'表示像方孔径角。

其中，可通过实验测量高温或常温自身辐射光亮度L和激光线经钢板反射亮度L'，则实际钢板表面反射亮度应为:

式中:E为激光发射器光源自身照度;ρ为钢板表面反射率 (0＜ρ＜1)。则钢板表面漫反射激光线像面照度应满足下式:

因CCD光圈固定时其感光元像面照度与被采集图像亮度为正比关系，因此可通过控制CCD感光元件的光积分时间得到激光线与被测量钢板表面最大宽容度图像，从而准确定位图像中的激光线条边缘断线位置。

实际测量过程中，可通过钢板传送速度来控制CCD积分时间，以保证测量的实时性。其测量计算方法表述如下，若检测精度需控制为dp，则:式中:l为面阵CCD成像面横向尺度，即为横向像元总数1 024与像元尺寸5.2μm的乘积;H为CCD距被测钢板表面高度，试验中定为1 000mm;F为CCD镜头的焦距 (25 mm)。

把相应数据代入式 (9)、(10)，可得每个像素代表的横向尺寸:dp=0.208 mm，即为宽度检测精度。

2 系统标定

实际应用中，系统各参数的确定难免存在误差，因此需采用标定模块对系统进行应用前标定。仍以图3中①号边缘为例，如图5(a)、(b)所示分别为钢板边缘宽度变化和边缘上浮所引起的CCD像素偏移量变化值，其中，图5(a)采用步进电机以0.2 mm/s的速率向钢板宽度方向移动钢板，并同时每隔1 s记录此刻像素位移量值，共延伸10 mm长度;以同样方式记录钢板边缘上浮10 mm时CCD像素偏移量值，可得到图5(b)的对应关系曲线。因此，测量过程中通过边缘上浮判定即可对实际钢板测量结果进行修正。

图5 钢板宽度和边缘上浮变化量与CCD像素偏移量关系图

3 结论

(1)采用双CCD感光器加激光线辅助光源扫描检测技术对板材宽度进行了实时检测。在硬件结构设计上，提出了采用激光线遮挡板分线法来判定由于钢板边缘上浮所引起的测量误差;在软件上，采用数字图像处理技术提高了系统检测精度，并对整体检测方法进行了阐述。

(2)依据CCD成像原理及三角形相似定理，对钢板宽度变化及由钢板边缘上浮所引起的宽度变化计算式进行了推导。

(3)对系统激光线条最佳成像方法进行了分析，并根据所选用的成像器件对系统进行了试验标定，结果表明该系统的测量精度能满足实际生产需要。

［1］梁东浩，赵建国，韩永澎.带钢宽度测量仪的研制［J］.计量测试，2001(6):46－50.

［2］解建国，张河新，李建朝，等.钢板宽度高速实时在线检测系统研究［J］.机床与液压，2002(5):226－227.

［3］朱晓晨，史小路.钢板宽度检测仪的研究与实现［J］.山东农机，2005(5):16－19.

［4］周沛，林吉.海热轧带钢轧机自动宽度控制(AWC)系统设计与实现［J］.电气传动，2006，36(1):52 －54.

［5］童卫旗.热轧带钢在线测宽技术的发展现状［J］.仪表技术与传感器，2006(11):1－2.

［6］秦广胜，何对燕，商红林.一种新的激光辅助钢板宽度测量系统的实现［J］.电子设计工程，2009，17(10):31－33.

［7］胡亮，段发阶，丁克勤，等.基于线阵CCD钢板表面缺陷在线检测系统的研究［J］.计量学报，2005，26(3):200－203.

［8］崔庆胜，尹海潮，周婷婷，等.红外测宽技术及其在热轧带钢宽度检测中的应用［J］.仪表技术与传感器，2009(1):41－52.

［9］张兴兰，欧阳奇，赵立明.连铸热坯表面缺陷图像清晰度控制算法［J］.重庆大学学报，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，硕士研究生，主要从事机械故障测试与诊断方面的研究。E－mail:jiang_zhp2007@163.com。