基于机器视觉检测精细雾化喷头的装置

金学民

(上海鋆雪自动化有限公司，上海 201108)

高压微雾加湿器利用高压柱塞泵将纯水或者经过精密过滤的软化水压力提高到4 MPa～7 MPa，之后再经过精细雾化喷头将其雾化，产生0.5 μm～15.0 μm的微雾颗粒，从空气中吸收热量完成汽化并扩散，达到加湿车间空气并降温的目的。其中雾化喷头是喷雾设备中比较关键的零件，决定了水雾化的效果。雾化喷头的主体一般用铜制造，产品数量很大，以往行业里都采用人工抽检的方法来判定批次产品的好坏。一方面，检测工人眼睛易疲劳，抽检判断无法保证出厂产品全数合格，会给客户带来较差的体验；另一方面，如果人工全数检验，又存在成本太高的问题。

1 精细雾化喷头结构

精细雾化喷头分为燃油精细雾化喷头、水高压精细雾化喷头(高压雾化喷头)、水低压精细雾化喷头(低压雾化喷头)等。图1为水精细雾化喷头结构，当1 kg～200 kg的水从下方孔中进入铜体，经过导流体形成旋转的水流向上经过微小孔喷出后，即可形成圆锥发散的水雾。精细雾化喷头最重要的参数是喷雾圆锥的锥角，它决定着雾化的效果。

1—喷片；2—铜体；3—导流体；4—密封圈。

2 检测方法

2.1 传感器方法

精细雾化喷头喷出的水雾产生的压力非常小，用测量液体压力的传感器检测则灵敏度不够，而测量小压力的气体压力传感器多数都不适合检测潮湿的水雾，因此压力传感器不适用于检测精细雾化喷头喷雾圆锥的锥角。

以直径为18 mm的电容式接近开关传感器进行试验，因水雾的雾滴很小，少量雾滴喷在电容式接近开关的感知面上，电容量无明显变化，无法触发电容式接近开关使它发出信号，只有当很多水雾在电容式接近开关的感知面上聚集成水滴后，才能触发并发出信号。此方法检测每个精细雾化喷头时，需经历较长的等待时间，检测效率低下。

2.2 机器视觉方法

机器视觉系统包括镜头、图像传感器(CCD，CMOS图像摄取装置)、光源、计算机、图像处理与分析、视觉系统控制单元[1]。相较传统人工检测的测量快速、准确，可大幅降低工人劳动强度，能够实现高效生产和自动化。使用机器视觉检测方法可以实现精细雾化喷头出厂前的全数检验，避免抽检带来的不合格品出厂。同时，机器视觉检测也是人工智能快速发展的一个分支，采用这种方式升级传统制造业也是近年来国家大力提倡的。

2.2.1 镜头选择

雾化喷头检测时要喷出大量的雾气，设备在高潮湿环境下工作，对机器视觉系统的选择带来了一定难度。要求视觉系统的镜头到喷雾口的距离不小于300 mm，且要放在雾化喷头的上方，最大程度地减少雾气对镜头的影响。

为了降低机器视觉系统的成本，选用业内常用的300万像素定焦镜头，确定视野范围约为40 mm，靶面为17 mm，可以为图像处理与分析提供高清晰的图片。检测设备采用静止取相的方法拍照，使用12.7 mm面阵相机，为了与镜头的清晰度相适应，宜选用百万像素以上的逐行扫描相机。

2.2.2 光源选择

由于检测设备是在高潮湿环境下工作的，市面上绝大多数机器视觉成品光源都不适合，可使用综合性价比较高的防潮LED光源。机器视觉系统中照明最重要的任务是使需要被观察的图像特征与被忽略的图像特征间产生最大的对比度，即要被分析的特征与其周围的背景区域间要有足够的灰度梯度，从而易于特征区分，否则会导致阈值选择困难。但喷头喷出的雾气呈现半透明状态，与空气间无十分明确的边界，给构建照明环境带来了一定的挑战。

为了增加图像的对比度，在水雾的下面放置一块摄影黑色植绒吸光布，如图2所示。刚开始的时候效果很好，但当吸光布吸满水后，水的反光使相机取得的照片无法区分水雾区域。之后，取消黑色植绒吸光布，让水雾以下部分长距离透空、无任何物体遮挡，解决了这个问题。

1—雾化喷头；2—相机；3—细雾；4—黑色植绒吸光布。

由于水雾从喷口喷出以后浓度逐步递减，要计算水雾的边缘，只能在喷口附近水雾浓度比较高的区域取像分析喷雾圆锥的锥角，所以光源要照亮的地方是喷雾口附近区域。笔者尝试用点光源照明，发现照明面积太小，不足以将喷雾口附近的区域全部照亮；但照明面积太大，超出喷雾区域的光会将周围的物体照亮，导致图像里面的雾气部分与周围物体难以分辨。因此，选用小面积的LED防水灯来做照明光源，其功率宜为0.5 W～4.0 W，太大则光线会穿过半透明的雾气照亮周围物体，会造成图像里面雾气部分难与周围物体区分的情况。

2.2.3 照明布局

为了自动化检测设备布局灵活多变，未采用市面上常见的、光源轴心线垂直于雾气喷射轴线的照明方式，对于不十分浓厚的雾气(水低压精细雾化喷头)，可选用2个LED光源平行于雾气两边边缘的方式照明，避免阻挡造成喷出雾气回流而影响照片清晰度的问题；对于非常浓厚的雾气(水高压精细雾化喷头)，可用1个LED光源放置在雾气喷射轴线上的方式进行照明。试验表明，这两种照明方法都能得到比较好的图像，给后面的图像处理与分析奠定了基础。为减少其它光线的干扰，在检测设备的周围做了一个半封闭的不锈钢柜子进行遮挡，避免了其它干扰光线对图像的不利影响。

计算机对取得的图像采取2种处理方法判断产品是否合格。一种方法是通过取得水雾两侧明亮的边界，计算两边明亮边界线的夹角度数进行判断；另一种方法是将合格品与各种类型的废品进行分类，并积累足够多的产品图片样本给计算机，让计算机通过机器学习的人工智能方法获得对各种类型产品的判断能力，进而完成大量出厂产品的检测。

3 检测装置密封结构设计

精细雾化喷头用螺纹连接在管接头上并压紧密封圈实现对液体密封，所以现有雾化喷头检测设备也采取相同方式连接，之后通入高压液体检测喷雾圆锥的锥角大小。这使每个雾化喷头检测时都要经过螺纹拧上管座、加压检测完成后再拧下的过程，拆装用时长、检测效率低。因此，技术人员在检测设备中设计了类似快速接头的结构方式来实现密封。

精细雾化喷头检测装置密封结构见图3[2]，其中A区域上方是相机、下方全部透空。雾化喷头置于挡板与带有进液口的顶杆之间，顶杆向前加压将密封圈和喷头顶在挡板上完成密封。因为采用光源光线与雾气轴线小于80°的照明方式，将喷雾检测设备放置光源的位置让给挡板，使此设备可以用顶压的方式快速完成密封，节省了雾化喷头拧上去、检测完成再拧下来的时间，大大加快了检测速度，提高了检测效率。在拍照范围内的挡板等机械零件用黑色材料制造，可提高相片中水雾与周围物体的对比度，更有利于机器视觉的图像处理与分析。

1—精细雾；2—挡板；3—雾化喷头；4—密封圈；5—进液口。

4 检测装置使用效果

精细雾化喷头检测装置视觉显示界面如图4所示。用上述机器视觉方法和机械结构，结合自动上料装置、计算机图像处理与分析单元和PLC控制的雾化喷头不合格品自动剔除单元，制造的全自动雾化喷头检测装置，经过几年的使用取得了良好的效果。单位时间内检测的产品数量是人工检测的2～3倍，且出厂产品全部合格，大幅降低了工人的劳动强度。

图4 精细雾化喷头检测装置视觉显示界面