Способ оптико-электронного контроля дефектов на движущейся поверхности и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: контролируемую поверхность освещают источником света (ИС) и сканируюттелевизионной камерой (ТК) с линейным массивом фотоприемников , формируют видеосигнал (В), вычисляют в каждом периоде сканирования среднее значение В, вычисляют для каждого текущего значения В локальное среднее значение (Л СЗ) совокупности текущего значения и его соседних величин, локальное среднее отклонение (ЛСО) текущего значения В и его соседних величин от ЛСЗ, отклонение текущего значения В от ЛСЗ и коэффициент усиления полученного отклонения , как отношение среднего значения В в каждом периоде сканирования к ЛСО текущего значения В и его соседних величин от ЛСЗ, вычисляют текущее значение скорректированного сигнала путем умножения коэффициента усиления на отклонение текущего значения В от ЛСЗ, что позволяет компенсировать неоднородности В при наличии факторов, вызывающих изменение уровня В. Сравнивают полученный сигнал с несколькими регулируемым.и пороговыми значениями, разделяют дефекты поверхности на несколько классов. Устройство для осуществления способа содержит источник света, освещающий контролируемую поверхность , последовательно соединенные телевизионную камеру с линейным массивом фотоприемников, блок компенсации неоднородностей и блок электронной обработки сигнала. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. ел С -ч 4D О О ел о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИН Е СК ИХ

РЕСПУБЛИК (я)л G 01 N 21/89

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4948186/25 (22) 25.06.91 (46) 15.02.93. Бюл, N 6 (71) Череповецкий филиал Вологодского политехнического института (72) А.И,Потапов, Л,Л,Малыгин, П.Н.Валин, Е,В.Ершов и B.Н,Князев (73) Е.В,Ершов и Л,Л.Малыгин (56) Заявка ФРГ М 3411578, кл. G 01 N 21/88, 1985, Патент США N. 4507564, кл. G 01 N 21/89, 1985.

Патент ГДР N. 2410662, кл. 6 01 В 11/30, 1984. (54) СПОСОБ ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО

КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ НА ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Сущность изобретения; контролируемую поверхность освещают источником света(ИС) и сканируюттелевизионной камерой (TK) с линейным массивом фотоприемников, формируют видеосигнал (В), вычисляют в каждом периоде сканирования среднее значение В, вычисляют для каждого текущего значения В локальное среднее

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при неразрушающем контроле качества поверхности полосового материала, например, металлопрокатаа.

Известен оптический способ определения дефектов поверхностей, заключающийся в освещении источником света и. Ы 1796059 АЗ значение (ЛСЗ) совокупности текущего значения и его соседних величин, локальное среднее отклонение (ЛСО) текущего значения В и его соседних величин от ЛСЗ, отклонение текущего значения В от ЛСЗ и коэффициент усиления полученного отклонения, как отношение среднего значения В в каждом периоде сканирования к ЛСО текущего значения В и его соседних величин от ЛСЗ; вычисляют текущее значение скорректированного сигнала путем умножения . коэффициента усиления на отклонение текущего значения В от ЛСЗ, что позволяет компенсировать неоднородности В при наличии факторов, вызывающих изменение уровня В, Сравнивают полученный сигнал с несколькими регулируемыми пороговыми значениями, разделяют дефекты поверхности на несколько классов. Устройство для осуществления способа содержит источник света, освещающий контролируемую поверхность, последовательно соединенные телевизионную камеру с линейным массивом фотоприемников, блок компенсации неоднородностей и блок электронной обработки сигнала. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. О о сканировании приемником оптического излучения контролируемой поверхности, формировании видеосигнала и его последующего анализа с целью получения информации о дефектах.

Недостатком данного способа является невысокая надежность обнаружения поверхностных дефектов при наличии неоднород1796059 настей видеосигнала. однозначно отображающего оптическое изображение контролируемой поверхности.

Известно оптикоэлектронное устройство для обнаружения поверхностных дефектов, содержащее протяженный источник излучения, одновременно освещающий лист материала по всей его ширине, фотоэлектронный приемник оптического излучения и электронную схему обработки сигналов, соответствующих интенсивности излучения, отра>кенного от контролируемой поверхности листа.

Недостатком данного устройства является невысокая надежность обнаружения дефектов поверхности при наличии неоднородностей видеосигнала, характеризующего оптическое изображение контролируемой поверхности, Наиболее близким к изобретению явля20 ется способ контроля поверхностных дефектов, заключающийся в освещении контролируемой поверхности источником . света под углом, отличающимся от нормали к поверхности, сканировании телевизион- 2 -> ной камерой контролируемой поверхности, формировании видеосигнала, сравнении сигнала с несколькими регулируемыми пороговыми значениями, разделении дефектов поверхности на несколько классов.

Известно устройство контроля поверхностных дефектов, содержащее источник света, телевизионную камеру, блок электронной обработки сигнала, который содержит триггерную схему с несколькими З5 регулируемыми пороговыми напряжениями, позволяющую разделять дефекты поверхности на несколько классов.

Недостаток известных способа и устройство заключается в том, что они не обеспечи- 40 лают высокой надежности обнаружения поверхностных дефектов при наличии неоднородностей видеосигнала. Это обьясняется тем, что при выявлении сигнала от дефекта в общем обнаруживающем сигна- 45 ле, уровень видеосигнала не остается поcToAHHblM из-за неизбежных отклонений в выходной энергии источника света, неравномерHости освещенности контролируемой поверхности, различной чувст- 50 вительности отдельных фотоэлементов телекамеры, изменения отражающей способности поверхности, наличия у контролируемой поверхности волнистой формы и появления, следовательно; световых бликов, Это может привести к значительному повышению вероятности ошибочного результата при обнаружении дефектов и ложHblM срабатываниям устройства, что требует соответствующей компенсации неоднородностей видеосигнала, когда имеют место перечисленные эффекты.

Целью изобретения является повышение надежности обнаружения поверхностных дефектов путем компенсации неоднородностей видеосигнала, Поставленная цель достигается тем, что в способе оптико-электронного контроля дефектов на движущейся поверхности, включающем освещение контролируемой поверхности источником света под углом, отличающимся от нормали к поверхности, сканирование телевизионной камерой контролируемой поверхности, формирование видеосигнала, сравнение сигнала с регулируемыми пороговыми значениями, разделение дефектов поверхности на классы, дополнительно в каждом периоде сканирования вычисляют среднее значение видеосигнала, для каждого текущего значения видеосигнала вычисляют локальное среднее значение совокупности текущего значения и его соседних величин, вычисляют локальное среднее отклонение текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения, вычисляют отклонение текущего значения видеосигнала от локального среднего значения и коэффициент усиления полученного отклонения как отношение среднего значения видеосигнала в каждом периоде сканирования к локальному среднему отклонению текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения, вычисляют текущее значение скорректированного сигнала путем. умно>кения коэффициента усиления на отклонение текущего значения видеосигнала от локального среднего значения. Поставленная цель достигается также тем, что устройство оптико-электронного контроля дефектов на движущейся поверхности, содержащее источник света, телевизионную камеру, блок электронной обработки сигнала. согласно изобретению, дополнительно содержит блок компенсации неоднородностей видеосигнала, содержащий линию задержки, две схемы выборки-хранения, два сумматора с коэффициентом усиления 1/3, блок вычитающих звеньев ilo модулю разности, усилитель с автоматической регулировкой усиления, интегратор и генератор тактовых импульсов, причем вход линии задержки соединен с выходом телекамеры, а выход — с входом первой схемы выборкихранения, первый, второй и третий выходы которой соединены с соответствующими входами блока вычитающих звеньев по модулю разности и с соответствующими входами первого сумматора, выход которого

5 1796059 соединен с вычитающим входом блока вычитающих звеньев по модулю разности, первый, второй и третий выходы которого соединены,с соответствующими входами второго сумматора, причем второй выход блока вычитающих звеньев по модулю разности соединен также с входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, первый вход регулирования которого соединен с выходом второго сумматора, а второй вход регулирования — с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом телекамеры, выход усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с входом второй схемы выборки-хранения, выход которой соединен с блоком электронной обработки сигнала, выход генератора тактовых импульсов соединен с входами синхронизации схем выборки-хранения, На фиг. 1 представлена структурная схема устройства оптикоэлектронного контроля дефектов на движущейся поверхности; на фиг, 2 — временная диаграмма работы устройства, на которой показаны характер изменения видеосигнала VS при наличии дефектов и неоднородности уровня видеосигнала в одном периоде сканирования и его преобразование для формирования сигналов о наличии дефектов на контролируемой поверхности.

Способ осуществляется следующим образом, Освещают контролируемую поверхность источником света под углом, отличающимся от нормали к поверхности, сканируют телевизионной камерой контролируемую поверхность, формируют видеосигнал, однозначно отображающий оптическое изображение поверхности, вычисляют в каждом периоде сканирования среднее значение видеосигнала, вычисляют для каждого текущего значения видеосигнала локальное среднее значение совокупности текущего значения и его соседних величин, вычисляют локальное среднее отклонение текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения, вычисляют отклонение текущего значения видеосигнала от локального среднего значения и коэффициент усиления полученного отклонения, как отношение среднего значения видеосигнала в каждом периоде сканирования к локальному среднему отклонению текущего значения видеосигнала и его соседний величин от локального среднего значения, вычисляют текущее значение скорректированного сигнала путем умножения коэффициента усиления на отклонение текущего значения видеосигнала от локального среднего зна20

40

45 деосигнала и блок 5 электронной обработки сигнала. Причем блок 4 компенсации неоднородностей видеосигнала содержит

55

15 чения. Сравнивают полученный сигнал с несколькими регулируемыми пороговыми значениями и разделяют дефекты поверхности на несколько классов. Локальное среднее значение совокупности текущего значения и его соседних величин, локальное среднее отклонение текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения и коэффициент усиления отклонения текущего значения видеосигнала от локального среднего значения являются величинами переменными и зависят от текущего значения видеосигнала и его соседних величин. Локальные изменения интенсивности увеличиваются за счет умно>кения коэффициента усиления на отклонение текущего значения видеосигнала от локального среднего значения. Поскольку величина коэффициента усиления обратно пропорциональна локальному среднему отклонению, участки с незначительным изменением интенсивности, т.е, с низкой контрастностью, имеют большее усиление, а участки с большим изменением интенсивности — меньшее усиление. Это позволяет компенсировать неоднородности видеосигнала при наличии факторов, таких как отклонения в выходной энергии источника света, неравномерность освещенности контролируемой поверхности, различная чувствительность отдельных фотоэлементов телекамеры, изменения отражающей способности поверхности, наличия у контролируемой поверхности волнистой формы и появления, следовательно, световых бликов, вызывающих изменение уровня видеосигнала.

Устройство оптикоэлектронного контроля дефектов на движущейся поверхности содержит источник 1 света, освещающий контролируемую поверхность 2, последовательно соединенные телевизионную камеру

3 с линейным массивом фотоприемников, блок 4 компенсации неоднородностей вилинию 6 задержки, первую схему 7 выборки-хранения, первый сумматор 8 с коэффициентом усиления 1/3, блок 9 Bblчитающих звеньев по модулю разности, второй сумматор 10 с коэффициентом усиления 1/3, усилитель 11 с автоматической регулировкой усиления, интегратор 12, вторую схему 13 выборки-хранения и генератор 14 тактовых импульсов. Вход линии 6 задержки соединен с выходом телекамеры 3, а выход — с входом первой, схемы 7 выборки-хранения, первый, второй и третий выходы которой соединены с соответствующими вхолами

1796059

40

55 (2) блока 9 вычитающих звеньев по модулю разности и с соответствующими входами первого сумматора 8 с коэффициентом усиления 1/3, выход которого соединен с вычитающим входом блока 9 вычитающих звеньев по модулю разности, первый, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими входами второго сумматора 10 с коэффициентом усиления 1/3, причем второй выход блока 9 вычитающих звеньев по модулю разности соединен с входом уСилителя 11 с автоматической регулировкой усиления, первый вход регулирования которого соединен с выходом второго сумматора 10 с коэффициентом усиления

1/3, а второй вход регулирования — с выходом интегратора 12, вход которого соединен с выходом телекамеры 3, выход усилителя 11 с автоматической регулировкой усиления соединен с входом второй схемы 13 выборки-хранения, выход которой соединен с блоком 5 электронной обработки сигнала, выход генератора 14 тактовых импульсов соединен с входом синхронизации соответственно первой 7 и второй 13 схем выборки-хранения, Работа устройства поясняется временной диаграммой (фиг.2). Устройство работает следующим образом. Источник 1 света освещает контролируемую поверхность 2, перемещающуюся с постоянной скоростью, под углом, отличающимся от нормали к поверхности. Телевизионная камера 3 с линейным массивом фотоприемников, расположенная в темном поле, фиксирует рассеянную составляющую отраженного от контролируемой поверхности светового потока, выполняет сканирование поверхности

2 в направлении перпендикулярном направлению перемещения и формирует видеосигнал VS, однозначно отображающий оптическое изображение поверхности 2, В каждом периоде сканирования видеосигнал

VS поступает на вход линии 6 задержки и интегратор 12 блока 4 компенсации неоднородностей видеосигнала. Линия 6 задержки представляет собой электрическую линию задержки, величина задержки которой определяется соотношением

Т= N/F, (1) где N — количество фотоэлементов телевизионной камеры линейного сканирования;

à — частота передачи видеоданных.

Интегратор 12, реализованный на операционном усилителе, выполняет операцию вычисления:

В =1/N (Х VS(l}}, I=1 где  — среднее значение видеосигнала;

N — количество фотоэлементов телевизионной камеры линейного сканирования;

VS(l) — i-e значение видеосигнала;

i = i N

Таким образом определяется среднее значение видеосигнала в.каждом периоде сканирования.

Видеосигнал VS с выхода линии 6 задержки поступает на вход первой схемы 7 выборки-хранения, выполненной по стандартной схемотехнике на аналоговых регистрах сдвига, на первом, втором и третьем выходах которой формируются сигналы

VS(i-1), VS(i) и VS(i+1), где VS(i) — текущее значение видеосигнала; VS(i-1), VS(i+1)— значения соседних величин текущего значения видеосигнала. Полученные сигналы

ЧЯ(И), VS(l), VS(l+1) поступают на соответствующие входы первого сумматора 8 с коэффициентом усиления 1/3 и блока 9 вычитающих звеньев по модулю разности.

Первый сумматор 8 с коэффициентом усиления 1/3, реализованный на операционном усилителе, выполняет операцию вычисления:

m(l) -йя(н)+ vs(i) нs(1+1)5/3, (3) где m(i) — локальное среднее значение совокупности текущего значения видеосигнала и

его соседних величин;

VS(l), ЧЯ(1-1), VS(i+1) — текущее значение видеосигнала и значения его соседних величин.

Таким образом определяется локальное среднее значение для каждого текущего значения видеосигнала.

Сигнал rn(l), снимаемый с выхода первого сумматора 8 с коэффициентом усиления

1/3, поступает на вычитающий вход блока 9 вычитающих звеньев по модулю разности, реализованного по стандартной схемотехнике на операционных усилителях, который выполняет операцию вычисления:

R(i-1) = 1ЧЯ(3-1) - m(i) I;

Я(!) = I VS(i) - гп(3) 3; (4)

R(i+1) = 1 VS(i+1) - m(i) I; где В(!), Я(И), R(i+1) — отклонения текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения;

VS(i), ЧЯ(И), VS(i+1) — текущее значение видеосигнала и значения его соседних величин;

m(l) — локальное среднее значение совокупности текущего значения видеосигнала и

его соседних величин.

Сигналы R(l-1), R(i), В(!+1) с первого, второго и третьего выходов блока 9 вычитающих звеньев по модулю разности поступают на соответствующие входы второго сумматора 10 с коэффициентом усиления 1/3, при1796059

50

55 чем сигнал R(l), снимаемый с второго выхода блока 9 поступает на вход усилителя 11 с автоматической регулировкой усиления, Второй сумматор 10 с коэффициентом усиления 1/3, реализованный на операционном усилителе, выполняет операцию вычисления:

S(l) = (R(i-1) + R(l) + R(i+1))/3, (5) где S(i) — локальное среднее отклонение текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения;

R(I), R(i-1), R(I+1) — отклонения текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения.

Та им образом определяется локальное среднее отклонение для каждого текущего значения видеосигнала, Сигнал S(i) с выхода второго сумматора

10 с коэффициентом усиления 1/3 поступает на первый вход регулирования усилителя

11 с автоматической регулировкой усиления, на второй вход регулирования которого поступает сигнал В с выхода интегратора

12, Усилитель 11 с автоматической регулировкой усиления, реализованный по стандартной схемотехнике, выполняет операцию вычисления:

С(!) = (В/$(!)) R(l) = K(l) I VS(i) - rn(I) I,. (6) где С(!) — текущее значение скорректированного сигнала;

R(l) = VS(f) - m(I)! — отклонение текущего значения видеосигнала от локального . среднего значения;

 — среднее значение видеосигнала в каждом периоде сканирования;

S(!) — локальное среднее отклонение текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения;

K(i) = В/S(i) — коэффициент усиления;

VS(I) — текущее значение видеосигнала;

m(i) — локальное среднее значение совокупности текущего значения видеосигнала и его соседних величин.

Таким образом определяется текущее значение скорректированного сигнала.

Полученный сигнал С(!) с выхода усилителя 11 с автоматической регулировкой усиления поступает на вход второй схемы 13 выборки-хранения, выполненной по стандартной схемотехнике на аналоговых регистрах сдвига, с выхода которой сигнал С поступает на вход блока 5 электронной обработки сигнала, в котором выполняется сравнение полученного сигнала с несколькими регулируемыми пороговыми значениями и разделение дефектов поверхности на

45 несколько классов. На вход синхронизации соответственно первой 7 и второй 13 схем выборки-хранения поступает сигнал с выхода генератора 14 тактовых импульсов с частотой F передачи видеоданных, Таким образом, данное устройство позволяет компенсировать неоднородности видеосигнала при наличии факторов, вызывающих изменение его уровня, и тем самым повышает надежность обнаружения поверхностных дефектов и качество контроля поверхности. Устройство реализовано на элементах вычислительной техники серийно выпускаемых промышленностью, Пример. Контроль качества поверхности осуществляется следующим образом.

Поверхность освещается источником света, выполненным с использованием галогенных ламп накаливания. Контролируемая поверхность перемещается с постоянной скоростью 25 м/с. Габаритные размеры исследуемой полосы: ширина, мм 905 толщина, мм 0,35 шероховатость, мкм 0,6

Телевизионная камера линейного сканирования с приемником оптического излучения, число фотоэлементов которого 2000, фиксирует рассеянную составляющую отраженного от контролируемой поверхности светового потока, выполняет сканирование поверхности с частотой 2500 Гц в направлении перпендикулярном направлению перемещения и формирует видеосигнал, однозначно отображающий оптическое изображение поверхности. Частота передачи видеоданных составляет 5 МГц, Видеосигнал поступает на вход блока компенсации неоднородностеи видеосигнала.

Для данных условий проведения контроля качества изменение уровня видеосигнала находится в пределах 1-64 мВ, т.е. VS=1 64 мВ. Среднее значение видеосигнала составляет

В =1/И (Х VS(I))=44,16МВ; величина задержки — Т = 400 мкс, Сигнал С с выхода блока компенсации неоднородностей видеосигнала поступает на вход блока электронной обработки сигнала, в котором выполняется сравнение полученного сигнала с несколькими регулируемыми пороговыми значениями, например Р>, Рг, Рз, и разделение дефектов поверхности на несколько классов, Количество и величина пороговых значений опре12

1796059

10 длина 1 мм; ширина 0,5 мм.

50 деляется степенью классификации поверхностных дефектов, Способ и устройство предназначены для обнаружения дефектов типа трещин, царапин, наколов, плен, складок и т.д.

Минимальные характеристические размеры определяемых дефектов составляют .

Формула изобретения

1. Способ оптикоэлектронного контроля дефектов на движущейся поверхности, включающий освещение контролируемой поверхности источником света под углом, отличающимся от нормали к поверхности, сканирование телевизионной камерой контролируемой поверхности, формирование видеосигнала, сравнение сигнала с регулируемыми пороговыми значениями, разделение дефектов поверхности на классы, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности обнаружения поверхностных дефектов путем компенсации неоднородностей видеосигнала, дополнительно в каждом периоде сканирования вычисляют среднее значение видеосигнала., для каждого текущего значения видеосигнала вычисляют локальное среднее значение совокупности текущего значения и его соседних величин, вычисляют локальное среднее отклонение текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения, вычисляют отклонение текущего значения видеосигнала от локального среднего значения и коэффициент усиления полученного отклонения, как отношение среднего значения видеосигнала в каждом периоде сканирования к локальному среднему отклонению текущего значения видеосигнала и его соседних величин от локального среднего значения, вычисляют текущее значение скорректированного сигнала путем умножения коэффициента усиления на отклонение текущего значения видеосигнала от локального среднего значения.

2. Устройство оптикоэлектронного контроля дефектов на движущейся поверхности, содержащее источник света, телеСумматоры с коэффициентом усиления

1/3, блок вычитающих звеньев по модулю разности выполнены по стандартной схемотехнике на операционных усилителях, схемы выборки-хранения реализованы на аналоговых регистрах сдвига, усилитель с автоматической регулировкой усиления и линия задержки выполнены по стандартной схемотехнике, генератор тактовых импульсов представляет собой генератор, стабилизированный кварцем. визионную камеру, блок электронной обработки сигнала, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности обнаружения поверхностных дефектов путем компенсации неоднородностей видеосигнала, оно дополнительно содержит блок компенсации неоднородностей видеосигнала, содержащий линию задержки, две схемы выборкихранения, два сумматора с коэффициентами усиления 1/3, блок вычитающих звеньев по модулю разности, усилитель с автоматической регулировкой усиления, интегратор и генератор тактовых импульсов, причем вход линии задер>кки соединен с выходом телекамеры, а выход — с входом первой схемы выборки-хранения, первый, второй и третий выходы которой соединень1 с соответствующими входами блока вычитающих звеньев по модулю разности и с соответствующими входами первого сумматора, выход которого соединен с вычитающим входом блока вычитающих звеньев по модулю разности, первый, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими входами второго сумматора, причем второй выход блока вычитающих звеньев по модулю разности соединен также с входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, первый вход регулирования которого соединен с выходом второго сумматора, а второй вход регулирования — с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом телекамеры, выход усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с входом второй схемы выборки-хранения, выход которой соединен с блоком электронной обработки сигнала, выход генератора тактовых импульсов соединен с входами синхронизации схем выборки-хранения.

1796059 нар ро3еркиоипь

vs

Составитель Е. Ершов

Редактор В. Трубченко Техред М. Моргентал Корректор Э. Лончакова

Заказ 446 Тираж Подписное

BHMMllM Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101