基于CCD技术及塑料薄膜缺陷检测系统

1、基于CCD技术的塑料薄膜缺陷检测系统本文采用测量中广泛使用的光电转换器件线阵电荷耦合(CCD)技术,完成了塑料薄膜缺陷检测系统的总体方案设计。基于DSO的塑料薄膜缺陷检测系统在平行光的照射下,通过线阵CCD控制电路获得塑料薄膜缺陷信号,使用虚拟示波器DSO-2902对一维缺陷信号进行采集、传输,借助于计算机进行分析处理,精确地检测出薄膜的缺陷。1 前言中国的塑料产业正处于高速发展阶段,提高加工能力，提升生产水平及产品的技术含量, 将是当前中国塑料工业发展的重点。目前,国内部分企业和研究单位已经展开了对塑料薄膜自动检测系统的研究,并取得了一定的成果, 但这些设备主要检测的目标是薄膜的常规特性,

2、例如: 透湿性、透气性、表面张力等等。薄膜缺陷检测领域在国内仍是一项空白,我国一些大型的石化、塑料企业中的塑料薄膜缺陷检测设备都是购自国外,这些设备精度高、速度快、可在线实时测量,具有极大的优越性,但是设备结构复杂,维修维护不便, 售价昂贵, 难以在我国全面推广。广大中小型塑料企业急需一种体积小、精度高、速度快、价格适中的薄膜缺陷在线检测系统。因此,研制用于检测塑料薄膜缺陷的装置是十分有意义的。2 系统检测原理整个系统由线阵CCD器件、光电探测器、高亮度平行光源、毛玻璃片、透镜、调压器、塑料薄膜材料、虚拟示波器、以及计算机等组成。其中,线阵CCD选用1024像元的TCD132D, 它将光源的光

3、信号转换成电信号并通过虚拟示波器送入计算机, 然后加以分析。待测塑料薄膜材料被放于光源与CCD摄像头之间, 这样, 光源的一部分平行光线被所要测量的缺陷遮挡而无法到达CCD, 使CCD各光敏元的感光强度各不相同, 可以通过分析光强曲线的变化来确定被测物体的边缘位置, 从而测得缺陷的实际大小, 并能够进一步确定其位置。系统检测原理如图1所示。图1.系统检测原理从图1可知, 缺陷颗粒经过透镜按一定的比例成像到CCD 器件的像元阵列表面, CCD 器件上的微光敏元阵列转换成离散的分布电荷, 经过CCD 器件模拟移位寄存器输出成为时间序列的离散电压信号, 再经过低通滤波器解调使其成为含缺陷信息的光滑的

4、时域信号。利用虚拟示波器将信号转化为数字信号在计算机中进行处理。若不考虑缺陷颗粒的细节形貌,可设其透射率函数为0/1分布。图2为一维摄像系统电学信号示意图。从图2可知,在透射光照射下,材料中缺陷颗粒被成像到CCD器件像元阵列表面, 像的光强分布函数I(x)为物的光强分布函数I0(x0) 经光学系统尺度变换得到理想的像光强分布函数Ic(x)与光学系统点扩散函数的卷积。I(x)经CCD器件的光敏元阵列转化为空间一维离散分布的电荷函数g(x),再经CCD模拟移位寄存器输出成为时间序列的离散电压信号E(t) , 通过解调网络后, 形成连续分布的载有缺陷颗粒尺寸信息的时间信号S(t)。图2 检测系统电学

5、信号示意图3 缺陷尺寸的确定塑料薄膜缺陷的尺寸是指垂直于试样运行方向上缺陷的尺寸,要想测出其尺寸,首先要测出其像元尺寸,而CCD器件TCD132D的每个像元长度为14Lm,只要测出像元个数就可以求出其像元尺寸,而每个像元占虚拟示波器采集深度中的5个像素点,所以,只要测得缺陷颗粒尺寸对应的采样点数便可以计算出缺陷颗粒尺寸对应的像元数,从而确定其像元尺寸L。由图3所示,只要确定其中t1 所占像素数,即可确定t1 对应的像元的长度。而每个缺陷的实际尺寸和其对应的像元长度有着一定的关系, 故可以确定缺陷的尺寸。取阈值电平的信号输出如图3所示。从图3可知,阈值电平选于50% 处,分别与图形的下降沿和上升

6、沿交于n1 和n2两点。图3 取阈值电平的信号输出t1对应的点数n为:n=n2-n1n个点对应的测得像元尺寸l为:l=14×n/54 基于DSO的缺陷数据采集方法CCD 输出信号数据采集流程如图4 所示。在缺陷检测数据信号采集过程中, 数据采集装置DSO-2902 的硬件驱动程序与采集软件系统的通信十分重要。OUT . DLL 文件提供大量的数据采集装置的硬件驱动程序, 软件可以通过DLL( 动态连接库) 的调用很方便的完成数据采集过程。调用DLL 需要3 个文件, 它们分别是调用的DLL 文件、此DLL 对应的输入库文( * . lib) 以及此DLL 对应的头文件( * . h)

7、 。DLL 对应的输入库文件可以由用户通过Implib 命令在DOS 环境下生成, 其命令格式为: implib F: . . * . lib F: . . * . dll。得到这3 个文件后, 将它们拷到工程所在目录下, 在C+ + Builder 工程环境中,点选Project | Add to Project . . . 将DLL 文件和库文件加入到工程中, 并在头文件中包含DLL 文件对应的头文件。从流程图4可以看出,在数据采集时,首先要进行数据采集装置的硬件检测。DSO-2902 硬件检测流程如图5所示。图5中,USB口检测是用于对计算机USB口的寻址,并将USB口地址返回给软件;D

8、SO硬件检测用于软件检测DSO-2902数据采集装置是否已连接在计算机的USB口上。动态连接库中,相应的函数格式分别为: char FindPort (int *UIP, char* UCP, charSysver) ; char FindHardware( int w inv ersion, char * bo ard_model, int *UIP, char* UCP) ; 参数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) ; 参数UCP、UIP 共同表示返回的USB 口地址。图4 DSO 工作周期处理流程图图5 硬件检测流程图进行完硬件检测之后,在进行数据采集之前,应先进行数据采集DAQ(Data Acquisition)参数设置。在DAQ参数设置中, 需要设置每通道采集数据的参数和一次循环采集的数据块的大小。其中,每通道采集数据的参数具体包括: 触发方式、触发源、触发水平、触发位置、采样速率、每分区的电压值、耦合方式(直流和交流)、探头衰减倍数、偏移位置。进行完上述工作后,采集程序将用capture函数命令开始数据的采集,以

10、EndCapture结束本次采集。5 实验结果与讨论薄膜料经挤出、压光工艺处理,在故意引入缺陷颗粒的情况下制成表面光洁的宽2cm、厚度0. 5 mm的试样薄带若干米长。选出缺陷颗粒数目适当、长3m的试样, 其中引入6个缺陷, 将其放在步长电机驱动平移台夹持器上, 按试样进行顺序对该试样进行检测, 通过虚拟示波器DSO-2902可以测得缺陷特征值见表1。表1 测得缺陷特征值测得缺陷最大电压V最小电压V缺陷起始位置下降沿边缘点上升沿边缘点14.280.7210644142426124.280.7211253183332434.280.6412364152433844.280.6413622902307354.280.9611524685472464.280.84132536493716通过表1中的塑料薄膜缺陷的一系列特征值,虚拟示波器DSO-2902对其进行实时采集、处理计算得到该次实验中6个缺陷的横向尺寸、纵向尺寸、横向位置和纵向位置的值见表2。表2 实验系统检出缺陷数据缺陷横向尺寸，m纵向尺寸，m1282.50276.672336.67336.673441.92436.674407.93403.3592.3286.676159.41153.33通过表2可以看出, 在3m长的试样中, 所标定的6个缺陷全部被检测出, 其中最大的441.