一種新型的浮法玻璃厚度激光測量系統(tǒng)

1、一種新型的浮法玻璃厚度激光測量系統(tǒng)摘要 浮法玻璃是一種標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的、用途廣泛的高科技材料，厚度是其最重要的生產(chǎn)參數(shù)之一?；诩す舛握凵洹⒎瓷湓?，本文提出一套新穎的非接觸式、在線厚度檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)在原理上優(yōu)于傳統(tǒng)的激光三角法，可以克服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)引起的振動(dòng)干擾。經(jīng)過分析玻璃生產(chǎn)工藝和高溫生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)出一種置于錫槽中的新型傳感裝置。線性CCD用于往復(fù)掃描玻璃板以測得厚度圖像。提出一種改進(jìn)的重心方法用來提取光條紋圖像中心線。本方法可以消除背景噪聲干擾，提取中心點(diǎn)精度可達(dá)亞像素級。通過理論分析和實(shí)際試驗(yàn)，測量范圍可達(dá)2-14mm，分辨率為1m，精度在±0.005mm以內(nèi)。I. 引

2、言對玻璃產(chǎn)品的增長需求也對玻璃生產(chǎn)過程的質(zhì)量和產(chǎn)率提出了要求。特別重要的一點(diǎn)是，玻璃的厚度應(yīng)該被隨時(shí)測量和檢測。傳統(tǒng)做法是在切割區(qū)附近使用螺旋測微計(jì)進(jìn)行厚度測量。這種方法顯然不太恰當(dāng)，而且費(fèi)時(shí)。因?yàn)槿刍牟Ａё冇不?，需?0分鐘，此時(shí)，玻璃厚度已經(jīng)偏離設(shè)定值。在浮法玻璃連續(xù)生產(chǎn)過程中，這個(gè)問題尤其突出。對于平均厚度為2mm的玻璃來說，如果改進(jìn)測量系統(tǒng)使厚度減小0.01mm，那么，用同樣的生產(chǎn)成本，就可以使生產(chǎn)效率提高0.5%。如上所述，在線精確測量浮法玻璃的厚度，對于玻璃生產(chǎn)至關(guān)重要，而且，對于改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量也有很大的價(jià)值。目前，已開展了不少相關(guān)研究，例如，用光纖傳輸測量玻璃厚度，氣動(dòng)和電子厚度

3、測量，散射光技術(shù)，超聲厚度探測儀，等。然而，由于在測量技術(shù)上存在困難，這些方法都不能用于浮法玻璃生產(chǎn)線。主要存在兩個(gè)困難：一是測量的精度，另一個(gè)是工作場所所用傳感裝置的可靠性。為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)一套新的厚度測量裝置。這套光電探測裝置包括CCD（電荷耦合器件）、光學(xué)裝置、圖像采集和處理裝置，其優(yōu)于機(jī)械光學(xué)裝置或電磁探測裝置。本文重點(diǎn)討論基于上述研究而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及影響測量裝置分辨率的各項(xiàng)因素（CCD過飽和信號、由熱擾動(dòng)引起的光線彎曲）。浮法玻璃厚度測量裝置的關(guān)鍵部件是探測器設(shè)計(jì)及用軟件進(jìn)行像素細(xì)分。由于浮法玻璃生產(chǎn)的投資大，耗能多，我們期望從控制玻璃厚度上得到回報(bào)。在玻璃韌化爐和錫

4、槽連接處，適合安裝傳感器裝置。在溫度為600度的錫槽中，設(shè)置一水冷的激光測試探頭。圖像處理技術(shù)用于邊界探測和亞像素分配。借助圖像處理技術(shù)提取圖像中心坐標(biāo)差從而計(jì)算玻璃厚度。我們的研究表明，精確提取光條紋圖像中心是提高玻璃厚度測量精度的關(guān)鍵。為了提高中心定位算法精確度，提出一種提取玻璃厚度中心線的新方法。II. 測量原理在這里，我們嘗試開發(fā)一套用于浮法玻璃一旦離開浮槽就可立即測量其厚度的高精度裝置。其中，線性激光半導(dǎo)體用作光源，線陣CCD用來掃描玻璃厚度二維圖像。圖像處理技術(shù)用于邊界探測和亞像素分配。玻璃厚度由圖像處理技術(shù)提取的圖像中心坐標(biāo)差計(jì)算得到。在厚度測量裝置中，傳感裝置由激光半導(dǎo)體和LC

5、CD構(gòu)成。當(dāng)光線投射到玻璃表面，將產(chǎn)生一系列平行光束以獲取厚度信息。由LCCD掃描垂直于浮法玻璃傳送方向的光束, 可以獲得二維圖像。經(jīng)過數(shù)字化處理，得到的結(jié)果在電腦屏幕上顯示。建立的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。這兩束光和玻璃厚度的關(guān)系將在下面專門討論。當(dāng)光線以一定的角度照射到測量的玻璃板上時(shí)，反射角是一個(gè)固定值。當(dāng)=45o時(shí)，sin=2/2，玻璃折射率K由（1）式給出。光束1在玻璃上表面以等于入射角的角度被反射。當(dāng)這束光被LCCD檢測到時(shí)，其位于玻璃板的上表面。 由玻璃板的上表面和下表面經(jīng)過二次反射-折射得到的光束2平行于光束1，其位于玻璃板的下表面。圖2中，A表示這兩束平行光的水平距離，其值可由CC

6、D直接獲得。浮法玻璃厚度的表達(dá)式可通過計(jì)算光束中心距離得到，如下式所示。將（2）式經(jīng)過變換即得（3）式其中，A是CCD上兩束平行光的水平距離，是物空間和像空間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。由式（3）可知，需要對每條線狀光條紋圖像作橫向中心定位，線條光圖像的中心坐標(biāo)差代表被測玻璃厚度值，對于縱向離散度要求不高的情況，不會(huì)直接影響最終的圖像識別精度。光分布曲線示于圖2。光束1的強(qiáng)度大約是入射光束的15%，光束2則為80%。玻璃厚度可由光束中心間距離計(jì)算得到。在玻璃傳輸過程中，由于機(jī)械振動(dòng)和傾斜會(huì)產(chǎn)生測量誤差。此時(shí)，光束點(diǎn)反映的是虛假的厚度值。使用單個(gè)激光三角法測量裝置，由于只能檢測到一條光束（位于玻璃板上表面的光束

7、1或位于下表面的光束2），不能識別這種誤差。顯然，使用兩套激光三角裝置，可以解決這個(gè)問題。然而，應(yīng)當(dāng)指出，雙激光三角法增加了測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。況且，由于有特殊的安裝要求或缺乏與玻璃生產(chǎn)線平行的足夠空間，很難在靠近玻璃板的上下方同時(shí)安裝兩套測量裝置。由圖2可以看到，通過使用二次激光反射-折射法，即使在玻璃傳輸過程中產(chǎn)生振動(dòng)或傾斜，光束1和2也會(huì)以同樣的角度移動(dòng)。兩束光的中心間距不再改變，所以，完全可以消除由振動(dòng)或傾斜引起的測量誤差。III. 傳感裝置的設(shè)計(jì)傳感器裝置是玻璃厚度測量裝置的一個(gè)重要組成部分，因此備受關(guān)注。為了快速獲得厚度數(shù)據(jù)，需要測量玻璃尚在錫槽中的厚度。錫槽是一個(gè)封閉的裝置,平均

8、溫度超過600度。玻璃在其中呈液-固混合態(tài)。考慮玻璃生產(chǎn)線下的安裝環(huán)境：玻璃板下的輥床上沾有液錫層,錫槽最底部是磚塊。由于空間有限，傳感裝置只能設(shè)計(jì)安裝在生產(chǎn)線的上部。圖3是傳感裝置示意圖。由于LD、LCCD全部固定在支架上，所以，在測量過程中角度不可改變。為減小空間，專門使用一個(gè)直角反射棱鏡。由于這套測量裝置將長時(shí)間工作在高溫環(huán)境下，特采用一水冷循環(huán)保護(hù)系統(tǒng)。反射孔和入射孔都由液氮封閉，只允許反射光和折射光進(jìn)入。為了排除熱輻射紅光干擾，激光器波長選在綠光光譜范圍。因?yàn)長D垂直于LCCD，保證了LCCD能夠接收到光信號。傳感裝置采用這種三角形結(jié)構(gòu)，可以消除由走行機(jī)構(gòu)引起的偏差。通過對固定測量點(diǎn)

9、縱剖面和橫切面進(jìn)行重復(fù)循環(huán)測量，玻璃一經(jīng)生產(chǎn)，就可獲得其厚度的綜合信息?？傊?，這種傳感裝置可根據(jù)實(shí)際安裝環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，而且安全可靠。IV. 圖像處理根據(jù)線陣CCD的二維圖像掃描原理，玻璃厚度的圖像特征分析如下：由于玻璃傳輸縱向低速前進(jìn)，同時(shí)LCCD橫向掃描，不用配以掃描裝置即可得到有關(guān)玻璃厚度的二維圖像。應(yīng)當(dāng)指出，由LCCD獲得的圖像不同于由面陣CCD獲得的圖像。實(shí)質(zhì)上線陣CCD和面陣CCD獲取的都是離散圖像。面陣CCD像元在縱橫兩個(gè)方向間隔一致，其圖像離散度是一樣的。而線陣CCD圖像由于存在像元間距和掃描行距，像素點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)方向上的距離分別是像元間距和掃描行距，縱向掃描行距離散度一般遠(yuǎn)大于

10、橫向離散度,且由于機(jī)械傳動(dòng)誤差的影響，縱向采集行距并不均勻。目前，已有多種方法用于精確提取光條紋圖像中心。常用的光條紋中心的提取方法有極值法、閾值法、重心法和高斯擬合法等。重心法有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如，充分利用對稱目標(biāo)每一點(diǎn)的灰度，獲得高于其它方法的亞像素精度。正是由于亞像素檢測技術(shù)使得重心法在靶定位方面得以廣泛引用， 然而，分配精度卻一直受到裝置成像噪聲和靶面完美程度的影響。因?yàn)榫_提取光條紋圖像中心是提高玻璃厚度測量精度的關(guān)鍵，本文提出一種改進(jìn)的重心法。第一個(gè)Canny算子用于探測圖像邊界，靶面積因而確定。采用改進(jìn)的重心法，第二個(gè)Canny算子用于精確獲取邊界區(qū)內(nèi)每一光條紋圖像中心位置。通過Ca

11、nny算子檢測出目標(biāo)邊緣區(qū)域和邊緣內(nèi)部區(qū)域，從而確定目標(biāo)輪廓范圍?？紤]到圖像的離散特征，由于易受噪聲影響，不能通過在2×2鄰域內(nèi)求有限差分均值計(jì)算梯度幅值。經(jīng)過仔細(xì)研究基于小波變換的邊界探測算法，發(fā)現(xiàn)在特定條件下，Canny算法等效于小波變換算法。因此，對經(jīng)典Canny算法的2×2濾波器進(jìn)行了改進(jìn)，采用二維高斯函數(shù)的一階偏導(dǎo)數(shù)構(gòu)造濾波器計(jì)算梯度。濾波器（=1）在x方向可表示為從而得到梯度值的更好近似，克服了傳統(tǒng)經(jīng)典算法的許多缺點(diǎn)，如，Canny算法通過在2×2鄰域內(nèi)求有限差分均值計(jì)算梯度幅值，對噪聲過于敏感。在浮法玻璃厚度測量裝置中，使用線型激光器。由于光條紋強(qiáng)度

12、大致呈高斯分布, 增大光強(qiáng)度高的點(diǎn)的權(quán)重，可以提高方向精度。計(jì)算光條紋中心的公式為其中，P(xi,yi)為i點(diǎn)對應(yīng)的灰度值，T為整幅圖像目標(biāo)和背景分割的閾值。確定圖像邊界后，目標(biāo)區(qū)(xi, yi), i=1, 2n1)就確定了。P(xi,yi)-T是將背景減去，因而減小了背景噪聲對光帶光強(qiáng)分布的影響。通過函數(shù)自身的多次相乘，提取的中心更加接近于實(shí)際中心。也就是說，在提取過程中，通過平方加權(quán)的形式增大光強(qiáng)度高的點(diǎn)的權(quán)重。改進(jìn)后的重心提取算法更加適合實(shí)際光帶光強(qiáng)呈近似高斯分布的情況?；诟倪M(jìn)灰度重心法的數(shù)據(jù)處理示于圖4?？梢钥吹剑瑪?shù)據(jù)處理主要分為四個(gè)部分：邊界探測、中心定位、中心坐標(biāo)差計(jì)算和厚度確

13、認(rèn)。通過計(jì)算兩光束中心距離，可以得到玻璃厚度。厚度確認(rèn)則用于判斷計(jì)算值是否有效。以上提到的算法用程序C+ Builder 5.0進(jìn)行。V. 測量結(jié)果和討論圖5示出了在6mm玻璃生產(chǎn)線上的掃描測量裝置。測試均在高溫條件下進(jìn)行。使用步進(jìn)馬達(dá)在縱向移動(dòng)CCD，所以，傳感器可以檢測玻璃不同點(diǎn)的厚度。在本裝置中，水冷激光探測裝置從上方靠近玻璃板，在 25mm -35mm的距離范圍內(nèi)測量玻璃厚度。另外，從激光源玻璃板的大致距離為120mm。 P2-2x-06K40線陣CCD相機(jī)包含5340像元，像敏單元大小：7m×7m，像元總長：37.38 mm。采用32Mbytes，85 MHz OC-64E

14、0-IPRO0 X64-CL圖像采集卡采集相機(jī)信號傳遞至電腦。6mm厚度玻璃檢測圖像如圖6所示。由于CCD分辨率所限和各種噪聲的影響，造成光條紋圖像邊界模糊，這不利于光條紋中心提取。使用改進(jìn)的重心算法，可以在圖7（a）中看到光束1的中心線。提取中心的x坐標(biāo)被放大10倍，以致可在圖7 (b)中清楚看到亞像素取向。顯然，這種改進(jìn)重心法優(yōu)于經(jīng)典重心法和最小二乘法，提取的玻璃厚度檢測圖像中心定位精度提高了0.1 pixels.由于兩光條紋中心間距表示測得的厚度值，測得的玻璃厚度示于表1。由表1可以看出，在中部點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)厚于其他點(diǎn)。實(shí)際上，玻璃板中部的厚度不同于左邊和右邊的值，在8-12mm玻璃板上，

15、這種厚度不一致可被放大大約0.4mm。而且，應(yīng)當(dāng)指出，如果在玻璃表面存在雜質(zhì)，將不會(huì)出現(xiàn)光條紋圖像，因?yàn)長CCD探測不到反射光和折射光。在此種情況下，測量結(jié)果被視作誤差。另外，當(dāng)測量的玻璃厚度不同時(shí)，值應(yīng)當(dāng)重設(shè)。在此生產(chǎn)過程的敏感區(qū)，測量玻璃厚度的基本原則是裝置的精確度和可靠性。這里我們以薄片作為參考進(jìn)行了真實(shí)性校準(zhǔn)處理。將厚度已知的薄片用作參樣，對裝置的實(shí)際功效進(jìn)行循環(huán)測試，因而避免了錯(cuò)誤測量。由以上實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：改進(jìn)重心算法可將測量精度提高至±0.005mm。而且，傳感器根據(jù)工作場所的要求而設(shè)計(jì)，所以傳感器能穩(wěn)定工作，滿足實(shí)際應(yīng)用。在本研究中，我們測量的是6mm玻璃，如果將測量裝置應(yīng)用于其它型號的玻璃，應(yīng)當(dāng)對它進(jìn)行重新校準(zhǔn)。VI.