Способ оптико-электронного контроля поверхностных дефектов и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧ Е С К ИХРЕСПУБЛИК 178058(5)5 6 01 й 21/88 ОБРЕТЕ ПИСАНИ ТЕНТУ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Череповецкий филиал Вологодского политехнического института(54) СПОСОБОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОН- ТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Сущность изобретения; контролируемую поверхность освещают источником света и сканируют линейно-сканирующей камерой с линейным массивом фотоприемников, формируют йнформационный сигнал, выполняют в каждом периоде сканирования дифференцирование сигнала, формируют выпрямлейный"информационный сигнал путем инвертирования отрицательных составляющих дифференциального сигнала, вычисляют базовый сигнал как Среднеезначение-выпрямленйого; бпределяют отклонения выпрямленного информационного сигнала от базового и сравнивают полученные отклойенйяспорбговЫм значе-. нием, при превышении которого фиксируют наличие дефекта, Устройство содержит источник 1 света, освещающий контролируемую поверхность 2, последовательно соединенные камеру 3 с линейным массивом фотоприемников, дифференцирующее звено 4, звено 5 выпрямления; блок 6 определения отклонений информационного сигнала от базового, блок 7 регулйрования порогового значений и пороговый блок 8. 2 , с, и. ф-лы,2 ил,Изобретение относится к металлургии иможет быть использовано при неразрушающем контроле качества поверхности полосового, материала, напримерметаллопроката.Известен способ контроля качества поверхности, заключающийся в последовательном сканировании контролируемойповерхности с помощью соответствующейприемной камеры, формировании электрического сигнала, однозначно отображающе-го оптическое изображение поверхности,его последующей фильтрации с целью исключения паразитных оптических и электрических шумов и наводок, сравнении сигналас определенным пороговым значением, приповышении которого фиксируется наличиедефекта поверхности. Порог определяетсястатистическими методами путем обработки гйстограммы распределения яркостейисследуемого изображения 1),Недостатком данного способа являетсяневысокая надежность обнаружения слабоконтрастных дефектов при различной степейи изменения уровня фойового сигналаот контролируемой поверхности,Известно оптико-электронное устройство для обнаружения поверхностных дефектов, состоящее из источника световогоизлучения, оптико-электронного приемника,-электронного блока управления, обеспечиваЮщего согласование параметровпрйомника и источнйка с конкретными характеристиками исСледуемого объекта,дифференцирующего устройства и двухпо" рогового"компаратора для формированияуправляющего сигнала, обработка которогопозволяет обнаружить дефекты на поверхности 2,Недостатком данного устройства является невысокая надежность обнаруженияслабоконтрастных дефектов при различнойстепени изменения уровня фонового сигнала от контролируемой поверхности, обусловленная тем, что вывод о наличиидефектов делается на основании сравнениядифференцируемого видеосигнала с постоянными пороговыми значениямй компаратора.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ оптико-электронного контроляповерхнОстных дефектов, заключающийся восвещении источником света и сканировании линейно-сканирующей камерой с линейным массивом фотоприемниковконтролируемой поверхности, определениилокальных изменений освещенности, служащих указателями дефектов, путем формирования электрического сигнала, однозначно отображающего оптическое изображение поверхности, определении от.-. клонений выходных сигналоо отдельных фотоприемников от базового сигнала, который является временным средним от величины сигналов по множеству элементов фотоприемника в каждом периоде сканирования, сравнении полученных отклонения с пороговым значением, при превышении которого фиксируется наличие дефекта 10 пооерхности 3.Известно устройство оптико-электронного контроля поверхностных дефектов, выбранное в качестве прототипа, содержащее источник света, линейно-сканирующую камеру с линейным массивом фотоприемников, каждый из которых генерирует электрический сигнал; который является функцией освещенности дискретной обла 20 сти контролируемой поверхности, устройст-. во для фиксации исследуемой поверхности в поле зрения сканирующей камеры, средства для определения отклонений выходных сигналов отдельных фотойриемников от ба 25 зового сигнала и сравнения полученных отклонений с пороговым значением, при превышении которого фиксируется наличие дефекта пойерхностй, средства для повторения режима. сканирования и устройство 30 для определения значения базового сигнала в каждом периоде сканирования 3),Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обес-. печивают высокой надежности обнаружейия слабоконтрастных поверхностных дефектов при различной степени изменения уровня фонового сигнала от контролируемой поверхности. Это объясняется тем, что при выявлении сигнала от дефекта, когда интересующая информация представляется очень небольшим изменением (обычно несколько процентов) в общем обнаруживающем сигнале,.уровень 40 фонового сигнала не остается постоянным из-за неизбежных отклонений в выходной энергии источника света, чувствительности отдельных фотоэлементов; изменения отра 45 жающей способности поверхности волниющей уровня и регулирования порогового значения для обнаружения поверхностных 55 дефектов; когда имеют место перечисленные эффекты,Определение базового сигнала, который является временным средним от величины сигналоо по множеству элементов стой формы и появления, следовательно, 50 световых бликов. Указанные факторы вызывают изменения уровня фонового сигнала различной степени, что требует соответствующей компенсации постоянной составля1780583 бфотоприемника, не обеспечивает требуе- щее звено, дополнительное звено выпрям мой компенсации постоянной составляю- . ления и блок регулирования порогового энащей уровня фонового сигнала. Это может чения, вход дифференцирующего звена привести к значительному повышению ве- соединен с выходомлинейно-сканирующей роятности ошибочного результата при об камеры, а выход - с входом дополнительнонаружении дефектов и ложнымго звена выпрямления; вь 1 ход которого соесрабатываниям устройства, что яф-ляется не- динен с входом линии задержки и с входом желательным, так как при этомфснижается интегратора, и блок регулирования порогокачество контроля поверхности. " вого значения,содержаЩий вторую лйниюЦелью изобретения является повыше задержки, второй интегратор, второй усилиние надежности обнаружения слабоконтра- тель с автоматической регулировкойусилестных поверхностных дефектов и ния, сумматбри задатчик корректирующего повышение за счет этого качества контроля смещения, причем вход второго интегратоповерхности, .. ра соединен с выходом звена выпрямленияПоставленная цель достигается тем, что 15 блока определения отклойейий, а выход - с в способе оптико-электронного контроля . входом второго усилителя с автоматической поверхностных дефектов, включающем ос-регулировкой усиления, выход которого совещение и сканирование линейно-сканиру- единен с первым входом сумматора, второй ющей камерой с линейным массивомвходкоторогосоединенсзадатчиком корфотоприемников контролируемой поверхно ректирующего смещения, выход сумматора сти, формирование информационного сигна- соединен с управляющим входом пороговола, определение отклоненийго блока, первый вход которого соединен с информационного сигнала от базового сиг-: выходом второй линии задержки, вход кото- нала и сравнение полученных отклонений с:рой соединен с выходом"эвейа"выпрямле- пороговым значением, при превышении ко ния блока определения отклонений. .,торого фиксируют наличие дефекта поверх- На Фиг, 1 приведена структурная схема ности, дополнительно в каждом периодеустройства оптико-"Электронного контроля . сканирования,. выполняют дифференциро- поверхйостных дефектов; на фиг, 2 - вревание информационного сигнала, Формиру- .: менная диаграмма работы устройства, на ют выпрямленный информационный сигнал 30 которой показаны характер изменения инпутем инвертирования отрицательных со-:формационного видеосигнала ЧЯ при налиставляющих дифференциального сигйала, ".: чйи дефекта и изменения уровйя фонового вычисляют базовый сигнал, как среднее зна-., : сигнала от контролируемой поверхности в чение выпрямленногоинформационногосиг- : одном периоде сканирования и его преобнала, определяют пороговое значение, как 35 разование для формирования сигнала о на. сумму среднего отклонения выпрямленного " , личии дефекта на контролируемой информационного сигнала от базового сигна-поверхности.ла и корректирующего смещения, определен-,: Предлагаемый способ осуществляется ного для бездефектной поверхности.: следующим образом,Поставленная цель достигается также 40 Освещают источником света и сканирутем, что в устройстве оптико-электронного ют лйнейно-скайирующей камерой с линей- контроля поверхностных дефектов, содер. ныммассивом фотоприемников жащем иСточник света, линейно-сканирую- .контролируемую поверхности, формируют щую камеру с линейным массивом: информационный видеоСигнал, однозначно фотоприемников, блок определения откло отображающий оптическое иэображение нения информационного сигнала от базово-.поверхности; выйолняюти каждом периоде . го сигнала и пороговый блок, причем блок сканирования дифференцирование,вйдео-определения отклонений информационно- сигнала. формируют выпрямленный инфорго сигнала от базового сигнала содержит мационный сигнал йутем инвертирования линию задержки, интегратор, усилитель с 60 отрицательных составляющих дифференци.автоматической регулировкой усиления, вы- ального сигнала. ййчисляют базовый сигчитающее звено и звено выпрямления, при- нал. как среднеезначение выйрямленного чем выход линии задержки соединен с информационного сйгнала,определяют отпервым входомвычитающего звена, второй клоненияинформационного сигнала от бавход которого соединен с выходом усилите зового сигнала "и сравййвают полученные ля с автоматической регулировкой усиле- отклонения с пороговым значением, при ния, вход которого соединен с выходомпревышении которого фиксируют наличие интегратора, выход вычитающего звена со- дефекта поверхности. Пороговое значение единен с входом звена выпрямления, оно определяют, как сумму среднего отклоне- дополнительно содержит дифференцирую" ния выпрямленного информационного сиг-.нала от базового сигнала и корректирующе- соединен с управляющим входом порогового смещения, что позволяет регулировать го блока 8, первый вход которого соединенпороговое значение с учетом значения база- с выходом второй линии 14 задержки, входвого сигнала при наличии факторов, таких которой соединен с выходом первого звенакак отклонения в выходной энергии источ 13 выпрямления. Работа устройства поясняника света, чувствительности отдельных фо- ется временной диаграммой (фиг. 2).тоэлементов; изменения отражающей Устройство работает следующим обраспособности поверхности, наличия у конт- . эом.ролируемой поверхности волнистой формы ., Источник 1 света освещает контролируи появления, следовательно, световых бли-. 10 емую поверхность 2, перемещающуюся сков, вызывающих изменения уровня фоно- постоянной скоростью, линейно-сканируювого сигнала различной степени. 1 цая камера 3 с линейным массивом фотоКорректирующее смещение определяют на приемников, расположенная в темном поле,основе предварительнбго исследования от- фиксирует рассеянную составляющую отраражающих свойств бездефектной поверх женного отконтролируемой поверхностиности. светового потока, выполняет сканированиеУстройство для осуществления способа поверхности в направлении перпендикуоптико-электронного контроля поверхност- лярном направлению перемещения и форных дефектов представлено на схеме (фиг, мирует информационный видеосигйад ЧЗ,1), Устройство оптико-электронного контро однозначно отображающий оптическое изоля поверхностных дефектов содержит ис- бражение поверхности. В каждом периодеточник 1 света,: освещающий сканирования видеосигнал ЧЯ поступает наконтролируемую поверхность 2. последова- вход дифференцирующего звена 4, выполтельно соединенные линейно-сканирую-. ненного на операционном усилителе, с выщую камеру 3 с линейным массивом;25 хода . которого полученныйфотоприемников, дифференцирующее зве- дифференциальный сигнал дЗ поступает нано 4; второе звено 5 выпрямления, блок 6 входзвена 5 выпрямления, реализованногоопределения отклонений информационного по стандартной схемотехнике на операцисигнала от базового сигнала, блок 7 регули- онном усилителе и диодах, Выпрямленныйрования порогового значейия и пороговый 30 информационный сигнал 13 с выхода звенаблок 8. Причем блок 6 Определения отклоне выпрямления поступает на линию 9 задерний информационного сигнала от базового жки и интегратор 10 блока 6 определениясигнала содержит линию 9 задержки, интег- отклонений информацйон ного сигнала отратор 10, усилитель 11 с автоматическойбазового сигнала. Линия 9 задержки предрегулировкой усиления, вычитающее звено .35 ставляет собой электрическую линию задер 12 и звено 13 выпрямления,. жки, величина котороййВход линии 9 задержки соединен с вы-.ходом звена 5 выпрямления, а выход - с где М - количествофотоэлементов приемнипервым входом вычитающего звена 12, вто ка оптического излучения;рой вход которого соединен с выходом уси- . Ь - частота передачи видеоданных.лителя 11 с автоматической регулировкой Интегратор 10, реализованный на опе-усиления, вход которого соединен с выхо-: рационномусилителе,выполняетоперациюдом интегратора 10, вход интегратора сое- вычислениядинен . с выходом второго звена 5 45выпрямления, выход вычитающего звена 12 йсоединен с входомзвена 13 выпрямления. В Х % (2)Блок 7 регулирования порогового значениясодержйт"вторую линию 14 задержки, вто-,рой ийтегратор 15, второй усилитель 16 с 50 где ВЗ-суммарное значениевыпрямленноавтоматической регулировкой усиления го иформационного сигнала;сумматор 17 и задатчик 18 корректирующе-, Й - количество фотоэлементов приемго смещения, Причем вход второго интегра- ника оптического излучения;тора 15 соединен с выходом первого звена 3-)-е значение информационногосиг 13 выпрямления, а выход-с входом второгоусилителя 16 с автоматической регулировкой усиления, выход которого соединен с . Таким образом определяется суммарпервым входом сумматора 17, второй вход ное значение видеосигнала в каждом перикоторого соединен с задэтчиком 18 коррек- оде сканиРования, Сигнал В 5, снимаемый с- 1ВЯ=К 1 ВЯ= -1И тель 11 с автоматической регулировкой усиления, выполненный по стандартной схемо- - й М 1технике, в котором выполняется операция .К 2 Я" - Х О - Х % В 4, И)1 1вычисления значения базового сигнала ВЯ,й Мкак среднего значения выпрямленного информационногосигнала в каждом периоде где Я - среднее Отклойение;сканированияК 2= /й - коэффициент усиления второгоусилителя.Полученный сигнал Я с выхода усилите 1р) ля 16 поступает на первыйвход сумматора17, выполненного на операционном усилителе, на второй вход которого поступает сиггде ВЯ - базовый сигнал; нал Я с задатчика 18 корректирующегоК 1-1/К - коэффициент усиления перво- сме 1 ценйя. Корректирующее смещение Вго усилителя. определяют на основе .предварительногоСигналы 1 с выхода линии 9 задержки исследования отражающих свойств бездеи ВЯ с выхода усилителя 11 с автоматиче-. фектной поверхности, Для этого проверяютской регулировкой усиления поступают-на работу устройства на годной йоверхности,входы вычитающего звена 12, реализован- : Участки исследуемой поверхности выбираного на операционном усилителе, который ют в различных местахподлине полосы, Длявыполняет операциюВ=1 Я - ВЯ,эксперимента берут бслучаиную вы орку.(4) обьемом 50 участков. При нулевом значениигде ВЯ - азностный иПол чкорректирующего смещения устройст б -у енныи сигнал ВЯ с выхода вычита-:дет фиксировать определенное количество;, .25ющего звена 12 поступает на вход звена 13 ложйых поверхностных дефных дефектов, из-завыпрямления, выполненного по стандарт- флуктуаций фонового сигнала от бездефекля каждои реализацииной схемотехнике на операционном усиМи-" тной поверхности, Для ктеле и диодах, на выходе котОроговыставляюттакоезначейие 1 на задатчикеформируется сигнал О отклонений инфор корректирующего смещенияпри котоВЯ:мационного сигнала 1 от базового сигнала ром не происходит ложных срабатыв йаниустройства, По набранным статис,ическимСигнал О, снимаемый с выхода звена 13, даннь 1 м определяют корректйрующее смевыпрямления,поступаетналинию 14 задер- щение й как среднее значение корректирукки и интегратор 15 блока 7 регулированияющих. смещений й по множествреализаций проверки работы устройСтва.Линия 14 задержки представляетсобой . Сумматор 17 выполняет операцию вычислеэлектрическую линию задержки, величййа ния порогового эначейия как сумму среднезадержки которой тг=й/Ьопределяетсяко-гЬ отклонения Я выпрямленноголичеством фотоэлементов приемника опти-: информацйонного сигналаот базовогоческого излучения и частотой передачи сигналаВЯикорректирующегосмеЦеной,видеоданных. Интегратор 15, реализован- в каждом периоде сканированияный на операционном усилителе, выполняет операцию вычисления: Р=Я+В,йФЯ=,Г О (5)1=1,) 45 где Р - пороговое значение;где Я - суммарное отклонение;: - : .орретирующее смещение..01 - )-е значение отклонени -: ПолУченный сигнал Р с выхода сумматоЙ инфоРма- а 17 иционного сигнала от базового сигнала, . Ра поступает на управляющий вход пороТаким образом определяется суммар- гового блОка 8, на первый вход которогоное отклонение информационного сигн ла 50 подается гнал 01, снимаемый с выхода1 Я от базового сигнала ВЯ в каждом периоделинии 14 за е жки.сканирования, Сигнал , снимаемый с выхо. Пороговьй блок 8, представляющий сода интегратора 15, подается на второй у и-бой схему сравнения; Реализовайный налитель 16 с автоматической регулирокомпараторе, выполняет функциюУсиления, выполненный по стандартной 55) О=О(О 1 - Р) 8)схемотехнике, в котором вь,.олняется Опе- где а - сигнал Обнаружения дефек.,рация вычисления среднего отклонения ин. фоРмационного сигнала 1 Я от базового Пороговый блок 8 формирует сигналсигнала Вявкакдомпериодесканирования . Логической единицы, если 01 Р и фиксирует, таким образом, наличие дефекта поверхности и формирует сигнал логического нуля, если 01Р, при отсутствии дефекта.Такйм образом повышается надежность обнаружения слабоконтрастных поверхностных дефектов за счеткомпенсирования постоянной составляющей уровня Фонового сигнала при его изменении и регулирования пороговото значения с учетом значения базового сигнала при наличии факторов, вызывающих изменения уровня фонового сигнала различной степени.Устройство реализуется на элементахвычислительной техники серийно выпускаемых промышленностью.П р и м е р. Контроль качестйа поверхностиосуществляется следующим образом.Поверхность освещается источником света, выпблненным с использованием галогенных ламп накаливания. Контролируемая поверхность перемещается с. постбянйой скоростью 2,5 м/с, Габарйтные размеры исследуемой полосы:ширина 905 ммтолщина 0,35 ммшероховатость 0,6 мкм, Линейно-сканирующая камера с приемником оптического излучения, числа фотоэлементов которого 2000, фиксирует рассеянную составляющую отраженного Отконтролиоуемой йоверхностисветбвого па-така; вь полняет сканированиеповерхностис частотой 2500 1/с в направлении йерпендикулярнам направлению перемещения и , формирует информационный сигнал, Частота передачи видеоданных составляет 5 МГц.Преобразованный в дифференцирующем звене и звене выпрямления информационный сигнал поступает на вход блока определения отклонений информационного сигнала от базового сигнала. Для данных условий проведения контроля качества значение базового сигнала составляет- 1 ЫВЗ= - ;); 31=3 а В;Д 1.величина задержки г 1 =400 мкс.Сигнал отклонений 0 поступает на входблока регулирования порогового значения, причем для данных условий среднее отклонение информационного сигнала от базового составляетЯ= - , 131-В 3=2-214 щ В;величина задеркки -Гг =400 мкс; значение корректирующего смещения.определенного на основе предварительныхисследований отражающих свойств бездефектной поверхности, В=7 мВ,5 В качестве задатчика корректирующегосмещения используют прецизионный потенциометр, позволяющий плавно изменять; величину корректирующего смещения.На вход порогового блока поступает10 сигнал отклонений О, задержаннный на вре.мя Г 2, и пороговый сигнал, значение которого для данных условий составляетР=9,914 мВ. По результатам сравнения судят о наличии дефекта поверхности. Пред 15 лагаемые способ и устройствопредназначены для обнаружения дефектовтипа трещин, царапин, накалов, плен, складок и т. д. Минимальные характеристические размеры определяемых дефектов:20 длина1 мм; ширина 0,5 мм.Дифференцирующее звено, сумматор,, кампаратор, вычитающие звенья, интегра. торы выполнены па стандартной схемотех- .нике на операционных усилителях; звенья25 выпрямления выполнены на операционныхусилителях и диодах, усилители с автомати: ческой регулировкой усиления и линии задержки выполнены по стандартнойсхемотехнике.30 формула изобретения1. Способ оптико-электронного контроля поверхностных дефектов, включающийосвещение-и сканирование линейно-скани. рующей камерой с линейным массивомфо 35 топриемников контролируемойповерхности, формирование информационного сигнала, определение отклонений ин. формационного сигнала от базовогосигнала и сравнение полученных отклоне 40 ний с пороговым значением, при превышении которого фиксируют наличие дефекта,поверхности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения надежности обнаружения слабоконтрастных поверхностных де 45 фектов. дополнительно в каждом периодесканирования выйолняют дифферейцирование информационного сигнала, формируют выпрямленный информационный сигналпутем инвертирования отрицательных со 50 ставлващих дифференциального сигнала,вычисляют базовый сигнал как среднее значение выпрямленного информационного сигнала, определяют пороговое значение каксумму среднего отклонения выпрямленного55 информационного сигнала от базового сигнала и корректирующего смещения, определенного для бездефектнай поверхности,2. Устройство оптико-электронного контроля поверхностных дефектов, содержа13 1780583,14 фи Составитель Ю Техред М.Мор Ре риневантал Корректор Л.Лукач.Бе каз 4447 Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-изддтельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 щее источник света, линейно-сканирующую с выходом линейно-сканирующей камеры, а камерус линейным массивом фотоприемни- выход - с входом дополнительного звена ков, блок определения отклонений инфор- выпрямления, выход которого соединен с мационного сигнала от базового сигнала ивходами линии задержки и интегратора блопороговый блок, причем блок определения 5 ка определения отклонений, а блок регулиотклонений информационного сигнала от рования порогового значения содержит базового сигнала содержит линию задерж- вторую линию задержки; второй интеграки, интегратор, усилитель с автоматической тор, второй усилитель с автоматической ререгулировкой усиления, вычитающее звено . гулировкой усиления, сумматор и задатчик и звено выпрямления, причем вйходлийии 10 корректирующего смещенйя, причем вход задержки соединен с первым входом вычи- второго интегратора соединен с выходом тающегозвена,второй входкоторогосоеди- звена выпрямления блока определения отнен с выходом усилителя, вход которого клонений,а выход-свходомвторогоусили-.соединен с выходом интегратора, выход вы- теля, выход которого соединен с первым читающего звена соединен с входом звена 15 входом сумматора, второй вход которого совыпрямления, о т л и ч а ю щ е е С я тем, что;единен сзадатчиком корректирующего смесцелью повышения надежностиобнаруже- щения, выход сумматора соединен с нияслабоконтрастныхдефектов,онодопол-управляющим входом порогового блока, нительйо содержит дифференцирующее первый вход которого соединен с выходом . звено, дополнительное звено выпрямленйя 20 второй лийии задержки, вход которой соеи блок регулирования порогового значения, динен с выходом звена выпрямления блока вход дифференцирующего звена соединен определения отклонений.