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1、 湖南科天健光电技术有限公司焊接质量实时在线图像检测相机选择1. 背景自动化焊接是当今工业自动化的重要组成部分，而焊接过程中的实时质量检测与控制则是技术重点和难点。焊接在线实时检测就是边焊接边检测，发现有质量问题，可立即采取相应措施。实时在线检测采用的传感器有超声波传感器、温度场传感器、电弧传感器及视觉传感器等，其中视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果，大大增强了自动化焊接机器人的外部适应能力，其研究和发展最引人注目。视觉传感器直接测量焊接熔池，获得的数字图像表象直观，信息丰富，且数字化的图像数据可以实时传输到计算机高速内存中，进行实时图像处理，提取焊接熔池的特征
2、信息，并据此作出在线实时判决，从而实现焊接质量的实时检测与闭环反馈控制。用机器视觉图像直接测量焊接熔池已成为重要的研究和应用方向，它可用于焊缝跟踪、焊接过程稳定性监测和熔透控制等方面，有独特的的优势。2. 焊接熔池成像关键技术要求和视觉系统分类介绍我们知道，焊接是在要焊件的工件表面形成局部高温，使工件表面局部熔化，形成熔池，熔池冷却固化完成焊接。整个焊接区域的不同部位发光特性相差很大，焊接中心温度通常非常高，会形成发出耀眼强光的等离子体，其边缘是材料熔化后的熔池，熔池温度较低，只有很弱的光辐射，这使视觉传感器观测区域不同部位的光强差异很大，焊接等离子体的辐射光强度通常远远超过焊接熔池的辐射光强
3、，使要观测区域的光强动态范围非常大，通常大于100dB。焊接在线实时检测中焊接图像通常用数字工业相机来摄取，获得清晰熔池图像面临的最大困难是要克服焊接等离子体形成的强光干扰。一般，如果不采取措施，焊接实时检测图像获取系统的入射光强会超过工业相机传感器的响应上限，即焊接等离子体的强辐射光是如此之强，会使一般工业相机的所有或大部分感光单元在其曝光的短时间内达到光照饱和，从而使相机感光单元的输出达到电饱和，无法重现焊接熔池中心及边缘部分的图像细节，熔池图像的细节会完全丢失。为了避免熔池图像的细节信息被焊接等离子体强光淹没，焊接实时检测的图像获取系统必须选用动态范围尽可能大的数字工业相机，并采取适当的
4、滤光、衰减或辅助脉冲照明等其他措施。从国内外大量文献来看，焊接实时检测的图像获取系统中采集熔池图像的方法主要分为主动式直接视觉传感和被动式直接视觉传感两大类。主动式直接视觉传感利用窄带复合滤光系统滤除非连续光谱的电弧强光，并采用高强度脉冲闪光作为辅助光源，可有效地抑制弧光获得清晰图像。工业相机成像的光路系统中加有与高强度脉冲闪光波长相匹配的窄带光学滤光器，工业相机的快门与高强度脉冲闪光同步，因此成像时高强度脉冲闪光能有效地抑制弧光的干扰，同时也抑制了其它波长的干扰，提高图像的信噪比。主动式直接视觉传感系统结构比较复杂，应用中的调整也较困难，限制了其应用。被动式直接视觉传感是利用焊接过程中的自发
5、光进行成像。被动式直接视觉传感面临前面所述的强光干扰的问题，所以被动式直接视觉传感通常采用动态范围尽可能大的工业相机，并采取适当的辅助措施。如激光焊接中，通常采用中性减光的办法减小强光干扰的问题；在电弧焊接中，对于短路电弧焊和脉冲电弧焊，可在短路期间或基值电流期间获取图像数据；TIG/MIG/MAG 焊时弧光在600nm 700nm 波段内相对光强最弱最稳定，选用这一波段内的干涉带通滤光片可有效地排除弧光干扰。被动式直接视觉传感和人的视觉特性更为相似，且因为系统结构简单，调整方便，传感器结构价格低，而使它是成为当今研究最活跃、应用最广泛的一种视觉传感方法。要获得在强光等离子体条件下的焊接熔池中
6、心及边缘部分的清晰图像，对焊接实时检测的图像获取系统中的关键部件数字工业相机提成了一些独特的技术要求，后续几个部分我们将讨论不同数字工业相机特性差异，并介绍一特别适合焊接实时检测图像获取系统的工业相机。3. 工业相机特性介绍及其差异当前应用最广泛的数字工业相机有CCD数字工业相机和CMOS数字工业相机两大类。l CCD数字工业相机CCD是电荷藕合器件（Charge Coupled Device）的简称，它是应用最广泛的图像传感器之一。一个CCD图像传感器是成像像元为X-Y纵横矩阵排列，每个成像像元由一个光电二极管和其控制的一个相邻电荷存储区组成。光电二极管将光线（光子）转换为电荷（电子），电荷
7、存储区收集到的电子总数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各列电荷存储区收集到的光生电子被移动到垂直电荷传输方向的电荷传递寄存器中，然后各列电荷传递寄存器中的电荷按行被移到总的行电荷传递寄存器中，总的行电荷传递寄存器中每行的电荷信息再被连续读出，通过同一电荷/电压转换器和放大器来生成图像信息。当光强不太强时，CCD传感器的响应是线性的， CCD像元内的电荷存储区可以存储全部光电荷，此为线性范围。当光强继续增大时，因为电荷存储区已存储了很多光生电荷，由光生电荷产生的电场会妨碍像元按线性继续积累电荷，CCD便进入了饱和区。如果光强进一步增大，电荷存储势阱将填满电子，而过剩的电子会向外溢出。如果
8、没有特殊措施，溢出的电子将进入相邻像素，致使本来工作在线性区域的相邻像素在收集到溢出电子后进入饱和区或也向外溢出电子，使图像出现光晕现象，图像清晰度也就明显下降了。CCD图像传感器的原理和结构使其有较好光照灵敏度高、噪音低、图象质量较高的优点，一般CCD工业相机的动态范围在60dB左右。但在图像中有高亮度的点或区域时，CCD图像传感器存在让图像质量严重劣化的“Blooming”和“Smear”效应。“Blooming”效应当成像视场中存在亮度较高的点光源或亮区域时，CCD在亮点光源附件区域有Blooming或称为“开花”（也叫光晕或高光溢出）的效应。它是CCD传感器像素在受到强光照射时，亮点区
9、域像元获得的光照过强，像元光电二极管在强光下产生的光电子数超过CCD电荷存储区可以存储的最大电子数而溢出，溢出的电子将沿行或列方向进入相邻像素，“污染” 相邻图像区域 (使相邻区域也饱和)，图像出现Blooming “开花”（光晕）现象，Blooming会导致相机图像清晰度明显下降，严重影响成像的质量。不同程度的“Blooming”会使图像出现不同程度的光晕图像，光晕图像无法真实反映要观测区域的细节信息，会丢失许多有用的信息。焊接实时检测的图像获取系统中，如果没有特殊的抗干扰措施，焊接等离子体的强光会在CCD工业相机上产生严重的光晕，使焊接熔池中心及边缘部分的图像信息全部损失。“Smear”效
10、应CCD相机视场中点光源或亮区域亮度不断提高时，Blooming不断增强，图像中亮区域的分散范围逐渐扩大，当Blooming很强时，便会出现条形光晕图像，即让图像质量严重劣化的Smear（垂直拖光）效应。Smear（垂直拖光）是视场中点光源或亮区域亮度很高时，CCD传感器像元光电二极管产生的光电子数太多，溢出的光电子进入相邻的本来被屏蔽不感光的垂直电荷传递寄存器中，或入射光经过像元光电二极管区域的反射或折射进入被屏蔽不感光的垂直电荷传递寄存器中形成光电子，造成该列上的电荷传递寄存器中有寄光强分布，导致如下图所示的Smear（垂直拖光）效应，图像质量严重劣化。 图1、Smear（垂直拖光）效应原
11、理示意图及其实例图像因为CCD图像传感器存在让图像质量严重劣化的“Blooming”和“Smear”效应，以及CCD的动态范围比较小，一般60dB左右，CCD工业相机很难在焊接等离子体的强光干扰下获取焊接熔池中心及边缘部分的图像细节信息，CCD不是特别适合焊接实时检测图像获取的工业相机。l CMOS数字工业相机CMOS是Complimentary Metal Oxide Semiconductor (互补型金属氧化半导体)的简称，CMOS和CCD传感器一样，是在Si（硅）半导体材料上制作的。新一代CMOS采用有源像素设计，每个像元由一个能够将光子转化成电子的光电二极管、一个电荷/电压转换器、一
12、个重置和一个选取晶体管，以及增益放大器组成。CMOS传感器结构排列上像是一个计算机内存DRAM或平面显示器，覆盖在整块CMOS传感器上的金属格子将时钟信号、读出信号与纵队排列输出信号相互连接。CMOS图像传感器的每个像元内集成的电荷/电压转换器把像元产生的光电荷转换后直接输出电压信号，以类似计算机内存DRAM的简单X-Y寻址技术的方式读出信号，这种方式允许CMOS从整个排列、部分甚至单个像素来读出信号，这一点是和CCD完全不一样的， 也是CCD做不到的。另外，内置的电荷/电压转换器实时把光电二极管生成的光电荷转换成电压信号，原理上消除了“Blooming”和“Smear”效应，使强光对相邻像元
13、的干扰降到很小。2000年前，CMOS较大的噪声使其图像质量较差。近年，随着半导体主流制造的工艺进步、材料特性不断提高，集成晶体管尺寸大幅缩小，以及CMOS电路消噪技术的不断发展，使采用了有源像素设计的新一代CMOS器件在暗电流、电路噪声、串扰噪声方面得到很好的控制，整体噪声水平大大降低，工业级器件的图像质量已经接近CCD的水平。此外CMOS传感器还可以从主流半导体加工技术和材料的改良中不断获益，提高其性能。重要的是，CMOS传感器是在高产量的半导体厂以标准的现代大规模集成电路加工方式加工制作而成，芯片的成本比CCD芯片低很多，其外部驱动及转换电路也可以在同一半导体加工过程中很容易的集成到同一
14、芯片上，因此CMOS相机的整体成本也较低。新一代CMOS传感器像元内部集成的放大器增益是可程控的，可设定像元内部集成放大器的增益特性，让其根据入射光信号的强弱调整增益水平，使放大器特性不再仅是线性的。现代CMOS相机具有多种输出模式：线性模式、双斜率模式、对数模式和校正模式等，不同的输出模式，对应的信号动态范围不同，可适应不同的使用要求。如瑞士PhotonFocus采用其专利的LinLogTM 技术后，像元放大器特性增益特性可程控设置为多段类对数特性，动态范围提高很大，最大动态范围可达120dB。在焊接应用中，观测区域辐射光强的差异很大，光强动态范围通常大于100dB。对这种光强变化剧烈的应用
15、，CMOS因为没有“Blooming”，“Smear”效应，通过设定像元放大器增益特性尽可能扩展其动态范围，获取焊接熔池的清晰图像有了可能。下图是用数字CCD工业相机和Photonfocus的数字CMOS工业相机拍摄的激光焊接的焊点图像：图2、CCD和CMOS相机拍摄的焊接图像从图中我们可以看出，数字CCD工业相机的动态范围只有60dB，拍摄中，焊点中心的光强太强，引起Blooming，使焊点周围熔化部分的熔池图像细节完全损失；而Photonfocus的数字CMOS工业相机，可以获得很好的焊接熔池图像细节，这为后续的图像分析和焊接质量实时检测控制提供了基础。综合以上焊接检测要求以及CCD和CM
16、OS的分析，我们可以看到工业CMOS相机比工业CCD相机更适合焊接检测的应用要求。4. 特别适合焊接实时图像检测的Photonfocus CMOS相机技术介绍l LinLogTM技术LinLogTM技术是瑞士PhotonFocus公司在工业CMOS传感器开发中创新的专利技术。CMOS传感器工作在线性响应模式时，和CCD一样，动态范围较小，传感器很快会饱和。对数响应模式时，CMOS相机有非常大的动态范围，但其在低照度时灵敏度会降低，低照度区域图像的对比度严重降低，该区域图像会有一种灰蒙蒙的感觉。LinLogTM技术只压缩图像接近饱和及饱和区域的响应，保留在图像低照度区域响应的灵敏度和线性，所以既扩展了整个传感器的动态范围，又保证了低照度区域图像的质量。下图示出线性响应、传统对数响应与LinLogTM响应曲线的区别。图3 线性响应、Linlog响应、对数响应曲线 图4 线性响应、Linlog响应下拍摄的有局部强光图像对比在LinLogTM
