用于光学检测圆线材表面缺陷的设备和方法 技术领域 本发明涉及一种用于实时且不接触地光学检测圆线材表面缺陷的设备和方法。 所 述设备和方法可使用光学传感器检测表面缺陷， 其中所述表面缺陷在通过轧制、 拉拔和挤 压而制造线材的过程中出现在线材上。
背景技术
用 于 检 测 圆 线 材 表 面 缺 陷 的 技 术 包 括 超 声 波 测 试、 漏 磁 通 (MFL)、 磁粉探伤 (MPI)、 涡电流探伤、 光学检查等。
超声波测试是一种通过如下方法确定棒材或线材是否具有表面缺陷的方法 ： 即从 超声波发生器向接受表面缺陷检测的线材发射表面超声波 ； 接收从该线材反射的超声波信 号； 以及分析该反射的超声波信号。超声波测试对于检测形成在与该超声波传播方向垂直 的方向上的非连续表面缺陷 ( 诸如裂缝 ) 而言是极好的。然而， 其对于检测沿超声波传播 方向形成的或伴随有平滑形状变化的一些表面缺陷而言不是有效的。 超声波测试很难将超 声波能量发射至待测试的圆形对象 ( 下文中称为 “测试对象” ) 的整个表面。特别地， 当该 测试对象具有大表面粗糙度、 伴随有振动、 是热的、 或正被传送时， 将超声波从超声波发生 器发射至测试对象的效率是差的。
漏磁通 (MFL) 可极好地检测到铁磁金属表面中或表面下的裂缝。即使表面粗糙度 很大， MFL 的检测性能对于细微裂缝也是极好的， 但对于沿在铁磁对象的表面上生成的磁通 的方向形成的裂缝不是有效的， 或者当缺陷具有平滑边缘时不是有效的。
MFL 的原理如下 ： 当在测试对象的裂缝中形成空气间隙或在该裂缝中堆积有杂质 时， 渗透性特征变得不同于铁磁体的渗透性特征。虽然在该表面处于正常情况时磁通持续 形成以平行于该测试对象的表面， 但是当存在渗透性差异时磁通沿垂直于该表面的方向漏 出。然后， 通过使用漏磁通传感器测量漏磁通来检测诸如裂缝的缺陷。
当应用于热的、 以高速被输送的圆棒材时， MFL 会带来一些问题。
第一， 由于漏磁通传感器随着温度变化是不稳定， 因此当应用于热材料时该漏磁 通传感器的稳定性不能保持。
第二， 在以高速运动的钢构件的预定部分的表面上生成磁通是非常困难的。
第三， 由漏磁通传感器检测到的漏磁通信号与距离的平方成反比例。当高度输送 的线材振动时， 由于很难区分缺陷信号与振动信号， 因此出现伪缺陷。
第四， 在测试对象的表面和传感器之间要保持恒定距离， 从而检测圆棒材的缺陷。 还需要以圆形布置传感器系统。这里， 只要该圆线材条的直径变化， 则必须重置传感器头。 由于在单一生产线上制造具有各种直径的产品， 所以根据直径变化在生产线上重置传感器 头的操作带来相当大的工作量。
磁粉探伤 (MPI) 非常类似于 MFL 在于以下过程， 即当测试对象在表面中有缺陷时， 形成漏磁通。MPT 通过使用能够检测漏磁通的传感器直接测量形成于测试对象的缺陷中的 漏磁通， 并将涂覆有荧光材料的磁粉分布在测试对象上， 从而使有关所形成的漏磁通的信息更加清晰。测试对象的具有漏磁通的区域使用磁吸力吸引磁粉， 而该测试对象的正常区 域不吸引磁粉。 因为荧光材料 -- 其敏感地与紫外线反应 -- 为了视觉效果而涂覆在磁粉上， 所以可通过发射紫外光获得该缺陷的几何形状。与超声波测试或 MFL 不同， MPT 可获得相 应于缺陷几何形状的磁粉分布， 从而基于其几何形状信息对该缺陷进行分类。由于 MPT 使 用光学传感器而不是漏磁通传感器来检测缺陷， 所以能克服 MFL 的与振动或漏磁通传感器 相关的一些缺点， 因此被广泛使用。然而， 由于荧光磁粉的受限的温度特性， MPT 通常在测 试对象具有 70°或更低温度时被使用。因为 MPT 要求附加的工作 -- 诸如磁粉探伤和在测 试对象上形成磁场， 所以很难将 MPT 应用于连续生产线 -- 诸如轧制线。
涡电流探伤是这样一种使用金属的电磁特性的技术， 并且通过使用具有相对较短 响应时间的涡电流传感器可适用于被连续制造的材料 -- 诸如热棒材。涡电流探伤具有的 缺点在于， 由于涡电流传感器必须布置得非常接近于测试对象， 就像 MFL 的传感器布置， 所 以当测试对象振动时缺陷会增加。 因为具有预定或更多阈值的信号的缺陷通过分析由涡电 流传感器生成的模拟信号而定性地确定， 所以很难定量地确定例如该缺陷的大小、 长度和 高度。特别地， 具有特定几何形状的一些缺陷不容易被检测出来。一般而言， 涡电流探伤广 泛用于根据制造条件或时间的变化统计地分析测试对象中的总体变化， 而非检测相应的缺 陷以及评价特性。
光学检查通常分为两种方法。 第一种方法是通过直接接收由热的测试对象自发发 射的光来区分缺陷部分和正常部分。 第二种方法通过由外部光源向热的测试对象发射光并 接收从该测试对象反射的光来区分缺陷部分和正常部分。
1. 第一种方法
参见图 1， 使用光学传感器 1 接收从热的圆线材 2 的表面辐射的光能， 通过区分来 自正常部分的传感器信号和来自异常部分的传感器信号来检测缺陷。
发射率是从材料表面向外辐射的能级。热金属的发射率根据金属的温度、 表面特 征以及类型是不同的。 当金属具有表面缺陷时， 由于在缺陷部分和正常部分之间的粗糙度、 面积以及表面亮度的差异其发射率是不同的。 不同的发射率使得缺陷部分发射与正常部分 不同量的能量。为了观察金属表面的缺陷部分， 假设金属的温度恒定并且光学传感器的构 造是相同的， 在缺陷部分和正常部分之间发射率的不同使得从该圆线材 2 发射的光的特征 变化， 并影响光学传感器 1 的输出电压。特别地， 影响发射率的因素包括缺陷部分和正常部 分之间的表面粗糙度差异、 缺陷部分和正常部分之间的组成成分差异、 以及缺陷部分和正 常部分之间的温度差异。
在使用从该圆线材 2 自发发射的光的情况下， 当正常部分和缺陷部分之间的表面 亮度差异大时， 正常部分和缺陷部分之间的发射率差异增加。 就杰出的特征而言， 通过增大 光学传感器 1 的响应值之间的差异可提高区分缺陷的能力。当缺陷部分和正常部分之间的 发射率差异不大时或者缺陷部分的发射率不具有预定特征时， 该使用自发发射的检测方法 不是有效的。
2. 第二种方法
参见图 2， 该光学检查方法使用从外部照明设备 3 发射的光。 该外部照明设备 3 发 射的光具有的波长特征不同于或相同于从圆线材 2 发射的光的波长特征。从该照明设备 3 发射的光的强度设定为大于从该圆线材 2 发射的光的强度。当从照明设备 3 发射的光具有的波长带不同于从热的圆线材 2 发射的光时， 需要 一滤光器 5， 该滤光器传送从照明设备 3 发射的光而不传送从该热的圆线材 2 发射的光。 所 使用的滤光器 5 可屏蔽从热的圆线材 2 发射的辐射能， 并使从该热的圆线材 2 发射的光对 光学传感器 1 的影响最小化。当该光学传感器 1 的敏感度差时， 必须增大从照明设备 3 发 射的光的强度。需要根据该圆线材 2 的表面几何形状来设计照明设备 3 的布置。
如图 3 所示， 当测试对象类似板材成形时， 外部照明设备 3 可这样发射光， 使得光 一致地从板材 6 的表面被反射。这为光学传感器 1( 也称为信号检测传感器 ) 提供了一致 的信号特征， 使得可从宽的表面区域检测缺陷。可意识到， 沿板材 6 的宽度方向从中央部分 和边缘部分获得具有基本一致幅度的传感器信号。
如图 4 所示， 在测试对象是圆线材 2 的情况下， 当从外部照明设备 3 发射外部光 时， 相对于该平面的法线， 在反射点的反射角度与入射角度相同。因此， 由于仅一小的表面 区域可向光学传感器 1( 也称为信号检测传感器 ) 反射光， 所以仅可在一小的区域上进行缺 陷检查。 发明内容 技术问题
本发明的一个或多个方面提供一种可光学检测待测试的圆线材的缺陷的设备和 方法， 尤其是可实时且不接触地远程检测所述缺陷的设备和方法。
技术方案
根据本发明的一个方面， 用于光学检测圆线材的缺陷的设备可以包括 ： 照明设备， 其用于向该圆线材发射圆表面光 ； 光学传感器， 其用于通过接收由所述照明设备发射并由 正被输送的所述圆线材反射的光来生成光学信号， 并将该光学信号转换为图像信号 ； 以及 信号处理单元， 其用于通过从光学传感器接收所述图像信号来获得该圆线材的表面信息。
在本发明的一个示例性实施方案中， 该设备可以还包括速度计， 其用于检测该圆 线材的输送速度。
在本发明的另一实施方案中， 所述速度计是激光速度计。
在本发明的又一实施方案中， 所述速度计在圆线材正以预定间隔被输送时检测圆 线材， 并将检测结果传送至所述光学传感器。
在本发明的一个示例性实施方案中， 该设备可以还包括导向装置， 其用于限制该 圆线材的输送路径。
在本发明的另一实施方案中， 所述导向装置被配置为围绕该圆线材的圆柱， 并在 其一端具有圆锥形形状。
在本发明的又一实施方案中， 所述导向装置由不锈钢制成。
在本发明的一个示例性实施方案中， 可以在所述光学传感器接收来自该圆线材的 反射光的方向和该圆线材的输送方向之间限定一范围从 50°到 90°的角度。
在本发明的一个示例性实施方案中， 可以在所述照明设备的光发射方向和该圆线 材的输送方向之间限定一范围从 45°到 65°的角度。
在本发明的一个示例性实施方案中， 可以在所述照明设备的光发射方向和该圆线 材的竖直径向方向之间限定一范围从 45°到 60°的角度。
在本发明的一个示例性实施方案中， 该设备可以还包括设在所述光学传感器下面 的滤光器， 其中所述滤光器接收来自该圆线材的反射光， 将待发送的蓝色波长带传送至所 述光学传感器， 并且不传送红外波长带。
在本发明的另一实施方案中， 所述滤光器具有的中心波长范围从 450nm 到 490nm。
在本发明的一个示例性实施方案中， 该设备可以还包括亮度控制器， 其用于检测 施加到所述照明设备的电流并监控由施加的电流所发射的光。
在本发明的另一实施方案中， 该设备可以还包括服务器， 其用于经由传输控制协 议 / 互联网协议 (TCP/IP) 打开和关闭所述亮度控制器或者控制该亮度控制器的运行。
在本发明的一个示例性实施方案， 提供多个照明设备， 并且所述服务器选择性地 打开和关闭所述照明设备。
在本发明的另一实施方案中， 当检测到所述照明设备不具有预定的亮度等级时， 所述服务器生成警报声。
根据本发明的另一方面， 用于光学检测圆线材的缺陷的方法可以包括以下步骤 ： 从光学传感器获得该圆线材的图像， 并过滤该获得的图像 ； 对在与该圆线材的输送方向垂 直的方向上获得的第一线性图像进行二阶偏微分， 对该第一线性图像的二阶偏微分值取平 均值， 并将该平均值设定为第一阈值 ； 对在与该圆线材的输送方向垂直的方向上获得的第 二线性图像进行二阶偏微分， 并且如果该第一线性图像的每个二阶偏微分值和第一阈值之 间的差异在预定范围内， 那么去除该第一线性图像并积累该第二线性图像 ； 对该第二线性 图像的二阶偏微分值取平均值， 并将该平均值设定为第二阈值 ； 对在与该圆线材的输送方 向垂直的方向上获得的第二线性图像进行二阶偏微分， 并且如果该第二线性图像的每个二 阶偏微分值和第二阈值在预定范围内， 那么重复对该第二线性图像的像素进行缩放直至预 定次数 ； 以及如果该第二线性图像像素没有转换 为单像素， 那么将该第二线性图像像素识 别为不良像素。
有益效果
根据本发明的一个或多个方面， 具有预定清晰度的图像可由线材的输送速度是变 化的环境中获得， 由此可正确地获得长度、 宽度、 大小以及缺陷的位置。
根据本发明的一个或多个方面， 布置了图像传感器以及外部光源的发射角度以产 生暗视场， 所述暗视场与相关技术的明视场相比减小了表面氧化皮的影响。 因此， 不需要将 用于检测线材缺陷的设备恰好安装在轧制工艺的下游位置。
根据本发明的一个或多个方面， 布置了图像传感器以及外部光源的发射角度以产 生双重暗视场， 尤其相对于圆线材的输送方向和径向方向分别布置以提供暗视场。这使得 在该圆线材的输送方向和径向方向上都可灵敏地检测到缺陷的边缘倾斜度变化。因此， 该 用于检测表面缺陷的设备的缺陷检测性能相对于相关技术用于光学地检测缺陷的设备具 有显著的改善。
根据本发明的一个或多个方面， 外部圆平面光被发射到暗视场， 因此在圆线材的 输送方向上被广泛地辐射， 以使得从表面反射的光总可以到达图像传感器， 从而无论直径 如何变化或圆线材如何振动， 总可以进行缺陷检查。 因此， 当用于检测圆线材表面缺陷的设 备用于圆线材生产过程时， 无论线材的直径如何变化都不需要调节设备。
根据本发明的一个或多个方面， 发射圆平面光的外部光源被使用并这样布置， 使得圆光束彼此重叠。相对于线性光源， 圆平面光可能易于布置， 并且当线材具有小直径时， 光束的重叠量增加。 即使图像传感器的校准或由外部光源发射的光束的校准微小地发生变 化， 该用于检测表面缺陷的设备也能稳定地使用。
根据本发明的一个或多个方面， 当根据线材的外部形状需要调节光源的数量时， 可选择性地打开或关闭光源。发光强度可根据该线材表面上的平均亮度远程地调节。可远 程地诊断照明设备的状态， 以及如果没有适当进行照明， 可自动地生成一报警信号。
根据本发明的一个或多个方面， 所述导向装置由不锈钢制成， 以及导向装置的一 端像圆锥体一样成锥形， 从而使对外部光发射所沿的线的干涉最小化。
根据本发明的一个或多个方面， 滤光器的中心波长设定在 450nm 到 490nm 的范围 内， 从而排除热线材的自发发射的影响。通过仅允许外部发射光的蓝色光的反射特征进入 图像传感器可正确地检测线材表面上的缺陷信息。此外， 滤光器可屏蔽由热线材生成的辐 射热， 从而防止该图像传感器的温度上升。
根据本发明的一个或多个方面， 可由线材的输送速度是变化的环境中获得具有预 定清晰度的图像， 并由此正确地获得长度、 宽度、 大小以及缺陷位置。
根据本发明的一个或多个方面， 布置图像传感器以及外部光源的发射角度以产生 暗视场， 该暗视场与相关技术的明视场相比减小了表面氧化皮的影响。 因此， 不需要将用于 检测线材缺陷的设备恰好安装在轧制工艺下游的位置。 根据本发明的一个或多个方面， 布置图像传感器和外部光源的发射角度以产生双 重暗视场， 尤其相对于圆线材的输送方向和径向方向分别布置以产生暗视场。这种构造可 灵敏地检测到在该圆线材的输送方向和径向方向上的缺陷的边缘倾斜度变化。因此， 该用 于检测表面缺陷的设备的缺陷检测性能相对于相关技术用于光学检测缺陷的设备具有显 著的改善。
根据本发明的一个或多个方面， 外部圆平面光被发射到暗视场， 因此在该圆线材 的输送方向上被广泛地辐射， 以使得从表面反射的光总可以到达图像传感器， 使得无论该 圆线材的直径如何变化或圆线材如何振动， 都可以进行缺陷检查。 因此， 当该用于检测圆线 材的表面缺陷的设备用于圆线材生产过程中时， 不论该线材的直径如何变化都不需要调节 该设备。
根据本发明的一个或多个方面， 发射圆平面光的外部光源被使用并这样布置， 使 得来自外部光源的圆光束彼此重叠。 相对于线性光源， 圆平面光源可易于布置， 并且当线材 具有小直径时光束的重叠量增加。 即使该图像传感器的校准或由外部光源发射的光束的校 准微小地变化， 该用于检测表面缺陷的设备也可稳定地使用。
根据本发明的一个或多个方面， 当根据线材的外部形状需要调节光源数量时， 可 选择性地打开或关闭所述光源。可根据该线材表面上的平均亮度远程地调节发光强度。可 远程地诊断所述照明设备的状态， 如果没有适当进行照明， 那么可自动地生成一报警信号。
根据本发明的一个或多个方面， 所述导向装置由不锈钢制成， 并且该导向装置的 一端像圆锥体一样成锥形， 从而使对外部光发射所沿的线的干涉最小化。
根据本发明的一个或多个方面， 所述滤光器的中心波长设定在 450nmm 到 490nm 的 范围内， 从而排除热线材的自发发射的影响。通过仅允许外部发射光的蓝色光的反射特征 进入图像传感器可正确地检测线材表面上的缺陷信息。此外， 滤光器可屏蔽由热线材生成
的辐射热， 由此防止图像传感器温度上升。 附图说明
图 1 是示出了一种用于基于热的圆线材的自发发射来检测表面缺陷的设备的立体图 ； 图 2 是示出了一种用于通过向线材发射外部光并利用从该线材反射的光来检测 热的圆线材的表面缺陷的设备的立体图 ；
图 3 是示出了在用于检测钢板材表面缺陷的设备中来自信号检测传感器的信号 的大小随宽度方向变化的图表 ；
图 4 是示出了在用于检测圆线材表面缺陷的设备中来自信号检测传感器的信号 的大小随宽度方向变化的图表 ；
图 5 是示出了在线材轧制后检查员的制造过程中使用照明设备对热的圆线材的 缺陷进行目视检查的情形的视图 ；
图 6 是示出了用于检测热的圆线材的表面缺陷的常规设备的示意图 ；
图 7 是图 6 中所示的导向装置的放大图 ；
图 8 是示出了在用于检测热的圆线材的表面缺陷的常规设备的情况下、 响应于圆 线材直径的变化或者振动而导致反射光路径变化的视图 ；
图 9 是示出了为了检测热的圆线材的表面缺陷使用分束器被发射到明视场的光 的路径的视图 ；
图 10 是示出了线性光被发射并且反射光进入用于检测热的圆线材的表面缺陷的 常规设备中的光学传感器的情形的视图 ；
图 11 是示出了根据本发明的用于检测圆钢条表面缺陷的设备中照明设备和光学 传感器之间的角度变化的视图 ；
图 12 是示出了根据相关技术的用于检测圆钢条表面缺陷的设备中照明设备和光 学传感器之间的角度变化的视图 ；
图 13 是示出了根据相关技术的用于检测圆钢条表面缺陷的设备中照明设备和光 学传感器的布置的径向信号特征和纵向信号特征的视图 ；
图 14 是示出了根据本发明的用于检测圆钢条表面缺陷的设备中照明设备和光学 传感器的布置的径向信号特征和纵向信号特征的视图 ；
图 15 是示出了圆线材的表面缺陷随关于该线材的竖直径向方向和输送方向的倾 斜角度变化的图表 ；
图 16 是示出了在使用根据相关技术的用于检测表面缺陷的设备的情况下、 响应 于圆线材的直径变化或振动而导致的反射光路径变化的视图 ；
图 17 是示出了在根据本发明的用于检测表面缺陷的设备向暗视场发射圆光的情 况下、 响应于圆线材的直径变化或振动而导致的反射光路径变化的视图 ；
图 18 是示出了使用根据相关技术的用于检测表面缺陷的设备和使用根据本发明 的用于检测表面缺陷的设备、 光束在圆线材上对准的情形的视图 ；
图 19 是示出了随着发射角度因圆线材表面上的刮痕、 毛刺、 重叠以及结疤的缺陷 测得的信噪比的图表 ；
图 20 是示出了使用根据本发明的用于检测热的圆线材的表面缺陷的设备而获得 的刮痕、 毛刺、 重叠以及结疤的缺陷图像的视图 ；
图 21 是示出了在图 20 的轧辊磨损的情况下光学检测缺陷的过程图像的视图 ；
图 22 是示出了在图 20 的结疤缺陷的情况下光学检测缺陷的过程图像的视图 ；
图 23 是示出了在图 20 的刮痕缺陷的情况下光学检测缺陷的过程图像的视图 ； 以 及
图 24 是示出了根据本发明的用于光学检测圆线材的缺陷的方法的流程图。
< 主要的附图参考数字 / 符号 >
1： 光学传感器
2： 圆线材
3、 12、 17、 20 ： 照明设备
5： 滤光器
6： 板材
9： 检查员
10 ： 导向装置
11 ： 信号处理单元 13 ： 光学传感器 14 ： 光学透镜 15 ： 分束器 16 ： 滤光器 18 ： 速度计 19 ： 导向装置 22 ： 亮度控制器 23 ： 服务器具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的示例性实施方案。然而， 本发明可采用许多不 同的形式实现， 不应被认为局限于本说明书所述的实施方案。 附图中， 相同的参考数字在全 文中用于表示相同或相似的部件。
存在如下两种用于使用光反射特征来检测圆线材缺陷的方法 ：
1. 第一种方法
如图 5 中所示， 在制造线材 2 的过程中， 检查员 9 可对圆线材 2 的预定部分取样并 使用外部照明设备对该取样部分进行检查。在该情况下， 由于检查员 9 通过肉眼来检查该 线材 2， 所以很难检查该圆线材 2 的全长， 特别地， 仅能检查该圆线材 2 的表面的有限部分。 此外， 因为该圆线材 2 比金属板制造起来更快， 所以它不能被详细检查。
总的来说， 在制造线材 2 的过程中进行缺陷测试的主要目的在于， 在制造过程的 较早阶段发现缺陷并去除制造过程中的误差， 从而防止大量缺陷持续出现。
对于检查员 9 目视检查制造完成的圆线材 2 的方法来说， 由于线材 2 长且被卷绕， 因此很难检查线材 2 的全长。也很难通过肉眼来检查卷绕线材 2 的线圈内侧。尽管检测该制造完成的圆线材 2 的缺陷的目的是向顾客交付不含缺陷的产品， 但是因为不可能检查到 该制造完成的圆线材 2 的整个表面和长度， 所以可能会交付给顾客含有缺陷的产品。
下文将描述一种检测方法， 其中外部照明设备 3 向圆线材 2 的外表面发射光， 光学 传感器接收来自该圆线材 2 表面的反射光， 以及分析基于所接收到的反射光的图像信号来 发现缺陷。
参见图 6， 通过分析图像信号来发现缺陷的方法需要 ： 外部照明设备 3 ； 光学传感 器 1， 其用于接收反射自该圆线材 2 表面的光 ； 以及信号处理单元 11， 其用于分析从光学传 感器接收到的电信号， 从而发现缺陷。 该方法还需要导向装置 10， 其用于限制该圆线材 2 的 输送路径。
使用照明设备 3、 光学传感器以及信号处理单元 11 来检测缺陷的方法在本领域中 是熟知的。一些专利涉及照明设备 3 和信号处理单元 11， 从而提高检测缺陷的效率。下面 将对这样的专利的公开内容进行描述。
美国专利 No.6,869,285 公开了一种适用于如下情况的方法， 其中具有 650nm 波长 的光以及具有环境波长的光被同时发射。该方法包含将外部光发射到测试对象， 所述外部 光具有的波长不同于从外部热材料发射的光的波长。然后， 光学传感器接收所述外部光的 反射光以及从所述热材料发射的光， 并放大所述外部光的强度， 从而增加所述外部光的反 射光的影响， 同时减小来自热材料的发射光的影响。 美国专利 No.6,869,285 所用的外部光 ( 即， 岩盐灯 ： 435nm， 550nm， 575nm) 不同于 热的圆线材的发射光。如图 2 所示， 仅传送预定波长带的滤光器 5 安装在光学传感器 1 的 前端， 从而去除来自热的圆线材 2 的发射光的影响。
美国专利 No.6,950,546 提出一种用于光学检测表面缺陷的系统。该系统适于如 下情况， 其中如图 7 所示的导向装置 10 用于限制正被高速输送的热的圆线材 2 的预定输送 路径。在用于限制正被高速输送的圆线材 2 的路径的导向装置 10 之间的距离 D 不能超过 最大值 50mm。光学传感器、 照明设备以及信号处理单元被设计用于在这些情况下检查所述 圆线材 2 的表面缺陷。
当如图 8 所示使用发射线性光的照明设备 12 时， 该线性外部光的反射部分将根据 该线材 2 的振动或者该线材 2 直径的变化而变化， 其中该线材 2 的路径被导向装置 10 限制。 然后， 被光学传感器 13 检测到的信号特征将不是恒量。
如图 9 所示， 当使用发射线性光的照明设备 12 时， 需要使用分束器 15 使发射光的 路径与反射光的路径相同。然而， 这点是很难的。当使用分束器 15 时， 从照明设备 12 发射 的 50％的光穿过分束器 15 经由光学透镜 14 达到圆线材 2。当假设圆线材 2 完全反射所述 光的情况下所述光从该圆线材 2 被反射时， 该反射光再次穿过光学透镜 14， 分束器 15 传送 原始光的 25％以达到光学传感器 13。因此， 在常规反射情况下， 光源的强度必须要增大四 倍。
在美国专利 No.6,950,546 中， 光学传感器和外部照明设备之间的角度设置为 1°， 从而去除分束器。即使在该情况下， 如果提供小宽度的外部线性照明， 那么当该圆线 材 2 的直径变化相对大或该圆线材 2 的振幅相对大时外部光的反射光不能达到光学传感器 13。
当与美国专利 No.6,950,546-- 其公开了使用常规光学传感器检测热的圆线材的
表面缺陷的设备 -- 比较时， 本发明具有以下特征 ：
(1) 关于系统构造 ： 美国专利 No.6,950,546 包括光学传感器 1、 线性照明设备 3、 信号处理单元 11 以及成形为矩形柱的导向装置 10。参见图 11， 本发明包括照明设备 17、 光学传感器 13、 信号处理单元 11、 速度计 18、 导向装置 19、 滤光器 5、 亮度控制器 22 以及服 务器 23。所述照明设备 17 充当表面光源从而发射圆形光， 所述光学传感器 13 接收照明设 备 17 的从正被输送的圆线材 2 反射的光， 从该反射光生成光学信号并将光学信号转换为图 像信号。信号处理单元 11 从光学传感器 13 接收图像信号并从该图像信号获得该圆线材 2 的表面信息。速度计 18 检测该圆线材 2 的移动速度， 导向装置 9 限制该圆线材 2 的路径。 滤光器 5 被设置在光学传感器 13 的下面以接收从该圆线材 2 反射的光。所述滤光器 5 传 送待发送的蓝色波长带至光学传感器而不传送红外波长带。亮度控制器 22 检测施加到照 明设备 17 的电流并监控通过该电流发射的光。服务器 23 经由传输控制协议 / 互联网协议 (TCP/IP) 打开或关闭该亮度控制器 22 或者控制该亮度控制器 22 的运行。
在上述构造中， 速度计 18 可通过激光速度计实现。导向装置 19 由不锈钢制成， 并 成形为圆柱以包围该圆线材 2。该导向装置 19 的一端成圆锥形地成形。在提供多个照明 设备 17 的情况下， 服务器 23 选择性地打开或关闭照明设备 17。当检测到所述照明设备 17 不具有预定的亮度等级时该服务器 23 产生警报声。 根据上述构造， 即使输送速度随着待测试的热的圆线材 2 的直径变化而改变， 只 要该线材 2 以一预定长度被输送， 速度计就会检测该圆线材 2。以这种方式， 可详尽地获得 该圆线材 2 的表面信息， 检测测试的尺寸参考可恒定地设置而不论该圆线材 2 的直径变化。
(2) 关于光学传感器的布置 ： 如图 10 中所示， 该光学传感器 13 布置在基本垂直于 该圆线材 2 的输送方向指向的明视场中。当从照明设备 12 发射的光从圆线材 2 反射为光 学信号时， 该光学传感器 13 接收该光学信号并从该接收信号获得图像。滤光器 16 设在照 明设备 12 和光学传感器 13 之间。然而， 根据本发明， 该光学传感器接收反射自该圆线材的 光的方向相对于该圆线材的输送方向成 50°到 90°范围的角度， 照明设备发射光的方向 相对于该圆线材的输送方向成 45°到 65°范围的角度。此外， 照明设备发射光的方向相对 于该圆线材的竖直径向方向成 45°到 60°范围的角度。
根据美国专利 No.6,950,546， 由于明视场由光学传感器和外部照明设备的发射角 度限定， 所以用于检测圆线材表面缺陷的设备的安装位置被限制在如下位置， 即刚好在普 通钢轧制或注射之后在表面上不产生氧化皮 (oxidation scale) 的位置。当本发明的缺陷 检测设备与轧制或注射位置间隔一段距离， 空气中的氧会与热钢中的碳或组分发生化学反 应， 由此在热钢的表面上形成薄的氧化皮层。由于氧化皮的表面粗糙度大体小于轧制的钢 条的表面粗糙度而不能改变光的反射率， 所以很难辨别氧化皮和缺陷。
在本发明中， 光学传感器和外部照明设备之间的角度以及该外部照明设备的发射 角度可被调节， 如图 11 所示。通过该布置， 即使在热钢的表面上形成了氧化皮层， 所获得的 图像也极少受到氧化皮的影响。
在美国专利 No.6,950,546 中， 该缺陷检测设备的位置局限于刚好在轧制钢之后 且在所述氧化皮形成之前的时间点。然而， 根据本发明， 光学传感器的角度是变化的， 使得 即使在所述氧化皮形成之后， 氧化皮的特征也不会出现在图像中。 有利地， 可增大该缺陷检 测设备的布置范围。
(3) 关于外部发射光的照明设备的布置 ： 如图 12 所示， 美国专利 No.6,950,546 使 用外部照明设备 20， 该外部照明设备在相对于该圆线材 2 输送方向的垂线倾斜 0.5°的方 向上以及在相对于该圆线材 2 的竖直径向方向倾斜 0.5°的方向上发射光。在该照明设备 的布置中， 当缺陷的边缘接近于该圆线材 2 的竖直径向方向时， 由缺陷导致的信噪比 (S/N) ( 见图 13) 是小的。
如图 14 所示， 在本发明中， 该外部照明设备 17 在相对于该圆线材 2 输送方向的垂 线倾斜较大角度的方向上以及在相对于该圆线材 2 的竖直径向方向倾斜预定角度的方向 上发射光 ( 见暗视场 )。 如在本发明中， 当该光发射设备相对于该圆线材 2 的输送方向的垂 线以及竖直径向方向倾斜时， 缺陷的信噪比显著增大， 如在图表中所示。
参见图 15， 将根据相对于圆线材的输送方向的倾斜角度的变化以及相对于该圆线 材的竖直径向方向的倾斜角度的变化对表面缺陷的信噪比进行描述。这里， 圆线材的表面 缺陷包括刮痕、 重叠、 毛刺以及结疤。当相对于该线材的输送方向的垂线以 45°到 65°的 范围的倾斜度发射光时， 以及当相对于该圆线材的竖直径向方向以 45°到 65°范围的倾 斜度发射光时， 观察到最大信噪比。
(4) 关于圆线材直径的变化 ： 如图 16 所示， 美国专利 No.6,950,546 使用外部线性 照明设备 12 以及获得线性图像信息的光学传感器 13。当圆线材 2 具有直径 D1 时， 发射光 的角度和光学传感器 13 的角度必须分别与实线对准。当圆线材 2 具有直径 D2 时， 发射光 的角度和光学传感器 13 的角度分别调节至细点划线。当圆线材 2 具有直径 D3 时， 发射光 的角度和光学传感器 13 的角度分别调节至粗点划线。
如图 17 中所示， 本发明使用的圆外部光源具有高能量， 使得从外部照明设备 17 发 射的光可反射至光学传感器 13， 即使当该圆线材 2 的直径存在变化或者该圆线材 2 在竖直 方向上振动时被发射光的反射点是变化的。 因此， 当使用本发明的圆外部光时， 光学传感器 13 可检测从圆线材 2 表面反射的光， 使得可稳定地执行缺陷检查， 即使该圆线材 2 的直径存 在变化或者该圆线材 2 振动。
(5) 关于外部光发射至圆线材表面之后的布置 ： 根据美国专利 No.6,950,546， 如 图 18(a) 所示， 很难线性地校准该圆线材 2 表面上的外部光， 或者很难线性地校准光学传感 器至由于线性光发射至圆线材表面而光被反射的表面点。特别地， 当缺陷检测设备通过外 部冲击变形时， 线性发射外部光的角度以及光学传感器的检测角度可精确地变化。这使得 可能适当地执行检查。
特别地， 美国专利 No.6,950,546 需要这样布置照明设备， 使得相对于该圆线材 2 的输送方向的垂线以 0.5°的角度发射外部光， 并且光学传感器相对于该圆线材 2 的输送 方向的垂线以 0.5°的角度接收被反射的光。因此， 应非常精确地进行检查。
在本发明中， 如图 18(b) 中所示， 圆平面光发射到圆线材 2 的表面。特别地， 使圆 平面光束彼此重叠， 从而在圆线材 2 的表面上形成椭圆的反射区域。因此， 可容易地布置照 明设备和光学传感器。 此外， 因为发射圆平面光， 所以不需要精确调节该照明设备的发射角 度。此外， 可确保可靠的缺陷测试， 而不论有外部冲击导致的在检测设备中的精确变形。特 别地， 即使外部光在圆线材 2 上的反射点沿该圆线材 2 的输送方向变化或者相对于该圆线 材 2 的输送方向竖直地变化， 由于圆平面光比图 18(a) 的线性光照亮更宽的表面， 所以被反 射光可必然地达到该光学传感器。(6) 关于亮度控制， 本发明用作滤光器 5 的高功率半导体器件， 诸如具有中心波长 在 450nm 到 490nm 范围内的发光二极管。此外， 检测施加到照明设备 17 的电流， 以独立地 控制发光强度。
(7) 关于用于限制以高速制造的圆线材的输送路径的导向装置 ： 在美国专利 No.6,950,546 中， 如图 7 所示， 用于限制该圆线材 2 的输送路径的导向装置 10 成形为四棱 柱， 使得该光学传感器和外部照明设备的布置角度受到非常限制。
在本发明中， 如图 11 所示， 提供圆柱形的导向装置 19 以增加光学传感器 13 和用 于发射外部光的照明设备 17 的布置角度。该导向装置 19 的一端成圆锥形地成形。
(8) 关于随着光学传感器和照明设备的角度变化的检查性能 ： 用于光学缺陷检查 的性能评价标准通常采用由光学传感器检测到的信号之间的等级差异。特别地， 使用由正 常表面检测到的信号和由缺陷表面检测到的信号之间的等级差异。
在美国专利 No.6,950,546 中， 如图 13 中所示， 在光学传感器 13 和照明设备 3 之 间的角度设定为 1°或更小， 由此形成明视场。在本发明中， 如图 14 中所示， 光学传感器 13 沿该圆线材 2 的竖直径向方向布置， 外部照明设备 17 的发射方向设定为通过相对于该圆线 材 2 的输送方向的垂线增大角度 α 而形成暗视场， 以及设定为通过相对于该圆线材 2 的竖 直径向方向增大角度 β 而形成双重的暗视场。缺陷检测性能的结构 ( 即， 信噪比 ) 可从图 19 看到。由图 19 的结果， 可意识到， 在本发明的双重暗视场中比在美国专利 No.6,950,546 的明视场中有极好的缺陷检测性能 ( 即， 信噪比 )。在图 19 中， 暗视场 (60， 45) 以及暗视场 (60， 45) 表示 (α， β)。
图 20 示出了使用用于检测圆线材缺陷的设备获得的光学缺陷 -- 诸如轧辊磨损、 结疤以及刮痕 -- 的原始图像。然后， 对每个图像进行二阶偏微分、 应用阈值、 并进行形态学 处理 (morphologicalprocessing)。 合成图像分别示于图 21、 22 以及 23。 参见图 21 到 23， 可 意识到， 真实图像与由用于检测圆线材缺陷的方法产生的图像基本相同。关于对 512×512 像素图像进行缺陷检测算法所需的时间， 花费 3.4ms 用于原始图像、 二阶偏微分、 应用阈值 以及形态学处理， 花费 0.67ms 用于应用移动平均数。当沿该圆线材的输送方向获得线性图 像的光学传感器具有该圆线材表面上 0.3mm 的像素时， 光学缺陷检查可以所需处理时间的 50％进行。因此， 该设备可实时监测圆线材表面上的缺陷， 其中缺陷产生在 14mm 或更大的 直径以及最大长度 18m/ 秒上。
下文将参照图 24 详细描述该用于光学检测圆线材的表面缺陷的方法。
首先， 信号处理单元从光学传感器获得圆线材的图像 (S10)。 光学传感器由照明设 备的反射自该圆线材的反射光生成光学信号， 然后将该生成的光学信号转换为图像信号。 由此， 信号处理单元得到该圆线材的图像。 典型地， 该光学传感器使用线性的电荷耦合器件 (CCD) 光学传感器。
之后， 该信号处理单元过滤该圆线材的图像 (S20)。 过滤该圆线材的图像的原因是 从该图像去除细微噪声， 从而得到缺陷的清晰边缘。为此， 使用高斯平滑滤波器。
然后， 该信号处理单元对在与该圆线材输送方向垂直的方向上获得的第一线性图 像进行二阶偏微分 (S30)。 因为连续形成的该圆线材具有纵向的缺陷， 所以偏微分用于使该 缺陷的纵向特征进一步明晰。
随后， 该信号处理单元对第一线性图像的二阶偏微分值取平均值， 以设定第一阈值 (S40)。 这是为了使得可跟随该圆线材的输送方向上变化的反射特征。 例如， 对连续接收 到二十 (20) 条线的二阶偏微分值取平均值， 然后将该平均值设定为第一阈值。
现在， 该信号处理单元对在与该圆线材的输送方向垂直的方向上获得的第二线性 图像进行二阶偏微分 (S50)。类似于过程 S30， 由于连续形成的圆线材具有纵向的缺陷， 所 以这种偏微分用于使该缺陷的纵向特征进一步明晰。
然后， 确定第二线性图像的每个二阶偏微分值和第一阈值之间的差异是否在预定 范围内 (S60)。如果第二线性图像的每个二阶偏微分值和第一阈值之间的差异在预定范围 内， 那么该信号处理单元去除第一线性图像， 然后积累第二线性图像 (S70)。该过程是一用 于过程 S50 的二阶偏微分代替过程 30 的二阶偏微分值的过程。通常， 如果线性图像的每个 二阶偏微分值和阈值之间的差异 20％以内， 那么确定该图像具有合适的像素。相反， 如果 线性图像的每个二阶偏微分值和阈值之间的差异超过 20％， 那么确定该图像具有不良的像 素。
然后， 该信号处理单元对第二线性图像的二阶偏微分值取平均值， 以设定第二阈 值 (S80)。类似于过程 S40， 这是为了使得可跟随该圆线材的输送方向上变化的反射特征。 例如， 对连续接收到 20 条线的第二偏微分值取平均值， 然后该平均值被设定为第二阈值。 现在， 该信号处理单元对在与该圆线材的输送方向垂直的方向上获得的第二线性 图像进行二阶偏微分 (S90)。类似于过程 S50， 因为该连续形成的圆线材具有纵向缺陷， 所 以这种偏微分用于使该缺陷的纵向特征进一步明晰。
然后， 确定第二线性图像的每个二阶偏微分值和第二阈值之间的差异是否在预定 范围内 (S100)。 如果第二线性图像的每个二阶偏微分值和第二阈值之间的差异不在预定范 围内， 那么该信号处理单元重复放大和缩小该第二线性图像的像素直至预定次数 (S110)。
然后， 确定该第二线性图像像素是否转换为单像素 (S120)。如果该第二线性 图像像素没有转换为单像素， 那么该信号处理单元将第二线性图像像素识别为不良像素 (S130)。
如果在过程 S60 该第二线性图像的每个二阶偏微分值和第一阈值之间的差异不 在预定范围内， 那么该信号处理装置将该图像像素识别为不良像素。
此外， 如果在过程 S100 该第二线性图像的每个二阶偏微分值和第二阈值之间的 差异在预定范围内， 或如果在过程 S120 该第二线性图像像素转换为单像素， 那么该信号处 理单元不将该图像像素识别为不良像素。