CN107782258A - 基于cmos传感器的带材对中检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

基于CMOS传感器的带材对中检测系统及其检测方法，包括红外光源，红外光源上部隔着机组传输线设置有检测模块，检测模块包括分别设置在生产机组两侧上部的传感器A和传感器B，传感器A和传感器B的结构相同，均包括由下至上依次设置的镜头、滤光片和CMOS图像传感器，滤光片只允许红外光通过，两个CMOS图像传感器共同连接有复杂逻辑器件，复杂逻辑器件连接有微控制器，微控制器与PLC控制器通信，PLC控制器连接有液压伺服装置，微控制器还通过以太网与上位机进行通信。解决了现有技术中存在的带材对中检测系统易受环境光干扰、检测范围有限的问题。

Description

基于CMOS传感器的带材对中检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于自动检测技术领域，涉及一种基于CMOS传感器的带材对中检测系统，本发明还涉及利用该系统的检测方法。

背景技术

随着现代加工业的发展，各行各业中对带材的需求量不仅越来越大，而且对于钢材的质量提出了更加苛刻的要求。在软包装(如造纸、分切机、涂布机、塑料印刷、胶卷等)自动化生产线上，卷筒类的材料在流水线行进过程中，由于前面工序中收卷不整齐或当前机组中的机械误差、导辊的偏差、振动或者是带材张力的不断波动等原因，都可能导致卷筒类材料在生产线上行进时跑偏，从而形成带材跑偏。如果对上面提到的跑偏问题不及时加以纠正,就会影响生产线上后续工序的产品质量和生产效率，严重时会增加原料甚至给所使用的原材料造成极大的浪费。

以钢铁冷轧为例，在冷轧带钢的连续生产过程(含后续处理过程)中，随着机组速度的逐年提高、设备加工工艺的改进，所生产的带钢越来越宽，越来越薄。为满足带钢的连续生产，带钢活套储备量的标准越来越长，带钢在运送的过程中容易偏离机组中心线，最终可能导致生产损失，严重时甚至会造成断带停产，这样会对生产线的正常运行造成严重影响，降低产品质量，增加生产消耗，甚至造成生产设备的损坏。因此，在这些重型设备生产线上，急需实时性强、具有较好控制精度的对中检测控制CPC(Center Position Control)系统，从而使得开卷机能够将板形不太理想的带材安全、准确的送入机组中心线，减少额外修整，并完成最优化的带材正方剪切，从而避免带材重新卷取或板卷受损而成为次品的事故，在运输和处理过程中也不易受到损伤，从而利于产品的运输和存储。

为满足激烈的市场需求以及用户的要求，就要提高工业轧制生产过程的自动化技术水平，生产更高质量的钢铁材料，这就需要我们生产者进一步完善所使用的检测仪器和以及检测方法。采用传感器对中检测控制，开卷机可以将板形不太理想的带卷比较准确和安全地送入机组中，而且进一步保证带材生产率的提高，减少次品率，从而避免不必要的经济损失；实现带材对中控制的前提条件就是对中传感器必须能够采集正确的信息，否则控制系统就不能给出高精度的控制，就会产生误动作，导致带材跑偏。

采用带材对中系统CPC可使带材定位，避免带材跑偏过大碰撞或造成断带停产，同时由于实现了带材的自动卷齐，可为下一道工序提供整齐的卷材，从而大量减少带材的切边量提高成品率。目前自动对中系统CPC/EPC的检测传感器有光电式、电容式、电感式、CCD摄像式传感器。

1)光电式传感器检测装置：主要是使用光电效应的原理将光学信号转换为电学信号来输出，它主要有光源、光接收器等组成，具有精度高，拥有多样的探测范围和距离，但其光源一般采用可见光或高频可见光，受环境中自然光和天车车灯干扰较大，抗干扰性较差。

2)电容式传感器检测装置：基本原理就是把带材中心或边缘的偏移量转化成电容的变化量，由于被测量的变化会引起电容式传感器相关参数的变换，使电容量C发生变化，常见的电容式传感器的类型有：变间隙式(改变d)，变面积式(改变s),变介电常数(改变ξ_r)三种类型，在带材对中检测纠偏中使用大多是变面积式的。电容式对中检测传感器具有结构简单、适应性强、能在恶劣的环境中工作、不受灰尘和光的反射的影响等特点，但起始电容量较小，使得输出的阻抗很高，因此传感器的负载能力较差，一受外界干扰，非线性严重，且灵敏度不高，特别是容易受到现场静电环境的影响。

3)电感式传感器检测装置：核心是电感式传感器，是专门针对导磁性带材开发的，其优点是不会因静态电磁场的干扰影响；不会因炉子的环境变化生成的金属气化雾气影响，不会因轧制处理、化学所产生的蒸汽、水影响；不会因传感器上堆积的污染物导致绝缘阻抗的变化影响；可使用于导磁性带材生产线上任一需要检测控制的位置一旦安装调试完成后不再需要人工的维护，其使用寿命较长；但其检测原理决定它只适合于带材生产线的对中控制；不能用于铝带材、不锈钢等生产线上，其使用范围受限，用途单一，不能满足不同的工业需求。

4)CCD摄像式传感器测量装置：采用线阵CCD作为测量器件，其核心器件是线阵CCD阵列扫描器件，可视作一个精密光电刻度尺，刻度间隔取决于光学镜头的分辨率、光敏单元的几何尺寸、镜头的放大倍数，刻度间隔对检测仪分辨率及系统控制精度有很大影响。在带材的下方安装光源，上方安装CCD摄像头，带材通过测量镜头按一定比例成像到CCD上，遮住了部分光敏单元，线阵光敏单元的光电荷输出被依次转换为电平信号，所得到的信号经前置放大、峰值检出和二值化处理后，用标准时钟脉冲填充、计数，再经过计算即可得到带材位置，CCD具有体积小、抗电磁干扰强，精度高，但由于其易饱和，受外界强光干扰较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CMOS传感器的带材对中检测系统，解决了现有技术中存在的带材对中检测系统易受环境光干扰、检测范围有限的问题。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述检测系统的检测方法。

本发明所采用的技术方案是，基于CMOS传感器的带材对中检测系统，包括红外光源，红外光源上部隔着机组传输线设置有检测模块，检测模块包括分别设置在生产机组两侧上部的传感器A和传感器B，传感器A和传感器B的结构相同，均包括由下至上依次设置的镜头、滤光片和CMOS图像传感器，滤光片只允许红外光通过，两个CMOS图像传感器共同连接有复杂逻辑器件，复杂逻辑器件连接有微控制器，微控制器与PLC控制器通信，PLC控制器连接有液压伺服装置，微控制器还通过以太网与上位机进行通信。

本发明的另一个技术方案是，基于CMOS传感器的带材对中检测方法，运用基于CMOS传感器的带材对中检测系统进行带材对中检测，具体过程如下：

步骤1，将带材安装在生产机组上，带材两侧边缘分别位于传感器A和传感器B的监测范围内，利用CMOS图像传感器对运动过程中的带材两侧边缘的图像信息进行采集；

步骤2，根据步骤1得到的图像信息在微控制器中计算带材两侧边缘位置对应的点位信息；

步骤3，微控制器将步骤2得到的点位信息送入PLC控制器，PLC控制器计算带材两侧实际位置后得到带材的偏移量，即纠偏量；

步骤4，微控制器通过以太网将带材的实时特征信息传给上位机，同时PLC控制器驱动液压伺服装置对带材进行纠偏，实现带材中心的位置和生产机组的中线重合。

步骤2的具体步骤为：

步骤2.1，CMOS图像传感器将采集到的图像信息输入复杂逻辑器件，复杂逻辑器件对图像中的像素点进行列累加求和，并将列累加求和结果传输给微控制器；

步骤2.2，微控制器接收列累加求和结果并作出累加曲线，在累加曲线上通过窗口滑动做差的方法得到带材两侧边缘位置所对应的点位信息。

步骤2.2具体为：

设CMOS图像传感器采集到的图像包含k行n列的像素点，对其进行列累加求和得到数组a[j]，并作累加曲线，j表示其中的一列，0≤j＜n；设宽度为m的脉冲矩形窗口最小值为：0≤i＜m/2，最大值为：b[i]＝max{a[j]}，m/2≤i＜m；

在累加曲线上滑动脉冲矩形窗口进行作差，得到累计差值Sum[j]：

带材左侧边缘对应的累加曲线呈下降趋势，找到累计差值最大的数据C₁：C₁＝max{Sum[j]}；C₁对应的点位即为带材左侧边缘对应的点位，记为A_position，0≤j＜n-m，m为偶数；

带材右侧边缘对应的累加曲线呈上升趋势，找到累计差值最小的数据C₂：C₂＝max{Sum[j]}；C₂对应的点位即为带材右侧边缘对应的点位，记为B_position，0≤j＜n-m，m为偶数。

步骤3具体为：

在系统运行前在靠近带材左侧的部分标定两个点，两个点之间的距离为X₁，两个点对应传感器A上的标定点位值分别为A_Left、A_Right，在靠近带材右侧的部分标定两个点，两个点之间的距离为X₂，两个点对应传感器B上的标定点位值分别为B_Left、B_Right；

设x₁为带材左边单位点所对应的物理测量长度：

x₁＝X₁÷(A_Left-A_Right)；

设x₂为带材右边单位点所对应的物理测量长度：

x₂＝X₂÷(B_Right-B_Left)；

计算得到：带材左侧边缘位置：Y₁＝(A_position-A_Right)*x₁，带材右侧边缘位置，Y₂＝(B_position-B_Left)*x₂；则带材中心的位置为：Z＝(Y₁-Y₂)÷2；

检测到的带材中心的位置与生产机组中心线的偏差即为带材的偏移量。

本发明的有益效果是，基于CMOS传感器的带材对中检测系统，硬件平台以STM32系列微控制器为核心处理器，CMOS图像传感器作为检测元件，红外光源和滤光片的配合使用，消除了环境光对检测系统的影响；基于CMOS传感器的带材对中检测方法，采用滑动窗口的方式和累加曲线作差获取带材位置，通过分析计算获得带材的实时偏差位置，从而及时进行纠偏操作，检测精度高，检测系统成本低，安装容易，适用于实现不透明非接触式带材位置检测，具有广泛的应用。

附图说明

图1是基于CMOS传感器的带材对中检测系统的系统框图；

图2是基于CMOS传感器的带材对中检测系统的结构示意图；

图3是假设在带材运行过程中CMOS图像传感器所获取的图像信息；

图4是实际在带材运行过程中CMOS图像传感器所获取的图像信息；

图5是在累加曲线上进行窗口滑动做差的示意图；

图6是带材位置结果仿真图；

图7是带材位置仿真结果的误差仿真图。

图中，1.红外光源，2.传感器A，3.传感器B，4.微控制器，5.上位机，6.PLC控制器，7.带材。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1，图2所示，基于CMOS传感器的带材对中检测系统，包括红外光源1，红外光源1为灯箱，灯箱内为700～900nm波长的红外二极管组成的矩形阵列，灯箱上部隔着生产机组设置有检测模块，检测模块包括分别设置在生产机组两侧上部的传感器A2和传感器B3，传感器A2和传感器B3的结构相同，均包括由下至上依次设置的镜头、滤光片和CMOS图像传感器，滤光片只允许红外光通过，安装时，镜头的光轴和灯箱垂直，CMOS图像传感器和灯箱平行，两个CMOS图像传感器共同连接有复杂逻辑器件，复杂逻辑器件连接有微控制器4，微控制器4为STM32系列微控制器，微控制器4与PLC控制器6通信，PLC控制器6连接有液压伺服装置，微控制器4还通过以太网与上位机5进行通信。

由红外二极管的矩形阵列组成的红外光源1，能够产生特定的红外光，具有光源稳定、使用寿命长、易安装的特点，在CMOS图像传感器和镜头之间加装的滤光片，保证了CMOS图像传感器测到的信息只是对红外光敏感的信息，避免了生产环境中的天车车灯、车间的照明以及周围自然光等的影响，消除了环境光对检测系统的影响。

CMOS图像传感器为逐行扫描图像传感器，其核心是一个500万像素的有源像素阵列，以恒定的帧速率产生象素数据流，采用一个片上锁相环(PLL)，可从6MHz到27MHz单一运行的一个主输入时钟之间生成所有的内部时钟，最大像素速率是对应于96MHz时钟速率时的96万像素/秒；微控制器4通过两线串行总线与CMOS图像传感器交互来控制阵列，模拟信号链和数字信号链相连通，通过在阵列中的行的定时和控制电路的序列，复位，然后依次读每一行，在复位的行和读取该行之间的时间间隔中，该行中的像素产生光，通过改变复位和读出之间的时间间隔来控制曝光，一旦某一行被读出，从该列中的数据通过模拟信号链(提供补偿校正和增益)被测序，然后通过一个ADC，该ADC经过数字处理的信号链(提供进一步的数据路径的修正和应用数字增益)输出数据。

基于CMOS传感器的带材对中检测方法，运用基于CMOS传感器的带材对中检测系统进行带材对中检测，具体过程如下：

步骤1，将带材7安装在生产机组上，带材7两侧边缘分别位于传感器A2和传感器B3的监测范围内，当带材7发生横向偏差移动时，就会对灯箱发出的光进行遮挡，利用CMOS图像传感器对运动过程中的带材7两侧边缘的图像信息进行采集，即CMOS图像传感器上相对较亮的部分是带材7没有挡住的部分，CMOS图像传感器的感光元件能够感应到红外光，输出高电平，相对较暗的部分是带材7挡住的部分，感光像元感应不到红外光，则输出低电平，从而将带材7边缘的位置情况转换成CMOS图像传感器上的点位信息，明暗分界的位置即为带材7的边缘位置。

假设带材7在运行过程中CMOS图像传感器检测到的目标区域的图像信息如图3所示，中间黑色带子为灯箱位置，灯箱在带材7的下方一定距离处，检测装置在带材7上方一定距离处，带材7在正常运行过程中，位置处于灯箱光源和检测装置之间，挡住一部分光源，所以COM图像传感器检测到的图像信息在灯箱位置处就会出现明暗突变的情况，椭圆圈出来的位置处，此处黑白分界的位置就是带材的边缘位置；带材7挡住灯箱时检测到的实际图像信息如图4所示，未挡住部分在COM图像传感器中成白色部分，黑白分界的边缘即为带材位置。

步骤2，根据步骤1得到的图像信息在微控制器中计算带材7两侧边缘位置对应的点位信息；

步骤2.1，CMOS图像传感器是由感光的像素单元阵列和其辅助电路构成，感光单元是其核心的组成部分，它主要将接受的光学信号转换为电学信号，实现光电转换，进而实现了图像的采集功能，图像传感器上带材挡住光线的部分几乎不发生光电转换，所以这部分的像素点的值几乎为零，而带材未挡住的部分在传感器上会产生光电转换，这部分像素点的值相对较大；为了更明显区别图像中的黑白分界部分，将CMOS图像传感器采集到的图像信息输入复杂逻辑器件，复杂逻辑器件对图像中的像素点进行列累加求和，并将列累加求和结果以DMA方式传输给微控制器4；同时微控制器4通过串行通讯控制对CMOS图像传感器的寄存器进行读写操作，来控制其扫描方式、传输速度等参数；

步骤2.2，微控制器4接收列累加求和结果并作出累加曲线，由于带材7挡住了一部分光，带材7边缘位置所对应的的像素点的累加值会出现突变，而实际中数据累加之后曲线变化有一定的抖动，不能直接进行差分运算获取突变点，如图5所示，在累加曲线上通过窗口滑动做差的方法得到带材两侧边缘位置所对应的点位信息。

步骤2.2具体为：

设CMOS图像传感器采集到的图像包含k行n列的像素点，对其进行列累加求和得到数组a[j]，并作累加曲线，j表示其中的一列，0≤j＜n；设宽度为m的脉冲矩形窗口最小值为：0≤i＜m/2，最大值为：b[i]＝max{a[j]}，m/2≤i＜m；

在累加曲线上滑动脉冲矩形窗口进行作差，得到累计差值Sum[j]：

带材7左侧边缘对应的累加曲线呈下降趋势，找到累计差值最大的数据C₁：C₁＝max{Sum[j]}；C₁对应的点位即为带材7左侧边缘对应的点位，记为A_position，0≤j＜n-m，m为偶数；

带材7右侧边缘对应的累加曲线呈上升趋势，找到累计差值最小的数据C₂：C₂＝max{Sum[j]}；C₂对应的点位即为带材7右侧边缘对应的点位，记为B_position，0≤j＜n-m，m为偶数。

步骤3，微控制器4通过RS485串口将所述步骤2得到的点位信息送入PLC控制器6，PLC控制器6计算带材7两侧实际位置后得到带材7的偏移量，即纠偏量；

步骤3具体为：

在系统运行前，在机组传输线的辊子的左边靠近外侧和内侧分别标定一个点，两个点之间的距离为X₁，两个点对应传感器A2上的标定点位值分别为A_Left、A_Right，在机组传输线的辊子的右边对称位置靠近外侧和内侧分别标定一个点，两个点之间的距离为X₂，两个点对应传感器B3上的标定点位值分别为B_Left、B_Right；

设x₁为带材7左边单位点所对应的物理测量长度：

x₁＝X₁÷(A_Left-A_Right)；

设x₂为带材7右边单位点所对应的物理测量长度：

x₂＝X₂÷(B_Right-B_Left)；

在实验过程中，灯箱发出的光线经过带材7后分别被带材7两边的传感器A2和传感器B3所接收，当带材7在检测过程中左右移动时，CMOS图像传感器中的感光元件产生与带材边缘相对应的变化，在此过程中，为了减少误差，将多行数据累加进行求和，由此将带材7的边缘信号转换为CMOS图像传感器上的点位信号；

计算得到：带材左侧边缘位置：Y₁＝(A_position-A_Right)*x₁，带材右侧边缘位置，Y₂＝(B_position-B_Left)*x₂；则带材中心的位置为：Z＝(Y₁-Y₂)÷2；

检测到的带材7中心的位置与生产机组中心线的偏差即为带材7的偏移量。

步骤4，微控制器4通过以太网将带材7的实时特征信息传给上位机5，同时PLC控制器6驱动液压伺服装置对带材7进行纠偏，使带材7朝着与跑偏相反方向运动，最终实现带材7中心的位置和生产机组的中线重合，由于A1和A2是互补的，因此带材7中心位置的检测不受带材宽度变化的影响，也不受带材和检测模块之间距离变化的影响。

如图6(a)所示，当带材7位置连续变化5mm，测量带材7从0到28cm偏移量的检测结果仿真图，其中黑色线是带材理想情况基准线，灰色的线为测量计算的位置值；图6(b)是局部放大图，更加清晰的看见带材7位置的变化情况，从曲线中能够看出采集的数据结果在理想曲线两侧微小变化。

图7是带材7位置检测偏差曲线波形，从图中能够看出误差在零点波动，误差最大小于1，在可接受的范围内。

综上所述，基于CMOS传感器的带材对中检测系统，硬件平台以STM32系列微控制器为核心处理器，CMOS图像传感器作为检测元件，红外光源和滤光片的配合使用，消除了环境光对检测系统的影响；基于CMOS传感器的带材对中检测方法，采用滑动窗口的方式和累加曲线作差获取带材位置，通过分析计算获得带材的实时偏差位置，从而及时进行纠偏操作；经软件算法仿真以及实验验证该检测方法简单合理，检测精度高，检测系统成本低，安装容易，适用于实现不透明非接触式带材位置检测，具有广泛的应用。

Claims (5)

1.基于CMOS传感器的带材对中检测系统，其特征在于，包括红外光源(1)，所述红外光源(1)上部隔着机组传输线设置有检测模块，检测模块包括分别设置在生产机组两侧上部的传感器A(2)和传感器B(3)，传感器A(2)和传感器B(3)的结构相同，均包括由下至上依次设置的镜头、滤光片和CMOS图像传感器，所述滤光片只允许红外光通过，两个CMOS图像传感器共同连接有复杂逻辑器件，复杂逻辑器件连接有微控制器(4)，所述微控制器(4)与PLC控制器(6)通信，PLC控制器(6)连接有液压伺服装置，所述微控制器(4)还通过以太网与上位机(5)进行通信。

2.基于CMOS传感器的带材对中检测方法，其特征在于，运用基于CMOS传感器的带材对中检测系统进行带材对中检测，具体过程如下：

步骤1，将带材(7)安装在生产机组上，带材(7)两侧边缘分别位于传感器A(2)和传感器B(3)的监测范围内，利用CMOS图像传感器对运动过程中的带材(7)两侧边缘的图像信息进行采集；

步骤2，根据所述步骤1得到的图像信息在微控制器中计算带材(7)两侧边缘位置对应的点位信息；

步骤3，微控制器(4)将所述步骤2得到的点位信息送入PLC控制器(6)，PLC控制器(6)计算带材(7)两侧实际位置后得到带材(7)的偏移量，即纠偏量；

步骤4，微控制器(4)通过以太网将带材(7)的实时特征信息传给上位机(5)，同时PLC控制器(6)驱动液压伺服装置对带材(7)进行纠偏，实现带材中心的位置和生产机组的中线重合。

3.根据权利要求2所述的基于CMOS传感器的带材对中检测方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1，CMOS图像传感器将采集到的图像信息输入复杂逻辑器件，复杂逻辑器件对图像中的像素点进行列累加求和，并将列累加求和结果传输给微控制器(4)；

步骤2.2，微控制器(4)接收列累加求和结果并作出累加曲线，在累加曲线上通过窗口滑动做差的方法得到带材两侧边缘位置所对应的点位信息。

4.根据权利要求3所述的基于CMOS传感器的带材对中检测方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为：

设CMOS图像传感器采集到的图像包含k行n列的像素点，对其进行列累加求和得到数组a[j]，并作累加曲线，j表示其中的一列，0≤j＜n；设宽度为m的脉冲矩形窗口最小值为：b[i]＝min{a[j]}，0≤i＜m/2，最大值为：b[i]＝max{a[j]}，m/2≤i＜m；

在累加曲线上滑动脉冲矩形窗口进行作差，得到累计差值Sum[j]：

带材(7)左侧边缘对应的累加曲线呈下降趋势，找到累计差值最大的数据C₁：C₁＝max{Sum[j]}；C₁对应的点位即为带材(7)左侧边缘对应的点位，记为0≤j＜n-m，m为偶数；

带材(7)右侧边缘对应的累加曲线呈上升趋势，找到累计差值最小的数据C₂：C₂＝max{Sum[j]}；C₂对应的点位即为带材(7)右侧边缘对应的点位，记为B_position，0≤j＜n-m，m为偶数。

5.根据权利要求4所述的基于CMOS传感器的带材对中检测方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

在系统运行前在靠近带材(7)左侧的部分标定两个点，两个点之间的距离为X₁，两个点对应传感器A(2)上的标定点位值分别为A_Left、A_Right，在靠近带材(7)右侧的部分标定两个点，两个点之间的距离为X₂，两个点对应传感器B(3)上的标定点位值分别为B_Left、B_Right；

设x₁为带材(7)左边单位点所对应的物理测量长度：x₁＝X₁÷(A_Left-A_Right)；

设x₂为带材(7)右边单位点所对应的物理测量长度：x₂＝X₂÷(B_Right-B_Left)；

计算得到：带材左侧边缘位置：Y₁＝(A_position-A_Right)*x₁，带材右侧边缘位置，Y₂＝(B_position-B_Left)*x₂；则带材中心的位置为：Z＝(Y₁-Y₂)÷2；

检测到的带材(7)中心的位置与生产机组中心线的偏差即为带材(7)的偏移量。