CN117824517A - 透明圆柱体壁厚测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种透明圆柱体壁厚测量装置，光源与相机位于玻璃管两侧，光源采用面型发光体，发光面垂直于相机的光轴，发光体具备编码图案，被测玻璃管位于相机采集视野的中心区域，编码图案沿着玻璃管的中心轴方向对称分布。本装置是利用玻璃管的形状和材质特点，根据几何光学成像规律，将玻璃材料和中空部分分别呈不同的像的特点，将中空部分和玻璃材料在相机传感器平面的垂直投影，即壁厚的位置，通过图像特点加以区分。特别的，当光线收集部分也采用远心成像光路，不但可以避免透视引起的测量误差，还有效地筛选了入射光线的角度，使得外壁和内壁的边缘图像对比度提高，从而使得系统准确率提升。

Description

透明圆柱体壁厚测量装置

技术领域

本发明涉及机器视觉检测技术领域，特别涉及一种透明圆柱体壁厚测量装置。

背景技术

玻璃管或类似透明材质类型的管体的壁厚测量，以及玻璃瓶体瓶口内径测量，是玻璃瓶、玻璃管等生产环节非常重要的一环。目前市场上实现测壁厚功能主要靠人工用游标卡尺，或者采用接触式的超声波测厚仪，或者采用非接触式的光谱共焦测厚或激光位移传感器，或者采用图像检测设备，这些来实现测厚。

对于人工测量，只能离线检测，并且需要破坏瓶体，存在测量不准确，偶然误差大等问题；对于接触式的超声波测厚仪，存在测量节拍慢、二次损伤可能、测量单点式等问题；光谱共焦虽然可以实现在线检测，但每次也只能测试一个点，需要移动点位或设置多个测量头才能规避偶然误差；激光位移传感器最大的问题是内外层玻璃对激光的折射、反射、散射和干涉，导致位移光斑容易受各种条件干扰，测量难度加大；而市面上直接用光学成像技术，基本结构是玻璃管位于相机和光源之间，光源采用均匀的漫射光源，这种方法主要问题是：因为光线的折射、反射、衍射等叠加，在图像上玻璃管对应的位置会形成多个灰度不同的条纹，并且由于玻璃管在线检测时会有轻微的抖动，这些条纹还会不停移动，无法确认哪根光线对应的是玻璃管内壁位置，因此采用这种检测来认定壁厚存在风险。

具体的，现有技术中常用的背光装置采用漫射背光源+玻璃管+黑白相机。该现有技术最大的问题为，如附图1中管如果原地位置轻微抖动，则得到的所谓“内壁”位置会上下也移动，其实这个不是真实的内壁位置，而是光源外边界(黑暗环境)通过玻璃管成像后折射进来的。可以看出，管的外壁和内壁位置非常受位置、抖动等的影响，并且图像的对比度差，边缘基本看不出来，很难检测。

附图1是一个厚度和外径均匀的玻璃管，依次是：第一张玻璃管置于相机和光源垂直方向的中心位置，可以看出内壁外壁的边缘对比度都很小，不易找到；第二张玻璃管往光源方向移近了3mm，又向上平移了3mm，光源的边界就折射入镜头，可看到内壁附近的黑边了，而且黑边的粗细不一样；第三张图，再次移动，黑边变大且上下不等宽更明显，各取局部放大对比，可以看到最黑的位置到边界的壁厚也不相等。

虽然市面上的玻璃管测厚技术很多，但是都有或多或少的问题，导致玻璃管壁厚测量不准成为行业的一大难题。

发明内容

本专利提出的测量装置，可适用于透明管测厚场景，能够准确获取透明管内壁和外壁的准确位置，从而得到内径、外径、壁厚等数据，并且对管体的抖动有一定的兼容度，更适合在线检测环境。

本专利提出一种透明圆柱体壁厚测量装置，用于测量被测透明管的壁厚，所述透明圆柱体壁厚测量装置包括光源、光学膜、远心成像光学透镜、相机传感器和图像处理模块；

所述透明圆柱体壁厚测量装置跨设在输送被测透明管的流水线两侧，所述光源和光学膜设置在同一侧，所述远心成像光学透镜和相机传感器设置在另一侧；

所述被测透明管为透明圆柱管，管壁为圆柱结构，内部为中空结构；

所述光源采用面光源，所述光学膜设置在光源表面；

所述光学膜为具有方向性图案的膜；

所述远心成像光学透镜和相机传感器用于获取采集图像；所述采集图像包括所述光学膜直接成像的图案、所述光学膜经过被测透明管的管壁生成的倒立的实像以及所述光学膜经过被测透明管的中空结构生成的正立缩小的虚像；

所述图像处理模块根据所述采集图像中所述光学膜不同成像的连接位置生成内外壁的拟合曲线，并进一步测量壁厚。

更近一步地，所述光学膜包括第一光学膜和第三光学膜；

所述第一光学膜的图案和所述第三光学膜的图案采用相同或轴对称结构，所述第一光学膜和第三光学膜分别设置在所述被测透明管的两侧管壁对应位置。

更近一步地，所述光学膜还包括第二光学膜；所述第二光学膜为不透光的膜，宽度略宽于被测透明管的外径；设置在所述第一光学膜和第三光学膜之间。

更近一步地，所述图像处理模块依据第一光学膜和第三光学膜正像和倒像的连接位置生成内壁拟合曲线，依据第一光学膜或第三光学膜经过透明管的倒像分别与第三光学膜或第一光学膜未经过透明管直接成像的连接位置生成外壁拟合曲线。

更近一步地，所述图像处理模块依据第一光学膜和第三光学膜正像和倒像的连接位置生成内壁拟合曲线，依据第一光学膜或第三光学膜的倒像分别与第二光学膜连接位置生成外壁拟合曲线。

更近一步地，所述第二光学膜宽度大于被测透明管的外径；以获取所述第一光学膜或第三光学膜的倒像与所述第二光学膜的连接位置。

本发明达到的有益效果是：

本发明的测量装置能够实现对透明物体，如透明瓶或透明管的内壁外壁图像采集，并提供稳定、特征分明、高对比度的图像信息，从而降低图像处理难度，便于检测系统得到外径、内径、壁厚等数据的准确信息，适应性更强，提高测量准确度，解决了目前市面上透明管测量壁厚技术不准的难题。

本发明的测量装置是利用透明管的形状和材质特点，根据几何光学成像规律，将透明材料和中空部分分别呈不同的像的特点，将中空部分和透明材料在相机传感器平面的垂直投影，即壁厚的位置，通过图像特点加以区分。特别的，当光线收集部分也采用平行于光轴的入射光线，即采用远心成像光路，不但可以避免透视引起的测量误差，还有效地筛选了入射光线的角度，使得外壁和内壁的边缘图像对比度提高，从而使得系统准确率提升。

本发明的测量装置有效地解决了目前各种测厚技术存在的问题，可以实现在线或离线的自动、准确的测量，测量为一段长度内的平均值，有效地避免了单点测量引起的偶然误差，内外壁图像特征分明，图像处理难度大大降低，且即使透明管在线运行中有抖动，因为成像光线的特征不变，因此也能兼容抖动而不至于影响检测结果准确度。

附图说明

图1为现有技术中透明圆柱体壁厚测量装置采集图像的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种透明圆柱体壁厚测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种透明圆柱体壁厚测量装置的原理示意图；

图4为本发明实施例1提供的一种透明圆柱体壁厚测量装置采集图像的示意图；

图5为本发明实施例1提供的一种透明圆柱体壁厚测量装置采集图像的示意图；

图6为本发明实施例1提供的一种透明圆柱体壁厚测量装置采集图像的局部放大示意图；

图7为本发明实施例2提供的一种透明圆柱体壁厚测量装置采集图像的示意图；

图8为本发明实施例3提供的一种透明圆柱体壁厚测量装置采集图像的示意图；

图9为本发明实施例4提供的一种透明圆柱体壁厚测量装置采集图像的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如附图2所示，本发明提供了一种透明圆柱体壁厚测量装置，该透明圆柱体壁厚测量装置包括光源100、光学膜200、被测透明管300、远心成像光学透镜400、相机传感器500和图像处理模块。

透明圆柱体壁厚测量装置跨设在输送被测透明管300的流水线两侧，光源100和光学膜200设置在同一侧，远心成像光学透镜400和相机传感器500设置在另一侧。

光源100采用机器视觉检测中常用的面光源，光学膜200贴设在光源100表面；光学膜200、远心成像光学透镜400和相机传感器500依次同轴设置。

其中，光学膜200包括第一光学膜201、第二光学膜202和第三光学膜203；第二光学膜202设置在被测透明管300、远心成像光学透镜400和相机传感器500的中心轴的延长线处。第一光学膜201和第三光学膜203是具有方向性图案的膜，第三光学膜203的图案可以和第一光学膜201相同，也可以采用轴对称分布。第二光学膜202为不透光的光学膜，宽度略大于被测透明管300的外径；具体的，第二光学膜202的宽度应为被测透明管300被采集范围的1.5倍。

在一种实施例中，第一光学膜201和第三光学膜203可以采用如箭头或者斜条纹组成的几何图案；也可以将图案直接设置在光源100表面，不另外设置光学膜。

如附图3所示，被测透明管300外径呈圆柱形，从轴向的侧剖面看透明管，相当于一个球透镜成像，依据几何光学理论，凸透镜焦距外呈倒立的实像；而被透明材料包裹的中空层，截面也是一个球体，但是折射率是外层(玻璃)高，内部(空气)低，n1为空气折射率，n2为玻璃管折射率；成像规律遵循凹透镜，成正立缩小的虚像。

两者叠加时，各自成正立和倒立的像，光学膜200采用有上下排布方向特点的图案时，两个的像特征区分明显，如果采用物方远心光路，则两者的区分处投射在相机传感器上即是透明管内壁的位置。

图像处理模块用于根据采集得到的图像，依据第一光学膜201和第三光学膜203正像和倒像的连接位置生成内壁拟合曲线，依据第一光学膜201或第三光学膜203的倒像分别与第二光学膜202连接位置生成外壁拟合曲线。并依据内外径的像素尺寸与实际尺寸比例计算内外径的实际尺寸。

实施例一

本实施例中，透明圆柱体壁厚测量装置采用远心透镜和黑白面阵相机进行图像采集。透明管位于成像装置和光源之间，第一光学膜201可选择图案是有一定倾角的平行条纹图案膜，也可以直接用LCD或LED光源显示设定好的倾斜条纹图案。

如附图4-6所示，透明管外径呈圆柱形，从垂直于管长度的侧剖面看透明管，相当于一个球透镜成像，依据几何光学理论，凸透镜焦距外呈倒立的实像；而被透明材料包裹的中空部分，截面也是一个球体，但是折射率是外层(玻璃)高，内部(空气)低，成像规律遵循凹透镜，成正立缩小的虚像。

依据此规律，当被成像物采用有上下排布方向的图案时，透明体和中空层分别呈正立像和倒立像，两者的图案排布顺序相反，当物体的面积能扩展到两者的呈像在空间相交时，交界处即中空层和透明材质的连接位置，亦内壁所在位置。为了避免透视造成的成像视角偏差，特采用物方远心光路收集平行于光轴的光线，可以得到更加准确和分明的内壁边界图。

进一步的，对于透明管的外壁，常规方法不能避免其光线的衍射，绕射的光会削弱图像边缘的对比度，导致判断不准确，同时透明管的上下抖动也会影响反射和折射光线的能量分布比例，图像变化也会导致检测不稳定。本装置中，在对应外壁的位置还采用第二光学膜202，宽度略宽于被测物的外径，当采用物方远心光路时，成像只接受平行于光轴的光线，对于透明管外侧的空气层，是不透明区域形成的暗场区，对于透明管体，依然是遵循球透镜成像规律，因此在实际的透明管外壁位置，图像上呈现一个分明的暗区和图案区，便于后期图像处理找到外壁边缘。

当不透明条带的宽度设置为可以覆盖透明管的抖动范围时，图像明暗交接、对比度强的特性不变，对抖动有很好的兼容性。

实施例二：

本实施例中，透明圆柱体壁厚测量装置不包括第二光学膜202，第一光学膜201和第三光学膜203采用相同的条纹覆盖，第一光学膜201和第三光学膜203应当满足成正立像和倒立像时不一致的特征，其他结构与实施例1相同。

如附图8所示，本实施例中成像关系不变，依然可以准确分辨内壁，但是对于外壁的位置，因为对比度降低，图像处理难度有所提升，但是不会误导实际的外壁位置，取决于图像处理水平。

在本实施例中，图像处理模块用于根据采集得到的图像，依据第一光学膜201和第三光学膜203正像和倒像的连接位置生成内壁拟合曲线，依据第一光学膜201或第三光学膜203经过透明管的倒像分别与第三光学膜203或第一光学膜201未经过透明管直接成像的连接位置生成外壁拟合曲线。

如附图9所示，采集到的图像还能够通过光学膜200成像生成图案的畸变判断被测透明管300是否存在气泡、瑕疵等缺陷。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种透明圆柱体壁厚测量装置，用于测量被测透明管(300)的壁厚，其特征在于，所述透明圆柱体壁厚测量装置包括光源(100)、光学膜(200)、远心成像光学透镜(400)、相机传感器(500)和图像处理模块；

所述透明圆柱体壁厚测量装置跨设在输送被测透明管(300)的流水线两侧，所述光源(100)和光学膜(200)设置在同一侧，所述远心成像光学透镜(400)和相机传感器(500)设置在另一侧；

所述被测透明管(300)为透明圆柱管，管壁为圆柱结构，内部为中空结构；

所述光源(100)采用面光源，所述光学膜(200)设置在光源(100)表面；

所述光学膜(200)为具有方向性图案的膜；

所述远心成像光学透镜(400)和相机传感器(500)用于获取采集图像；所述采集图像包括所述光学膜(200)直接成像的图案、所述光学膜(200)经过被测透明管(300)的管壁生成的倒立的实像以及所述光学膜(200)经过被测透明管(300)的中空结构生成的正立缩小的虚像；

所述图像处理模块根据所述采集图像中所述光学膜(200)不同成像的连接位置生成内外壁的拟合曲线，并进一步测量壁厚。

2.根据权利要求1所述透明圆柱体壁厚测量装置，其特征在于，所述光学膜(200)包括第一光学膜(201)和第三光学膜(203)；

所述第一光学膜(201)的图案和所述第三光学膜(203)的图案采用相同或轴对称结构，所述第一光学膜(201)和第三光学膜(203)分别设置在所述被测透明管(300)的两侧管壁对应位置。

3.根据权利要求2所述透明圆柱体壁厚测量装置，其特征在于，所述光学膜(200)还包括第二光学膜(202)；所述第二光学膜(202)为不透光的膜，宽度略宽于被测透明管(300)的外径；设置在所述第一光学膜(201)和第三光学膜(203)之间。

4.根据权利要求2所述透明圆柱体壁厚测量装置，其特征在于，所述图像处理模块依据第一光学膜(201)和第三光学膜(203)正像和倒像的连接位置生成内壁拟合曲线，依据第一光学膜(201)或第三光学膜(203)经过透明管的倒像分别与第三光学膜(203)或第一光学膜(201)未经过透明管直接成像的连接位置生成外壁拟合曲线。

5.根据权利要求3所述透明圆柱体壁厚测量装置，其特征在于，所述图像处理模块依据第一光学膜(201)和第三光学膜(203)正像和倒像的连接位置生成内壁拟合曲线，依据第一光学膜(201)或第三光学膜(203)的倒像分别与第二光学膜(202)连接位置生成外壁拟合曲线。

6.根据权利要求5所述透明圆柱体壁厚测量装置，其特征在于，所述第二光学膜(202)宽度大于被测透明管(300)的外径；以获取所述第一光学膜(201)或第三光学膜(203)的倒像与所述第二光学膜(202)的连接位置。