CN1197511A - 检测金属产品表面上开口缺陷的方法和装置 - Google Patents

Abstract

利用波长位于可见光两端附近的两束平面相干光(13,14)来检测缺陷。例如,由激光二极管(11,12)产生的两束基本上位于与产品表面(2)相互交的同一平面(P)内的光,这两束光的走向相互倾斜,形成基本相等的入射角(i),以便在该表面上产生唯一的光迹(T)。沿着与该表面相正交的方向(18),在该波长的情况下,例如,利用一个具有线性网格的摄像机(17)来测量沿着该光迹的照度,照度锐减的局部就是缺陷的显示。用于检测连续铸造的未加工金属产品上的气孔或沟槽。

Description

检测金属产品表面上开口缺陷的方法和装置

本发明涉及检测表面上凹形缺陷的方法和装置，这种缺陷是在金属产品表面上产生的，其深度与截面之比较大。

在钢锭或钢块这样的连续铸造的未加工金属产品表面上会遇到这种形式的缺陷。这种缺陷可以是通常用术语“针孔”表示的气孔，它由一些基本与表面垂直的柱形小孔所构成，其直径大约为几百个微米，典型的约为500μm，而其深度约为几个毫米(典型的为1-10mm或更大)。因而事实上这涉及的是截面小而深度较深的小孔，其侧壁实际上与表面垂直。在锭模中浇铸金属时捕获的气泡从钢锭表面放出，通常就产生这样的缺陷。也有另外一些缺陷，其横向尺寸与其深度相比较小，其产生，例如，是由于在模锭下游的导向滚柱夹卡而产生的，呈沟槽形，在铸造产品的纵方向延伸。

这种缺陷会严重影响所得到产品的质量，因此必须在产品轧制之前，用，例如磨削的方法除去。于是需要对这种缺陷进行检测，定位，并确定它们的尺寸。问题在于，由于这种缺陷的横向尺寸小，使用通常检测这种产品上缺陷用的以磁学法为基础的方法或用傅科电流的方法，一般检测不到这种缺陷或检测得不准。

此外，相对于连续铸造的未加工产品表面的不规则而言，这种缺陷的尺寸是小的，由表面起伏或表面凸结所造成的不规则可达到3毫米。

实验室中已经实验过用装成环形的白光照射表面以及用掠射入射光照射表面的方法，来检测这种缺陷。在观察此表面时，缺陷区域呈现的照明比表面的一般照明弱。然而在工业场合这种方法却是不能用的，这是因为所需设备的尺寸大，同时在铸造产品行进时在线使用所需快速的情况事不能检测这种缺陷。此外，环境照明不可避免的变化，或是使得此缺陷不能被检测，或是检测到一些“假缺陷”。

本发明的目的是避免上述问题，使得能以可靠的并与工业情况中检测、鉴定和辨认缺陷的要求相适应的方法，来检测象表面不规则产品上的气孔或沟槽这样的缺陷。

为此目的，本发明是关于检测连续铸造未加工这样的金属产品表面上凹形缺陷的方法，其形式是用非零的入射光对此表面进行照明，以便使缺陷表现出来，缺陷区域表面的照度比表面的照度低。此方法的特点是使用两束波长位于可见光区两端附近的平面光来照射表面，这两束光位于基本与该表面正交的同一平面中，以便在该表面上产生唯一的光迹，这两束光相互倾斜，入射角基本相等，沿着与该表面正交的对准方向，在该波长上测量沿该光迹的照度，照度锐减的局部就是缺陷的显示。

两束光的组合能确保在没有缺陷时，在此光迹长度上的表面照度基本均匀，从而避免了表面存在粗糙的或不规则的突起时而产生的阴影。相反，在存在想要检测类型的缺陷，也就是说，深度与横向尺寸相比大的气孔或凹陷缺陷时，这两束光照不到这些孔的底，由于观测方向基本与被观测面垂直，所以在该光迹中这种缺陷呈现为阴影区。因而可以在产品行进中以一种可靠快速的方式检测所有的气孔型的缺陷，而不会检测到表面上的其它不规则。此外，工作在可见光区两端附近，最好是在650和670nm之间的波长，能避免周围照度偶然变化使检测过程受到干扰。

同时，本发明涉及的也是一种检测金属产品表面上凹形缺陷的装置，其特征在于，此装置包含有波长预定在可见光两端附近的两个光源，此光源发射平面光束，其发射的总方向是汇交的，它们安置得使这两束光位于同一平面中，而此平面与该产品行进的纵方向相正交，而且还包含有在该平面中并与该表面垂直的对准方向上，测量此二光源在表面上所造成的照度的元件，此元件具有一个对准该波长的滤光器，该光源的方向相对于该瞄准的方向是对称的。

本发明的其它特点和优点将出现下面的描述中，这种描述将是以对连续铸造未加工钢坯上的气孔进行检测以及实施此检测的例子来进行的。

参考附图，其中

图1是本发明的气孔检测装置在检测工作时的透视图。

图2是对包含一个这种气孔的表面区域进行检测时，放大了的剖面图。

图3是由此装置的摄像机所摄到的图象。

图4表示了摄像机中光电二极管发出的与图3中图象相应的信号。

在图1中表示出了检测装置的示意图，它正在对沿行进中的钢锭3的纵向(箭头F)的一个面2上的气孔1进行检测。

此装置包含有两个相干光源，这两个光源由发射平面光束13，14的激光二极管11，12组成，这两束平面光总的方向由点划线15，16表示，在表面2上靠近宽度中心的点A处相交。此装置也包含有对该光束在表面2上所造成的照明进行检测的元件，它是由具有线性网格光电二极管的摄像机或具有线性CCD的摄像机17构成。

摄像机17的对准方向18与表面2正交并通过A点。考虑到表面2的宽度，把摄像机到表面2的距离选择得使其测量范围(划阴影线区19)的角度足够小，以便在整个宽度上，都能把观察方向看成是与表面2正交。

两个激光二极管11，12以及摄像机17都处在基本与行进方向F正交的同一平面内，这两束光13和14同样地位于此平面内，摄像机光电二极管的网格也在此平面内。

激光二极管11，12的发射波长最好包含在650和670nm之间。同样也可以使用发射波长接近可见光另一端，例如365nm的光源，例如WOOD灯。

然而使用激光二极管的优点是工作在对人没有危险的波长上，体积小，能量消耗小，这种二极管的功率约为20mW。对于要检测的宽度为几十厘米的表面而言，这种激光二极管所提供的照明是足够的了。对于尺寸更大的产品，可以使用更大功率的激光发生器。

摄像机17装有一个对准激光二极管波长的滤光器20，为的是只截获此二极管发出并由表面2反射的辐射，而把其它所有环境光中的辐射都排除在外。

摄像机17是一个，例如，具有2048点快速扫描(500μs)的线性摄像机。因此，对于50cm/s的产品行进速度而言，可以得到的分辨率为500μm(相应于再次相继检测之间产品的移动距离)，这就可以保证可靠地对大约这种大小的横向尺寸的缺陷进行检测。

此外，为了得到可以接受的信/噪比及避免误报，必须使摄像机17的光电二极管元件工作在饱合极限上。这样一来，按照本发明，如果不使用波长合适的光源和摄像机上的相应的滤光器的话，这些光电元件对环境照明的微小变化就非常敏感，从而产生误报或是使光电二极管不能工作。使用波长靠近窄的可见光区两端的而且是通常白光环境照明中的相干光，以及在摄像机镜头上使用适当波长的滤光器，就使得本装置不易受到环境照明变化的干扰。

此激光二极管所发射光束的入射角i最好是从30°到60°，尤其是在40°附近。参看图2可以很好地理解，这个角度应该根据所希望检测缺陷的尺寸特点来确定。

在这个图上以剖面的形式表示了一个放大的气孔1，它基本上是一个柱状孔的形式。当这个气孔通过光束13和14的平面p时，射线13′，14′不能到达此小孔的底部31，因而小孔就处于阴影中，而且在表面2上由光束13，14产生的光迹T中形成不连续。实际上，这光迹在气孔1的边壁32处是继续的，但是在一个气孔的情况下，由于此边基本上与产品的表面2相垂直，而且摄像机的瞄准方向18同样也与这个表面垂直，所以摄像机17不能发现缺陷处的辐射。不难理解，如果边壁32呈喇叭口形，考虑到此边壁倾斜度及入射角i，则情况是一样的，入射光到达不了孔1的底部。相反，如果小孔1的深度与其横向尺寸相比较小，而且如果入射角i也小的话，则小孔的底部可能至少部分地被照到，就可能检测不到这样的缺陷。提高入射角i，能提高检测的灵敏度。另一方面，如在图2右边部分所看到的一样，那里的表面不规则是由一个表面凸结5构成的，因而不管什么样的入射角，此表面凸结的两面上都会由至少光束13，14中的一束所照明，因而不会被检测到。

实际上，如果入射角i超过大约60°，检测就变得非常灵敏，由于这些表面凸凹不同产生的影子可能出现，这种凸凹不平就可能产生误报，相反，如果入射角i大约减少到30°以下，由于小孔的底部又被照明，则灵敏度很快降低。

在图3中表示了光迹T的象41，这是在存在气孔1时由摄像机所摄到的，它表现的形式为阴影区42。图4上表示了相应的电学信号51，信号锐减处52表示了气孔存在的地方。

我们会发现，在没有缺陷时，在与产品表面宽度相应的所有部分上，此信号基本不变。事实上，由于光束的倾斜，尽管激光二极管发出光线的能量分布和表面2所接受的光能分布相对于中心点A是不对称的，但是两束光的结合会使得这种对称性重新建立起来，并能保证在光迹T的所有点上反射能量的均匀，因而，与摄像机的光电二极管工作在饱和极限附近的这一事实相结合，在没有气孔时，在整个网格的长度上，由这些光电二极管发出的信号基本上是不变的，这就保证了检测灵敏度不变，无论是气孔靠近中心或是靠近表面2的边缘。

按本发明的一个特殊安排，只是在产品行进中进行的两个相继测量期间，在该光迹上的同一位置上发现该照明减弱时，才让检测有效。因而，考虑到两次相继测量在时间上很靠近，从而同一缺陷在产品行进期间进行再次相继测量时必然会出现，所以就会避免把检测的偶然干扰看作缺陷。

按照另一种配置，在代表沿该光迹上照明的信号51上，通过对相应于照度减少的信号52的宽度进行测量，来确定被检测缺陷的横向尺寸。

为了能测量缺陷的横向尺寸，此装置最好包含有对接受到强度小于一预定阈值的照度的相邻光电二极管进行计数的元件21。同时，包含有对网格中这些光电二极管的位置进行定位的元件22，以便能确定每个被测缺陷的横向位置。此外，还设置了指示每个缺陷在产品上纵向位置的元件23，例如，在产品上用图形做记号的系统，这种元件受检测装置的控制，处于装置的相对于产品行进方向而言的下游。

这样的摄像机一方面能对产品上的缺陷定位，以便对其进行修补，或者进一步建立整个产品缺陷的统计状态，形成此产品的质量指标。

按照另一种优选的方案，检测是同时在所有产品表面上进行的，每个面上都使用了上面所述的这种检测装置。在这种情况下，这些装置沿纵向错开的，使得与两个面相关的光束不相干扰，两相邻面上的光迹T，T′错开，例如约10mm。

Claims (12)

1.对于象连续铸造的未加工产品这样的金属产品表面(2)上的凹形缺陷(1)进行检测的方法，按照这种方法，使用非零的入射光对此平面进行照明，以便使这种缺陷显示出来，这种缺陷相对于此表面照度呈照度减弱的区域，此方法的特征在于：使用两束波长位于可见光区两端的平面光束(13，14)对此表面进行照明，这两束光位于基本与该表面(2)正交的同一平面(P)内，以便在该表面上产生唯一的光迹(T)，这两束光相互倾斜，形成基本相等的入射角(i)，使用该波长沿着与该表面正交的方向(18)，沿该光迹测量照度，局部的照度锐减就显示缺陷。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：该波长位于650和670nm。

3.按照权利要求1或2中的一项所述的方法，其特征在于：入射角(i)在30°和60°之间。

4.按照权利要求1到3中的一项所述的方法，其特征在于：只是在产品行进期间进行相继的再次测量时，在该光迹上的同一位置发现有照度减少的情况下，才让这种检测有效。

5.按照权利要求1到4中的一项所述的方法，其特征在于：在代表沿该光迹上照度的信号(51)上，通过测量相应于该照度降低的信号(52)的宽度，来确定所检测缺陷的横向尺寸。

6.按照权利要求1到5中的一项所述的方法，其特征在于：把这种方法同时用于产品的多个面，每个面的光迹(T，T′)在给向上是错开的。

7.检测金属产品(3)的表面(2)上的凹形缺陷(1)的装置，其特征在于：它包含有两个发射平面光束(13，14)的光源(11，12)，其波长预定在可见光波段的两端上，其发射的总方向(15，16)相汇交，配置的形式是两束光位于基本与产品行进的纵方向(F)相正交的同一平面(P)中；带包含有在位于该平面(P)中的对准方向(18)上，测量该光源对此表面照度的元件(17)，此元件有一个滤光器(20)，它对准该波长，该光源方向(15，16)相对于该对准方向(18)是对称的。

8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于：该光源的方向和对准方向之间的夹角i在30°和60°之间。

9.按照权利要求7或8中的一项所述的装置，其特征在于：该波长在650和670nm之间。

10.按照权利要求7到10中的一项所述的装置，其特征在于：该光源(11，12)的激光二极管。

11.按照权利要求7到10中的一项所述的装置，其特征在于：测量照度的元件包含有一个具有线性网格光电二极管的摄像机(17)；此装置包含一些对接受照明强度低于一预定阈值的相邻光电二极管进行计数的元件(21)，标记这些光电二极管在该网格中位置的元件(22)和在产品上指示出所测量缺陷纵向位置的元件(23)。

12.对金属产品所有面上的缺陷进行整体检测的方法，其特征在于：这种方法在每个面上都包含有按照权利要求7到11所述的装置，这些装置在纵向上是错开的。

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