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專利名稱：一種基于背光圖像的焊接煙塵監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接煙塵監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對電弧焊接中產(chǎn)生的大量煙塵進行實時濃度監(jiān)測的方法。本發(fā)明具體是通過背光拍攝技術(shù)得到電弧焊接的煙塵圖像，利用圖像分析技術(shù)對產(chǎn)生的煙塵濃度進行實時監(jiān)測。
背景技術(shù)：
無論是手工電弧焊的焊條、還是氣體保護焊的實心焊絲與藥芯焊絲，在其電弧焊接過程中都會產(chǎn)生大量煙塵，對環(huán)境和人體造成極大危害。因此，有效監(jiān)測其煙塵量，是對電弧焊污染實施控制的基礎(chǔ)。但迄今為止，主要還是采用收集焊接煙塵并進行稱重的方法對焊接煙塵進行監(jiān)測，以評價其煙塵產(chǎn)生量對環(huán)境的影響。該方法存在設(shè)備體積較大、煙塵沉積收集時間過長等缺點，而且只能對一定焊接時間內(nèi)的煙塵總量進行收集，無法實時反映焊接過程中煙塵的產(chǎn)生量和變化情況，很難滿足對焊接煙塵快速實時監(jiān)測的需求。一些研究者也嘗試采用激光散射法來監(jiān)測焊接煙塵的信息，但這種監(jiān)測方法主要適用于大氣污染監(jiān)測中，污染氣氛中粒子濃度基本穩(wěn)定的情況下。對于焊接中產(chǎn)生的煙塵，其處于不斷變化過程中，且距離電弧不同位置的煙塵濃度也不同，激光散射法僅能測量激光束散射很小范圍內(nèi)的煙塵情況，很難采用這種方法對產(chǎn)生的煙塵總量進行監(jiān)測。同時，該方法對檢測裝置的安裝精度要求也較高，測量的準確度受環(huán)境影響很大，很難適應(yīng)焊接煙塵的實際工業(yè)檢測需求。隨著現(xiàn)代焊接制造技術(shù)的發(fā)展，對于焊接煙塵的實時環(huán)境評價和監(jiān)測技術(shù)成為發(fā)展的必然方向。只有這種全程在線監(jiān)測技術(shù)，才能對由于不同批號、存放環(huán)境、原料來源等原因引起的環(huán)境污染進行實時監(jiān)測，進而實現(xiàn)有效的環(huán)境影響評價。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于背光圖像的焊接煙塵監(jiān)測方法，以對電弧焊接過程中產(chǎn)生的煙塵量進行實時監(jiān)測。本發(fā)明提供的基于背光圖像的焊接煙塵監(jiān)測方法包括:
1)設(shè)置一個背景光源，通過透鏡組將所述背景光源產(chǎn)生的光聚焦在焊絲端部，產(chǎn)生與焊絲電弧重疊的背景光，且所述背景光的光強大于電弧的光強；
2)在背景光源的對側(cè)設(shè)置濾光片，以濾掉電弧和背景光源產(chǎn)生的強光，在濾光片上形成清晰的電弧煙塵影像；
3)對所述電弧煙塵影像進行連續(xù)拍攝，得到連續(xù)的電弧煙塵圖像；
4)通過數(shù)據(jù)傳輸，將煙塵圖像傳輸至計算機圖像處理單元；
5)選擇影像的上部和側(cè)部區(qū)域作為獲取煙塵濃度的區(qū)域，計算機圖像處理單元讀取該區(qū)域中每個像素的灰度值，計算得到該區(qū)域的灰度平均值； 6)以灰度平均值減去背景灰度值，得到拍攝瞬時的煙塵灰度值，根據(jù)計算機圖像處理單元預(yù)先建立的煙塵灰度值與煙塵濃度的關(guān)系曲線，即可得到拍攝瞬時的煙塵濃度。
其中，可以采用兩種方法獲得所述背景灰度值。一種方法是以拍攝的電弧煙塵圖像中無煙塵區(qū)域的灰度值作為背景灰度值；另一種方法是在只有背景光源、沒有引燃電弧時拍攝無電弧圖像，以其灰度值作為背景灰度值。本發(fā)明首先是采用一種背光拍攝技術(shù)來獲得關(guān)于煙塵的影像。由于電弧焊接過程中會產(chǎn)生很強的弧光，如果直接拍攝電弧本身，只能看到明亮的電弧，而無法得到關(guān)于煙塵的圖像。因此，本發(fā)明在距離電弧一定位置處，放置一個光強度大于電弧光的背景光源，如激光、氙燈、碳弧燈等，通過透鏡組進行聚光，使其產(chǎn)生的強光集中照射到電弧上，然后在背景光源的另一側(cè)采用濾光片濾掉電弧和背景光源的強光。這時，由于煙塵會阻擋背景光源的強光，就會產(chǎn)生不同的透光量，對經(jīng)過濾光片的影像進行拍攝，就會得到煙塵的圖像。拍攝時，應(yīng)調(diào)節(jié)使背景光源與焊絲端部的距離約I 2米，且必須將背景光源、透鏡組、焊絲端部置于同一高度平面上。啟動背景光源，調(diào)節(jié)透鏡組的相對位置進行聚焦，使得背景光源發(fā)射的發(fā)散狀點光源通過透鏡組聚集到焊絲端部所在位置，形成很強的背景光。為保證背景光源能夠準確聚焦在焊絲的端部，還可以在焊絲的固定端設(shè)置有調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于輔助調(diào)節(jié)進行背景光源的聚焦。出于拍攝時的安全防護考慮，還可以在焊絲與透鏡組之間、焊絲與濾光片之間設(shè)置防護板，在防護板上焊絲端部對應(yīng)的位置處開設(shè)通光窗口，并在通光窗口上安裝通光鏡片。這樣，一側(cè)防護板可以防護電弧熱輻射和飛濺對聚光透鏡組的損壞，另一側(cè)防護板可以防護電弧熱輻射和飛濺對拍攝系統(tǒng)的損壞。在獲得連續(xù)拍攝的煙塵圖像后，本發(fā)明通過圖像分析方法，從煙塵影像中確定獲取煙塵量的區(qū)域。本發(fā)明通過大量試驗 觀察，對電弧焊接過程中產(chǎn)生的煙塵的流動特點進行了分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的所有煙塵都會在電弧力和氣流的作用下，向焊接電弧的上部和側(cè)向流動。因此，只要在煙塵影像中確定瞬時經(jīng)過上邊緣和側(cè)邊緣的煙塵量，就可以實時監(jiān)測煙塵的產(chǎn)生量。選擇上邊緣和側(cè)邊緣作為檢測區(qū)域，還在于該區(qū)域距離電弧距離較遠，煙塵的流動速度基本穩(wěn)定，受瞬時電弧吹力的影響較小。因此，本發(fā)明采用影像區(qū)域上部和側(cè)面各ImmX Imm 2mmX2mm的區(qū)域作為獲取煙塵量的區(qū)域。選擇這樣大小的區(qū)域，是為了保證煙塵是“經(jīng)過”檢測區(qū)域，而不是“停留”在該區(qū)域，以提高檢測精度。最后，本發(fā)明采用背景灰度值為定標依據(jù)，確定不同灰度煙塵影響的煙塵量的定標級別，對圖像選定區(qū)域數(shù)碼圖像的灰度值進行累加。本發(fā)明將獲取煙塵量的區(qū)域又分為若干個小區(qū)域。根據(jù)郎伯-比爾定律，光透過煙塵后形成的圖像灰度與其煙塵量(濃度)存在以下關(guān)系式:
■9
I —
ewwW Bmm
4
式中，α為顆粒吸收率，它與顆粒的直徑、折射率及入射波長有關(guān)；C為煙塵濃度；L為光通過煙塵的距離，I和Itl分別為通過煙塵后的光強和原始光強，其比值與煙塵圖像的灰度成正比。當煙塵顆粒比較均勻穩(wěn)定時，α為常數(shù)，L通常固定，因此煙塵濃度C只與Ι/Ι。，即煙塵圖像的灰度有關(guān)。通過檢測各個小單元區(qū)域煙塵的灰度值，就可確定煙塵的濃度，最后累積即可得到某一瞬時產(chǎn)生的煙塵總量。根據(jù)拍攝頻率，得到某一時刻產(chǎn)生的煙塵量大小后，再通過對連續(xù)拍攝圖像的分析，就可以得到焊接煙塵量隨時間的變化，實現(xiàn)對焊接煙塵的實時定量檢測。根據(jù)本發(fā)明提供的監(jiān)測方法，采用連續(xù)攝像技術(shù)得到不同瞬時的煙塵圖像，通過分析每幅圖像，可以得到不同瞬時的煙塵產(chǎn)生量。例如，采用拍攝頻率為1000楨/秒的連續(xù)圖像拍攝，就會得到每Irns的煙塵變化量。另外，拍攝頻率參數(shù)最好與煙塵圖像分析區(qū)域大小匹配，拍攝頻率高，煙塵圖像分析區(qū)域就小一些，反之亦然。通過參數(shù)匹配，可以滿足不同煙塵檢測精度和速度的要求，實現(xiàn)有效的實時焊接煙塵檢測。


圖1是本發(fā)明對焊接煙塵進行背光拍攝的裝置結(jié)構(gòu)圖。圖中，1-背景光源；2_透鏡組；3-電??；4_焊絲端部；5_焊接煙塵；6_濾光片；7-攝像機；8-煙塵圖像。圖2是在不同時刻拍攝到的焊接煙塵移動方向的圖像。圖3是煙塵圖像檢測區(qū)域選取示意圖。圖4是某型號焊條煙塵檢測連續(xù)拍攝的多幅圖像。圖5是本發(fā)明監(jiān)測圖4圖像得到的某型號焊條煙塵產(chǎn)生量檢測曲線。圖6是某型號藥芯焊絲煙塵檢測拍攝圖像。圖7是本發(fā)明監(jiān)測圖6圖像得到的某型號藥芯焊絲煙塵產(chǎn)生量檢測曲線。
具體實施例方式如圖1所示，在距離焊絲端部4約2米位置處放置一個極強的背景光源I (激光、氙燈、碳弧燈等)，將一組透鏡組2置于背景光源I與焊絲端部4之間，調(diào)節(jié)使背景光源1、透鏡組2和焊絲端部4置于同一高度平面上。啟動背景光源，調(diào)節(jié)透鏡組的相對位置進行聚焦，通過調(diào)節(jié)，使得背景光源產(chǎn)生的發(fā)散狀點光源聚集到焊絲端部所在位置，形成很強的背景光。最后通過調(diào)節(jié)焊絲固定端設(shè)置的調(diào)節(jié)機構(gòu)進行微調(diào)，使背景光完全聚焦在焊絲端部。在焊絲端部的兩側(cè)，焊絲與透鏡組之間、焊絲與濾光片之間分別設(shè)置防護板，兩側(cè)防護板在電弧位置開窗口，窗口上安裝通光鏡片進行防護。引燃電弧3，根據(jù)電弧強度，選擇合適的濾光片6設(shè)置在背景光源I的另一側(cè)，以濾掉電弧3和背景光源I的強光。焊接煙塵5由于阻擋強光，會產(chǎn)生不同的透光量，這時就會在濾光片6上形成焊接煙塵的影像。根據(jù)影像的亮度和清晰度，調(diào)整背景光源強度，直到獲得具有清晰煙塵圖像的電弧影像為止。調(diào)節(jié)完成后，啟動攝像機7，獲取連續(xù)的背景光拍攝下的電弧煙塵圖像8。通過數(shù)據(jù)傳輸，將煙塵圖像傳輸進計算機的圖像處理單元。根據(jù)觀察，發(fā)現(xiàn)電弧焊接煙塵會在電弧力和氣流的作用下，向焊接電弧上部和側(cè)向流動(如圖2)。因此，選擇煙塵圖像8中的上邊緣和側(cè)邊緣作為監(jiān)測煙塵產(chǎn)生量的區(qū)域。如圖3所示，采用影像區(qū)域上部和側(cè)面各Imm左右范圍內(nèi)的灰度變化來實時監(jiān)測煙塵量的大小，將上邊緣和側(cè)邊緣的1_區(qū)域沿長度方向又分為若干個小區(qū)域。確定檢測區(qū)間后，根據(jù)獲取的圖像信息，將此區(qū)間內(nèi)各個小單元對應(yīng)的像素在圖像矩陣中的位置確定，利用圖像處理單元在數(shù)據(jù)矩陣中提取相應(yīng)像素點的相應(yīng)灰度數(shù)據(jù)，讀取分區(qū)小單元的灰度值，取平均得到平均灰度值。采用無煙塵拍攝圖像的灰度為定標依據(jù)，讀取背景圖像的灰度數(shù)據(jù)值，以平均灰度值減去背景圖像的灰度數(shù)據(jù)值，即可得到去除背景的拍攝瞬時的煙塵圖像瞬時凈灰度值。利用事先建立的灰度值與煙塵濃度的關(guān)系曲線，采用檢測得到的凈灰度值即可計算出拍攝瞬時的煙塵濃度。根據(jù)連續(xù)拍攝的煙塵圖像，重復(fù)上述步驟，連續(xù)計算得到不同瞬時的煙塵濃度變化數(shù)據(jù)。以拍攝頻率確定每個瞬時圖像對應(yīng)的時間間隔，以此作為時間橫坐標軸，以煙塵濃度作為縱坐標軸，繪制出連續(xù)煙塵濃度變化曲線，得到煙塵濃度隨時間變化的直觀分析結(jié)果，實現(xiàn)對焊接煙塵的實時定量檢測。應(yīng)用例I
對某型號焊條煙塵產(chǎn)生量的實時檢測
采用本實施例焊接煙塵監(jiān)測方法，首先選定背景光源濾光后的灰度值作為背景灰度值，連續(xù)拍攝該焊條的電弧，得到背光下的多幅煙塵照片(圖4)，在此基礎(chǔ)上得到每幅照片中各個煙塵區(qū)監(jiān)測的灰度值，去除背景灰度值，最后得到的煙塵監(jiān)測實時變化曲線如圖5所示。應(yīng)用例2
對某型號藥芯焊絲煙塵產(chǎn)生量的實時檢測
對藥芯焊絲的煙塵監(jiān)測過程與應(yīng)用例I相同。只是在采用背光拍攝時，需要根據(jù)實際情況調(diào)整背光強度和濾光程度，得到清晰的煙塵照片。圖6為連續(xù)拍攝得到背光下該藥芯焊絲的多幅煙塵照片，圖7為得到的煙塵監(jiān)測的實時變化曲線。
權(quán)利要求
1.一種基于背光圖像的焊接煙塵監(jiān)測方法，包括: 1)設(shè)置一個背景光源，通過透鏡組將所述背景光源產(chǎn)生的光聚焦在焊絲端部，產(chǎn)生與焊絲電弧重疊的背景光，且所述背景光的光強大于電弧的光強； 2)在背景光源的對側(cè)設(shè)置濾光片，以濾掉電弧和背景光源產(chǎn)生的強光，在濾光片上形成清晰的電弧煙塵影像； 3)對所述電弧煙塵影像進行連續(xù)拍攝，得到連續(xù)的電弧煙塵圖像； 4)通過數(shù)據(jù)傳輸，將煙塵圖像傳輸至計算機圖像處理單元； 5)選擇影像的上部和側(cè)部區(qū)域作為獲取煙塵濃度的區(qū)域，計算機圖像處理單元讀取該區(qū)域中每個像素的灰度值，計算得到該區(qū)域的灰度平均值； 6)以灰度平均值減去背景灰度值，得到拍攝瞬時的煙塵灰度值，根據(jù)計算機圖像處理單元預(yù)先建立的煙塵灰度值與煙塵濃度的關(guān)系曲線，即可得到拍攝瞬時的煙塵濃度； 其中，所述的背景灰度值是圖像中無煙塵區(qū)域的灰度值，或者是拍攝無電弧圖像的灰度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征是所述的背景光源為激光、氙燈或碳弧燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征是所述背景光源、透鏡組、焊絲端部位于同一高度平面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征是所述背景光源與焊絲之間距離I 2米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征是在焊絲與透鏡組之間、焊絲與濾光片之間設(shè)置有防護板，所述防護板在焊絲端部對應(yīng)位置開有通光窗口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的監(jiān)測方法，其特征是所述的通光窗口上安裝有通光鏡片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征是在焊絲的固定端設(shè)置有用于輔助調(diào)節(jié)背景光源聚焦的調(diào)節(jié)機構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征是所述選擇的獲取煙塵濃度區(qū)域大小為ImmX Imm 2mmX 2mm。
全文摘要
一種基于背光圖像的焊接煙塵監(jiān)測方法，是利用透鏡組將一個背景光源產(chǎn)生的光聚焦在焊絲端部，在背景光源對側(cè)設(shè)置濾光片，濾掉電弧和背景光源產(chǎn)生的強光，在濾光片上形成清晰的電弧煙塵影像，對所述電弧煙塵影像進行連續(xù)拍攝，得到連續(xù)的電弧煙塵圖像，將煙塵圖像傳輸至計算機圖像處理單元，選擇影像上部和側(cè)部區(qū)域，讀取該區(qū)域中每個像素的灰度值，計算得到該區(qū)域的灰度平均值，以灰度平均值減去背景灰度值，得到拍攝瞬時的煙塵灰度值，根據(jù)預(yù)先建立的煙塵灰度值與煙塵濃度關(guān)系曲線，即可得到拍攝瞬時的煙塵濃度。
文檔編號G01N15/06GK103149134SQ20131006762
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者李志勇, 薛春霞, 張英喬, 丁京濱, 邢磊 申請人:中北大學(xué)