CN103149134A - 一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法，是利用透镜组将一个背景光源产生的光聚焦在焊丝端部，在背景光源对侧设置滤光片，滤掉电弧和背景光源产生的强光，在滤光片上形成清晰的电弧烟尘影像，对所述电弧烟尘影像进行连续拍摄，得到连续的电弧烟尘图像，将烟尘图像传输至计算机图像处理单元，选择影像上部和侧部区域，读取该区域中每个像素的灰度值，计算得到该区域的灰度平均值，以灰度平均值减去背景灰度值，得到拍摄瞬时的烟尘灰度值，根据预先建立的烟尘灰度值与烟尘浓度关系曲线，即可得到拍摄瞬时的烟尘浓度。

Description

一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法

技术领域

本发明属于焊接烟尘监测技术领域，涉及一种对电弧焊接中产生的大量烟尘进行实时浓度监测的方法。本发明具体是通过背光拍摄技术得到电弧焊接的烟尘图像，利用图像分析技术对产生的烟尘浓度进行实时监测。

背景技术

无论是手工电弧焊的焊条、还是气体保护焊的实心焊丝与药芯焊丝，在其电弧焊接过程中都会产生大量烟尘，对环境和人体造成极大危害。因此，有效监测其烟尘量，是对电弧焊污染实施控制的基础。但迄今为止，主要还是采用收集焊接烟尘并进行称重的方法对焊接烟尘进行监测，以评价其烟尘产生量对环境的影响。该方法存在设备体积较大、烟尘沉积收集时间过长等缺点，而且只能对一定焊接时间内的烟尘总量进行收集，无法实时反映焊接过程中烟尘的产生量和变化情况，很难满足对焊接烟尘快速实时监测的需求。

一些研究者也尝试采用激光散射法来监测焊接烟尘的信息，但这种监测方法主要适用于大气污染监测中，污染气氛中粒子浓度基本稳定的情况下。对于焊接中产生的烟尘，其处于不断变化过程中，且距离电弧不同位置的烟尘浓度也不同，激光散射法仅能测量激光束散射很小范围内的烟尘情况，很难采用这种方法对产生的烟尘总量进行监测。同时，该方法对检测装置的安装精度要求也较高，测量的准确度受环境影响很大，很难适应焊接烟尘的实际工业检测需求。

随着现代焊接制造技术的发展，对于焊接烟尘的实时环境评价和监测技术成为发展的必然方向。只有这种全程在线监测技术，才能对由于不同批号、存放环境、原料来源等原因引起的环境污染进行实时监测，进而实现有效的环境影响评价。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法，以对电弧焊接过程中产生的烟尘量进行实时监测。

本发明提供的基于背光图像的焊接烟尘监测方法包括：

1）设置一个背景光源，通过透镜组将所述背景光源产生的光聚焦在焊丝端部，产生与焊丝电弧重叠的背景光，且所述背景光的光强大于电弧的光强；

2）在背景光源的对侧设置滤光片，以滤掉电弧和背景光源产生的强光，在滤光片上形成清晰的电弧烟尘影像；

3）对所述电弧烟尘影像进行连续拍摄，得到连续的电弧烟尘图像；

4）通过数据传输，将烟尘图像传输至计算机图像处理单元；

5）选择影像的上部和侧部区域作为获取烟尘浓度的区域，计算机图像处理单元读取该区域中每个像素的灰度值，计算得到该区域的灰度平均值；

6）以灰度平均值减去背景灰度值，得到拍摄瞬时的烟尘灰度值，根据计算机图像处理单元预先建立的烟尘灰度值与烟尘浓度的关系曲线，即可得到拍摄瞬时的烟尘浓度。

其中，可以采用两种方法获得所述背景灰度值。一种方法是以拍摄的电弧烟尘图像中无烟尘区域的灰度值作为背景灰度值；另一种方法是在只有背景光源、没有引燃电弧时拍摄无电弧图像，以其灰度值作为背景灰度值。

本发明首先是采用一种背光拍摄技术来获得关于烟尘的影像。

由于电弧焊接过程中会产生很强的弧光，如果直接拍摄电弧本身，只能看到明亮的电弧，而无法得到关于烟尘的图像。因此，本发明在距离电弧一定位置处，放置一个光强度大于电弧光的背景光源，如激光、氙灯、碳弧灯等，通过透镜组进行聚光，使其产生的强光集中照射到电弧上，然后在背景光源的另一侧采用滤光片滤掉电弧和背景光源的强光。这时，由于烟尘会阻挡背景光源的强光，就会产生不同的透光量，对经过滤光片的影像进行拍摄，就会得到烟尘的图像。

拍摄时，应调节使背景光源与焊丝端部的距离约1～2米，且必须将背景光源、透镜组、焊丝端部置于同一高度平面上。启动背景光源，调节透镜组的相对位置进行聚焦，使得背景光源发射的发散状点光源通过透镜组聚集到焊丝端部所在位置，形成很强的背景光。

为保证背景光源能够准确聚焦在焊丝的端部，还可以在焊丝的固定端设置有调节机构，用于辅助调节进行背景光源的聚焦。

出于拍摄时的安全防护考虑，还可以在焊丝与透镜组之间、焊丝与滤光片之间设置防护板，在防护板上焊丝端部对应的位置处开设通光窗口，并在通光窗口上安装通光镜片。这样，一侧防护板可以防护电弧热辐射和飞溅对聚光透镜组的损坏，另一侧防护板可以防护电弧热辐射和飞溅对拍摄***的损坏。

在获得连续拍摄的烟尘图像后，本发明通过图像分析方法，从烟尘影像中确定获取烟尘量的区域。

本发明通过大量试验观察，对电弧焊接过程中产生的烟尘的流动特点进行了分析，发现产生的所有烟尘都会在电弧力和气流的作用下，向焊接电弧的上部和侧向流动。因此，只要在烟尘影像中确定瞬时经过上边缘和侧边缘的烟尘量，就可以实时监测烟尘的产生量。选择上边缘和侧边缘作为检测区域，还在于该区域距离电弧距离较远，烟尘的流动速度基本稳定，受瞬时电弧吹力的影响较小。因此，本发明采用影像区域上部和侧面各1mm×1mm～2mm×2mm的区域作为获取烟尘量的区域。选择这样大小的区域，是为了保证烟尘是“经过”检测区域，而不是“停留”在该区域，以提高检测精度。

最后，本发明采用背景灰度值为定标依据，确定不同灰度烟尘影响的烟尘量的定标级别，对图像选定区域数码图像的灰度值进行累加。

本发明将获取烟尘量的区域又分为若干个小区域。根据郎伯-比尔定律，光透过烟尘后形成的图像灰度与其烟尘量（浓度）存在以下关系式：

式中，α为颗粒吸收率，它与颗粒的直径、折射率及入射波长有关；C为烟尘浓度；L为光通过烟尘的距离，I和I₀分别为通过烟尘后的光强和原始光强，其比值与烟尘图像的灰度成正比。

当烟尘颗粒比较均匀稳定时，α为常数，L通常固定，因此烟尘浓度C只与 I/I₀，即烟尘图像的灰度有关。

通过检测各个小单元区域烟尘的灰度值，就可确定烟尘的浓度，最后累积即可得到某一瞬时产生的烟尘总量。

根据拍摄频率，得到某一时刻产生的烟尘量大小后，再通过对连续拍摄图像的分析，就可以得到焊接烟尘量随时间的变化，实现对焊接烟尘的实时定量检测。

根据本发明提供的监测方法，采用连续摄像技术得到不同瞬时的烟尘图像，通过分析每幅图像，可以得到不同瞬时的烟尘产生量。例如，采用拍摄频率为1000桢/秒的连续图像拍摄，就会得到每1ms的烟尘变化量。另外，拍摄频率参数最好与烟尘图像分析区域大小匹配，拍摄频率高，烟尘图像分析区域就小一些，反之亦然。通过参数匹配，可以满足不同烟尘检测精度和速度的要求，实现有效的实时焊接烟尘检测。

附图说明

图1是本发明对焊接烟尘进行背光拍摄的装置结构图。

图中，1-背景光源；2-透镜组；3-电弧；4-焊丝端部；5-焊接烟尘；6-滤光片；7-摄像机；8-烟尘图像。

图2是在不同时刻拍摄到的焊接烟尘移动方向的图像。

图3是烟尘图像检测区域选取示意图。

图4是某型号焊条烟尘检测连续拍摄的多幅图像。

图5是本发明监测图4图像得到的某型号焊条烟尘产生量检测曲线。

图6是某型号药芯焊丝烟尘检测拍摄图像。

图7是本发明监测图6图像得到的某型号药芯焊丝烟尘产生量检测曲线。

具体实施方式

如图1所示，在距离焊丝端部4约2米位置处放置一个极强的背景光源1（激光、氙灯、碳弧灯等），将一组透镜组2置于背景光源1与焊丝端部4之间，调节使背景光源1、透镜组2和焊丝端部4置于同一高度平面上。

启动背景光源，调节透镜组的相对位置进行聚焦，通过调节，使得背景光源产生的发散状点光源聚集到焊丝端部所在位置，形成很强的背景光。最后通过调节焊丝固定端设置的调节机构进行微调，使背景光完全聚焦在焊丝端部。

在焊丝端部的两侧，焊丝与透镜组之间、焊丝与滤光片之间分别设置防护板，两侧防护板在电弧位置开窗口，窗口上安装通光镜片进行防护。

引燃电弧3，根据电弧强度，选择合适的滤光片6设置在背景光源1的另一侧，以滤掉电弧3和背景光源1的强光。焊接烟尘5由于阻挡强光，会产生不同的透光量，这时就会在滤光片6上形成焊接烟尘的影像。根据影像的亮度和清晰度，调整背景光源强度，直到获得具有清晰烟尘图像的电弧影像为止。

调节完成后，启动摄像机7，获取连续的背景光拍摄下的电弧烟尘图像8。通过数据传输，将烟尘图像传输进计算机的图像处理单元。

根据观察，发现电弧焊接烟尘会在电弧力和气流的作用下，向焊接电弧上部和侧向流动（如图2）。因此，选择烟尘图像8中的上边缘和侧边缘作为监测烟尘产生量的区域。如图3所示，采用影像区域上部和侧面各1mm左右范围内的灰度变化来实时监测烟尘量的大小，将上边缘和侧边缘的1mm区域沿长度方向又分为若干个小区域。

确定检测区间后，根据获取的图像信息，将此区间内各个小单元对应的像素在图像矩阵中的位置确定，利用图像处理单元在数据矩阵中提取相应像素点的相应灰度数据，读取分区小单元的灰度值，取平均得到平均灰度值。

采用无烟尘拍摄图像的灰度为定标依据，读取背景图像的灰度数据值，以平均灰度值减去背景图像的灰度数据值，即可得到去除背景的拍摄瞬时的烟尘图像瞬时净灰度值。

利用事先建立的灰度值与烟尘浓度的关系曲线，采用检测得到的净灰度值即可计算出拍摄瞬时的烟尘浓度。

根据连续拍摄的烟尘图像，重复上述步骤，连续计算得到不同瞬时的烟尘浓度变化数据。以拍摄频率确定每个瞬时图像对应的时间间隔，以此作为时间横坐标轴，以烟尘浓度作为纵坐标轴，绘制出连续烟尘浓度变化曲线，得到烟尘浓度随时间变化的直观分析结果，实现对焊接烟尘的实时定量检测。

应用例1

对某型号焊条烟尘产生量的实时检测

采用本实施例焊接烟尘监测方法，首先选定背景光源滤光后的灰度值作为背景灰度值，连续拍摄该焊条的电弧，得到背光下的多幅烟尘照片（图4），在此基础上得到每幅照片中各个烟尘区监测的灰度值，去除背景灰度值，最后得到的烟尘监测实时变化曲线如图5所示。

应用例2

对某型号药芯焊丝烟尘产生量的实时检测

对药芯焊丝的烟尘监测过程与应用例1相同。只是在采用背光拍摄时，需要根据实际情况调整背光强度和滤光程度，得到清晰的烟尘照片。图6为连续拍摄得到背光下该药芯焊丝的多幅烟尘照片，图7为得到的烟尘监测的实时变化曲线。

Claims (8)

1.一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法，包括：

1）设置一个背景光源，通过透镜组将所述背景光源产生的光聚焦在焊丝端部，产生与焊丝电弧重叠的背景光，且所述背景光的光强大于电弧的光强；

2）在背景光源的对侧设置滤光片，以滤掉电弧和背景光源产生的强光，在滤光片上形成清晰的电弧烟尘影像；

3）对所述电弧烟尘影像进行连续拍摄，得到连续的电弧烟尘图像；

4）通过数据传输，将烟尘图像传输至计算机图像处理单元；

5）选择影像的上部和侧部区域作为获取烟尘浓度的区域，计算机图像处理单元读取该区域中每个像素的灰度值，计算得到该区域的灰度平均值；

6）以灰度平均值减去背景灰度值，得到拍摄瞬时的烟尘灰度值，根据计算机图像处理单元预先建立的烟尘灰度值与烟尘浓度的关系曲线，即可得到拍摄瞬时的烟尘浓度；

其中，所述的背景灰度值是图像中无烟尘区域的灰度值，或者是拍摄无电弧图像的灰度值。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述的背景光源为激光、氙灯或碳弧灯。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述背景光源、透镜组、焊丝端部位于同一高度平面上。

4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述背景光源与焊丝之间距离1～2米。

5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是在焊丝与透镜组之间、焊丝与滤光片之间设置有防护板，所述防护板在焊丝端部对应位置开有通光窗口。

6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征是所述的通光窗口上安装有通光镜片。

7.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是在焊丝的固定端设置有用于辅助调节背景光源聚焦的调节机构。

8.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是所述选择的获取烟尘浓度区域大小为1mm×1mm～2mm×2mm。

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