金學(xué)民

(上海鋆雪自動化有限公司，上海 201108)

高壓微霧加濕器利用高壓柱塞泵將純水或者經(jīng)過精密過濾的軟化水壓力提高到4 MPa～7 MPa，之后再經(jīng)過精細(xì)霧化噴頭將其霧化，產(chǎn)生0.5 μm～15.0 μm的微霧顆粒，從空氣中吸收熱量完成汽化并擴散，達(dá)到加濕車間空氣并降溫的目的。其中霧化噴頭是噴霧設(shè)備中比較關(guān)鍵的零件，決定了水霧化的效果。霧化噴頭的主體一般用銅制造，產(chǎn)品數(shù)量很大，以往行業(yè)里都采用人工抽檢的方法來判定批次產(chǎn)品的好壞。一方面，檢測工人眼睛易疲勞，抽檢判斷無法保證出廠產(chǎn)品全數(shù)合格，會給客戶帶來較差的體驗；另一方面，如果人工全數(shù)檢驗，又存在成本太高的問題。

1 精細(xì)霧化噴頭結(jié)構(gòu)

精細(xì)霧化噴頭分為燃油精細(xì)霧化噴頭、水高壓精細(xì)霧化噴頭(高壓霧化噴頭)、水低壓精細(xì)霧化噴頭(低壓霧化噴頭)等。圖1為水精細(xì)霧化噴頭結(jié)構(gòu)，當(dāng)1 kg～200 kg的水從下方孔中進入銅體，經(jīng)過導(dǎo)流體形成旋轉(zhuǎn)的水流向上經(jīng)過微小孔噴出后，即可形成圓錐發(fā)散的水霧。精細(xì)霧化噴頭最重要的參數(shù)是噴霧圓錐的錐角，它決定著霧化的效果。

1—噴片；2—銅體；3—導(dǎo)流體；4—密封圈。

2 檢測方法

2.1 傳感器方法

精細(xì)霧化噴頭噴出的水霧產(chǎn)生的壓力非常小，用測量液體壓力的傳感器檢測則靈敏度不夠，而測量小壓力的氣體壓力傳感器多數(shù)都不適合檢測潮濕的水霧，因此壓力傳感器不適用于檢測精細(xì)霧化噴頭噴霧圓錐的錐角。

以直徑為18 mm的電容式接近開關(guān)傳感器進行試驗，因水霧的霧滴很小，少量霧滴噴在電容式接近開關(guān)的感知面上，電容量無明顯變化，無法觸發(fā)電容式接近開關(guān)使它發(fā)出信號，只有當(dāng)很多水霧在電容式接近開關(guān)的感知面上聚集成水滴后，才能觸發(fā)并發(fā)出信號。此方法檢測每個精細(xì)霧化噴頭時，需經(jīng)歷較長的等待時間，檢測效率低下。

2.2 機器視覺方法

機器視覺系統(tǒng)包括鏡頭、圖像傳感器(CCD，CMOS圖像攝取裝置)、光源、計算機、圖像處理與分析、視覺系統(tǒng)控制單元[1]。相較傳統(tǒng)人工檢測的測量快速、準(zhǔn)確，可大幅降低工人勞動強度，能夠?qū)崿F(xiàn)高效生產(chǎn)和自動化。使用機器視覺檢測方法可以實現(xiàn)精細(xì)霧化噴頭出廠前的全數(shù)檢驗，避免抽檢帶來的不合格品出廠。同時，機器視覺檢測也是人工智能快速發(fā)展的一個分支，采用這種方式升級傳統(tǒng)制造業(yè)也是近年來國家大力提倡的。

2.2.1 鏡頭選擇

霧化噴頭檢測時要噴出大量的霧氣，設(shè)備在高潮濕環(huán)境下工作，對機器視覺系統(tǒng)的選擇帶來了一定難度。要求視覺系統(tǒng)的鏡頭到噴霧口的距離不小于300 mm，且要放在霧化噴頭的上方，最大程度地減少霧氣對鏡頭的影響。

為了降低機器視覺系統(tǒng)的成本，選用業(yè)內(nèi)常用的300萬像素定焦鏡頭，確定視野范圍約為40 mm，靶面為17 mm，可以為圖像處理與分析提供高清晰的圖片。檢測設(shè)備采用靜止取相的方法拍照，使用12.7 mm面陣相機，為了與鏡頭的清晰度相適應(yīng)，宜選用百萬像素以上的逐行掃描相機。

2.2.2 光源選擇

由于檢測設(shè)備是在高潮濕環(huán)境下工作的，市面上絕大多數(shù)機器視覺成品光源都不適合，可使用綜合性價比較高的防潮LED光源。機器視覺系統(tǒng)中照明最重要的任務(wù)是使需要被觀察的圖像特征與被忽略的圖像特征間產(chǎn)生最大的對比度，即要被分析的特征與其周圍的背景區(qū)域間要有足夠的灰度梯度，從而易于特征區(qū)分，否則會導(dǎo)致閾值選擇困難。但噴頭噴出的霧氣呈現(xiàn)半透明狀態(tài)，與空氣間無十分明確的邊界，給構(gòu)建照明環(huán)境帶來了一定的挑戰(zhàn)。

為了增加圖像的對比度，在水霧的下面放置一塊攝影黑色植絨吸光布，如圖2所示。剛開始的時候效果很好，但當(dāng)吸光布吸滿水后，水的反光使相機取得的照片無法區(qū)分水霧區(qū)域。之后，取消黑色植絨吸光布，讓水霧以下部分長距離透空、無任何物體遮擋，解決了這個問題。

1—霧化噴頭；2—相機；3—細(xì)霧；4—黑色植絨吸光布。

由于水霧從噴口噴出以后濃度逐步遞減，要計算水霧的邊緣，只能在噴口附近水霧濃度比較高的區(qū)域取像分析噴霧圓錐的錐角，所以光源要照亮的地方是噴霧口附近區(qū)域。筆者嘗試用點光源照明，發(fā)現(xiàn)照明面積太小，不足以將噴霧口附近的區(qū)域全部照亮；但照明面積太大，超出噴霧區(qū)域的光會將周圍的物體照亮，導(dǎo)致圖像里面的霧氣部分與周圍物體難以分辨。因此，選用小面積的LED防水燈來做照明光源，其功率宜為0.5 W～4.0 W，太大則光線會穿過半透明的霧氣照亮周圍物體，會造成圖像里面霧氣部分難與周圍物體區(qū)分的情況。

2.2.3 照明布局

為了自動化檢測設(shè)備布局靈活多變，未采用市面上常見的、光源軸心線垂直于霧氣噴射軸線的照明方式，對于不十分濃厚的霧氣(水低壓精細(xì)霧化噴頭)，可選用2個LED光源平行于霧氣兩邊邊緣的方式照明，避免阻擋造成噴出霧氣回流而影響照片清晰度的問題；對于非常濃厚的霧氣(水高壓精細(xì)霧化噴頭)，可用1個LED光源放置在霧氣噴射軸線上的方式進行照明。試驗表明，這兩種照明方法都能得到比較好的圖像，給后面的圖像處理與分析奠定了基礎(chǔ)。為減少其它光線的干擾，在檢測設(shè)備的周圍做了一個半封閉的不銹鋼柜子進行遮擋，避免了其它干擾光線對圖像的不利影響。

計算機對取得的圖像采取2種處理方法判斷產(chǎn)品是否合格。一種方法是通過取得水霧兩側(cè)明亮的邊界，計算兩邊明亮邊界線的夾角度數(shù)進行判斷；另一種方法是將合格品與各種類型的廢品進行分類，并積累足夠多的產(chǎn)品圖片樣本給計算機，讓計算機通過機器學(xué)習(xí)的人工智能方法獲得對各種類型產(chǎn)品的判斷能力，進而完成大量出廠產(chǎn)品的檢測。

3 檢測裝置密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

精細(xì)霧化噴頭用螺紋連接在管接頭上并壓緊密封圈實現(xiàn)對液體密封，所以現(xiàn)有霧化噴頭檢測設(shè)備也采取相同方式連接，之后通入高壓液體檢測噴霧圓錐的錐角大小。這使每個霧化噴頭檢測時都要經(jīng)過螺紋擰上管座、加壓檢測完成后再擰下的過程，拆裝用時長、檢測效率低。因此，技術(shù)人員在檢測設(shè)備中設(shè)計了類似快速接頭的結(jié)構(gòu)方式來實現(xiàn)密封。

精細(xì)霧化噴頭檢測裝置密封結(jié)構(gòu)見圖3[2]，其中A區(qū)域上方是相機、下方全部透空。霧化噴頭置于擋板與帶有進液口的頂桿之間，頂桿向前加壓將密封圈和噴頭頂在擋板上完成密封。因為采用光源光線與霧氣軸線小于80°的照明方式，將噴霧檢測設(shè)備放置光源的位置讓給擋板，使此設(shè)備可以用頂壓的方式快速完成密封，節(jié)省了霧化噴頭擰上去、檢測完成再擰下來的時間，大大加快了檢測速度，提高了檢測效率。在拍照范圍內(nèi)的擋板等機械零件用黑色材料制造，可提高相片中水霧與周圍物體的對比度，更有利于機器視覺的圖像處理與分析。

1—精細(xì)霧；2—擋板；3—霧化噴頭；4—密封圈；5—進液口。

4 檢測裝置使用效果

精細(xì)霧化噴頭檢測裝置視覺顯示界面如圖4所示。用上述機器視覺方法和機械結(jié)構(gòu)，結(jié)合自動上料裝置、計算機圖像處理與分析單元和PLC控制的霧化噴頭不合格品自動剔除單元，制造的全自動霧化噴頭檢測裝置，經(jīng)過幾年的使用取得了良好的效果。單位時間內(nèi)檢測的產(chǎn)品數(shù)量是人工檢測的2～3倍，且出廠產(chǎn)品全部合格，大幅降低了工人的勞動強度。

圖4 精細(xì)霧化噴頭檢測裝置視覺顯示界面