摘要：針對(duì)鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)帶鋼振動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題，提出了一種通過(guò)多視頻探頭進(jìn)行多截面視頻同步采集的帶鋼整體振動(dòng)檢測(cè)方案。在每個(gè)測(cè)量截面處，利用激光垂直照射形成5個(gè)光斑，將攝像頭與帶鋼表面成45°角布置，直接拍攝光斑陣列，對(duì)視頻序列中的光斑位移進(jìn)行分析，即可計(jì)算出各個(gè)光斑處的帶鋼振動(dòng)。采集過(guò)程中，通過(guò)RS485總線(xiàn)發(fā)布同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多截面視頻采集的同步，且可保證近60m距離的同步可靠性。在同步報(bào)文中包含序列號(hào)，從而避免因以太網(wǎng)輸延遲造成多采集模塊數(shù)據(jù)匹配錯(cuò)誤。在某鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該方案可行。
關(guān)鍵詞：帶鋼振動(dòng)檢測(cè)；視頻采集；同步；串行通信

    鍍鋅生產(chǎn)過(guò)程中的帶鋼振動(dòng)直接影響鋅層厚度及均勻性，既降低產(chǎn)品質(zhì)量，又導(dǎo)致鋅液過(guò)度消耗，增加生產(chǎn)成本。無(wú)論是通過(guò)尋找振源從根本上消除振動(dòng)，還是通過(guò)電磁鐵等進(jìn)行主動(dòng)減振，都離不開(kāi)振動(dòng)的檢測(cè)。為了保護(hù)帶鋼表面，不能采用任何接觸式振動(dòng)檢測(cè)手段。目前比較常用的檢測(cè)方案包括渦流探頭和光學(xué)探頭兩類(lèi)，前者為了達(dá)到所需要的量程，必須采用大直徑的探頭，系統(tǒng)造價(jià)頗高；后者在多截面測(cè)量時(shí)又存在多探頭數(shù)據(jù)的同步問(wèn)題。
    探索切實(shí)可行的光學(xué)檢測(cè)方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文介紹的方案以激光三角法測(cè)距原理為基礎(chǔ)，通過(guò)RS485總線(xiàn)廣播同步觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了多截面振動(dòng)的同步測(cè)量。

1 多截面振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體方案
1．1 帶鋼整體振動(dòng)檢測(cè)方案
    圖1所示為鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)簡(jiǎn)圖，要檢測(cè)帶鋼的整體振動(dòng)情況，必須檢測(cè)多個(gè)截面的振動(dòng)情況，具體取決于帶鋼振動(dòng)的模式，以及允許布置探頭的位置。圖2所示為通過(guò)3個(gè)截面對(duì)帶鋼振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)方案，圖中3段帶鋼表示的是同一條帶鋼上的3個(gè)部分。每個(gè)截面上通過(guò)激光器均勻的投射出5個(gè)等間的光斑，每個(gè)攝像頭的視野必須覆蓋它所對(duì)應(yīng)的5個(gè)光斑，通過(guò)攝像機(jī)鏡頭后，這5個(gè)光斑在感光器件上成像，如果鋼帶振動(dòng)，像的位置就會(huì)相應(yīng)變化，每個(gè)光斑像的位移與帶鋼振動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以通過(guò)三角法簡(jiǎn)單確定。圖3所示為垂直于帶鋼且通過(guò)5個(gè)光斑的某個(gè)水平截面的光路圖。

    這里以中心光斑為例，假設(shè)其與鏡頭的距離為a，鏡頭與感光器件的距離為b，感光器件的法線(xiàn)與帶鋼成45°夾角，當(dāng)帶鋼在中心光斑處產(chǎn)生位移e時(shí)，其在平行于感光元件的方向的投影為e．cos45°，在感光元件上產(chǎn)生的位移為：
    e’=(ecos α)b／a
    當(dāng)α=45°時(shí)，
    e’=0．707eb／a (1)
    由式(1)可見(jiàn)，采用較大的α值，對(duì)于相同的e可以得到更大的e’值，但是各個(gè)光斑成像差異變大，且攝像機(jī)不容易聚焦，通常取α=45°。
    對(duì)上式簡(jiǎn)單變換即可得到
    e=(1．414a／b)e’ (2)
    通過(guò)式(2)即可根據(jù)光斑像的位置變化計(jì)算對(duì)應(yīng)光斑處的帶鋼振動(dòng)。
    對(duì)千其他4個(gè)光斑，可以做相同的分析，但各個(gè)光斑的a值和α不同，當(dāng)a較大時(shí)，各個(gè)光斑對(duì)應(yīng)的α近似相同，5個(gè)光斑處的帶鋼振動(dòng)均可近似采用上述同一個(gè)公式計(jì)算。
    同樣道理，可以得到每個(gè)測(cè)量截面處的帶鋼振動(dòng)情況，但如果各個(gè)界面分別獨(dú)立測(cè)量，則無(wú)法據(jù)此分析帶鋼的整體振動(dòng)，因此必須采用各截面同步采集方案。
1．2 視頻采集模塊設(shè)計(jì)
    為了有效檢測(cè)帶鋼振動(dòng)，視頻采集模塊必須滿(mǎn)足時(shí)間分辨率和空間分辨率要求。所謂時(shí)間分辨率要求即攝像頭的幀速率與帶鋼振動(dòng)頻率相比必須滿(mǎn)足采樣定理，通常帶鋼振動(dòng)頻率僅3～5 Hz，因此采用幀速率為10幀／秒以上的攝像頭均可滿(mǎn)足要求；所謂空間分辨率要求即感光器件上相鄰像素間距所對(duì)應(yīng)的帶鋼振動(dòng)位移是否滿(mǎn)足檢測(cè)需求，這與a、b、α均相關(guān)。實(shí)際系統(tǒng)中，往往采用可調(diào)焦距攝像頭，通過(guò)選擇合適的焦距，讓感光元件在寬度上覆蓋整個(gè)帶鋼寬度，當(dāng)然可以捕獲5個(gè)光斑的影像。假設(shè)帶鋼寬度為1 100mm，5個(gè)光斑等間隔分布在寬度為1000 mm的范圍內(nèi)，感光元件每行有效像素為720，考慮到兩端留有一定余量，假設(shè)5個(gè)光斑對(duì)應(yīng)的有效像素?cái)?shù)量為700，即感光元件上的相鄰光斑像間隔為140像素，那么相鄰兩個(gè)像素對(duì)應(yīng)的帶鋼振動(dòng)位移可以通過(guò)計(jì)算得到，其值約為1mm，即該系統(tǒng)的空間分辨率為1mm?？梢?jiàn)分辨率不高，但由于帶鋼振動(dòng)幅度較大，通常可達(dá)10mm以上，因此對(duì)于分析振動(dòng)規(guī)律，還是能夠滿(mǎn)足要求的。
    實(shí)驗(yàn)所采用的攝像頭感光元件為130萬(wàn)像素的OV9650數(shù)字圖像傳感器，其最高分辨率可達(dá)1280x1024，其中有十位的數(shù)據(jù)接口用于數(shù)據(jù)傳輸，還有標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口用于實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭中寄存器的初始化。

    視頻采集模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。ARM平臺(tái)通過(guò)RS485接口接收同步廣播信號(hào)，啟動(dòng)并獲取OV9650攝像頭的數(shù)字輸出，最后通過(guò)TCP／  IP協(xié)議上傳到主控計(jì)算機(jī)。

2 多通道視頻采集同步方案
    多個(gè)視頻采集模塊的同步采集依賴(lài)RS485同步廣播實(shí)現(xiàn)，同步廣播的發(fā)出者是一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)定時(shí)模塊，稱(chēng)為同步器，其同步報(bào)文的播發(fā)間隔可以根據(jù)需要設(shè)定，但不能超過(guò)攝像頭的最高幀速率。
2．1 同步器的結(jié)構(gòu)原理
    同步器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模塊由單片機(jī)、設(shè)定按鈕、狀態(tài)及播發(fā)間隔顯示以及RS485發(fā)送接口等組成。其中設(shè)定按鈕用于根據(jù)需要改變播發(fā)間隔，顯示部分用于顯示工作狀態(tài)并配合實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定。這里采用PS485接口的目的之一是便于實(shí)現(xiàn)廣播式通信，二是各個(gè)采樣模塊距離達(dá)數(shù)十米，且工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往存在電磁干擾，如果采用RS232難以保證可靠通信。其次，沒(méi)有采用直接中斷式同步的原因是希望通過(guò)RS485播發(fā)采樣序列號(hào)，以實(shí)現(xiàn)更大時(shí)間跨度的同步。事實(shí)上，本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓步結(jié)構(gòu)是以同步器為主節(jié)點(diǎn)、其他所有采集模塊為從節(jié)點(diǎn)的主從式總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。

    同步器啟動(dòng)后，AT89C2051單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器確定時(shí)間間隔，然后定時(shí)向RS485總線(xiàn)播發(fā)采集同步信號(hào)，每個(gè)采集器必然同時(shí)收到同步信號(hào)，并通過(guò)完全相同的程序啟動(dòng)采集，同步信號(hào)內(nèi)部含有采樣序號(hào)，ARM平臺(tái)獲取采樣數(shù)據(jù)并上傳時(shí)，數(shù)據(jù)包中將包含這個(gè)采樣序號(hào)，這樣可以避免由于以太網(wǎng)傳輸延遲而導(dǎo)致的各個(gè)采集模塊數(shù)據(jù)錯(cuò)誤匹配問(wèn)題。
2．2 視頻同步采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    整個(gè)同步采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。運(yùn)行過(guò)程中，同步器按照既定的間隔定時(shí)播發(fā)含有序列號(hào)的同步消息，通知采集模塊進(jìn)行視頻采集，然后連同序列號(hào)打包后通過(guò)集線(xiàn)器發(fā)送到主控計(jì)算機(jī)，由主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)的位移判別、計(jì)算等工作，最終給出整體振動(dòng)情況。

3 同步精度分析
    1)以太網(wǎng)傳輸延遲問(wèn)題本文介紹的系統(tǒng)采用RS485總線(xiàn)定時(shí)播發(fā)含有序列號(hào)的報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)多采集模塊的同步。序列號(hào)的生成規(guī)則采用簡(jiǎn)單的0～255循環(huán)方式，如果攝像頭的采集速率為25幀／秒，那么再次播發(fā)相同序列號(hào)的時(shí)間間隔超過(guò)10 s。則只要以太網(wǎng)的傳輸延遲不超過(guò)10s，在主控計(jì)算機(jī)端處理采樣數(shù)據(jù)時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤。
    2)采集啟動(dòng)延遲問(wèn)題各個(gè)采集模塊是同一個(gè)方案的多個(gè)拷貝，結(jié)構(gòu)、程序完全相同，因此對(duì)RS485同步報(bào)文的響應(yīng)處理延遲也應(yīng)該是相同，唯一可能造成采樣啟動(dòng)時(shí)間誤差的因素就是以太網(wǎng)傳輸過(guò)程的管理，實(shí)驗(yàn)證明這種時(shí)間誤差在10ms量級(jí)，這相對(duì)于200～300 ms的帶鋼振動(dòng)周期來(lái)講是可以忽略的。

4 結(jié)束語(yǔ)
    筆者分析研究了通過(guò)視頻采集實(shí)現(xiàn)帶鋼振動(dòng)檢測(cè)的原理與方法，探討了空間、時(shí)間分辨率確定原則；采用自制同步器，通過(guò)BS485總線(xiàn)定時(shí)播發(fā)同步報(bào)文，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)視頻采集模塊的同步采樣；在同步報(bào)文中添加序列號(hào)，避免了因以太網(wǎng)傳輸延遲的不確定性而可能造成的各個(gè)采集模塊之間的數(shù)據(jù)包匹配錯(cuò)誤問(wèn)題；為鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)的帶鋼振動(dòng)整體檢測(cè)提供了一種可行的方案。