专利名称：用于监视和检测塑料包装密封部中的缺陷的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于检测塑料密封中的缺陷的方法和设备，更具体地来说，涉及使用红外成像系统检测塑料密封中的缺陷的方法和设备。
背景技术：
数以千计的不同产品采用多种塑料容器来包装。食品业将它们用于诸如速冻匹萨、速冻蔬菜和苏打水等货品。医疗业中将塑料袋用于TV溶液和血液。在一些情况中，失效的密封部可能影响产品的保存期或使污染物进入。在另一个情况中，如装片状洗涤剂，失效的密封部对于用户来说恰好是麻烦。在任何情况中，失效的密封部最终反映供应商的质量形象，这可能导致将来销售的下滑。
对于一些应用来说，产品密封在内部，而对另一些应用来说，产品是专业塑料袋。无论最终产品中进行密封还是仅仅执行密封来制成密封袋，加工过程都是相似的。沿着生产线将产品编索引(index)，产品进入热压装置。压装置夹住要密封的区域，然后施热，直到塑料部分熔化在一起为止。在释放压装置之前，移除热装置以启动冷却循环。对编索引到位置的下一个部件重复该循环。制造商尽可能快的运行该循环，以使产出率最大化，但是遗憾的是密封缺陷随着该循环速度的增加而增多。
热成像系统既可以用作增加循环速度的工具，也可以用作自动故障检测系统。
在结合附图阅读下文时，本发明的目的、特征和优点将变得显而易见。
图1是根据本公开内容的一个实施例、构造用于检测塑料密封部中缺陷的红外成像系统的一个示例的立体图；图2是图1的红外成像系统的框图；图3是从图1的红外成像系统获得的多个密封部的局部热像的示例；以及图4是使用图1的红外成像系统监视并检测热密封部中的缺陷的一个示范操作的流程图。
本文描述的方法和设备易于设想到多种修改和备选构造，而附图中示出的是其某些示范实施例，下文将对这些示范实施例予以描述。但是，应该理解并没有意图要将本发明局限于所公开的特定形式，相反，本发明要涵盖落在公开内容和所附权利要求的精神和范围内的所有修改、备选构造和等效物。
具体实施例方式
现在参考附图，具体参考图1，参考编号20一般性地指示根据本公开内容的原理构造的红外成像系统。本文如图所示，成像系统20包括基于红外线的热成像摄像机22，它在通信上耦合到如通用PC或控制器的计算部件24，计算部件24包括用于实施成像系统的应用软件。控制器24可以设在摄像机22外部，如图1和2所示，或可以设在摄像机内部(图2中以虚线所示)。用于将PC与摄像机22耦合的接口26、如数字帧抓取器26可以设在控制器24和摄像机22之间。如图1一般性图示的以及图4中详细图示的，热成像器22捕捉一个或多个最近形成的密封部28的热像。然后由预编程的控制器24处理和评估热像以确定密封部28是否属于可接受的质量。
不同供应商提供可适用于此应用的热成像器。一种常见类型的红外摄像机是基于微测辐射热计技术的，它具有7至14微米的典型光谱响应范围。大多数包装材料使用具有此区域中透射度变化的薄塑料。透射越大，摄像机看到非包装材料的背景越多。塑料具有一部分基本比另一部分更不透明的各区域。有许多塑料配方将移位最不透明区域所在的位置。为了使摄像机对密封部28中缺陷的灵敏度最大化，摄像机的光谱响应应该针对目标材料。当缩小光谱范围时摄像机性能有所折损，所以最好是使光谱范围尽可能宽。对于微测辐射热计摄像机，好的折中是7.5至8.2微米的区域。但是，对于其他类型的摄像机，以接近3.4微米为中心的区域可能工作得更好。
如图2所示，摄像机22包括在操作上连接到检测器或检测器阵列32的镜头30。摄像机22还可以包括光谱过滤器，用于精密地与密封部28或目标材料的辐射特征匹配。镜头30以光学方式压缩密封部28的热像并将其引导到检测器或检测器阵列32。典型阵列32具有产生76800个测量点或像素的320×240像素的视频格式，但是其他阵列设计可以使用其他格式，包括但不限于640×480和160×120。阵列32在操作上连接到多个阵列电子元件34，这些电子元件34将阵列32每部分中的信息转换成电子信号。
在一个示范实施例中，通过数字帧抓取器26将结果填充在控制器24中的存储块来将检测器输出数字化。例如，帧抓取器26可用于将视频信息数字化和/或存储在位图中。帧抓取器可以是单独的单元或可以是内置于摄像机22中的视频图形板中的功能。
预编程并存储在控制器24中的应用软件可以具有一个或多个组件。应用软件的一个组件是部件检测例行程序。可以使用外部信号以在每个块进入视线时向块发出信号，但是软件的自动检测逻辑可以简化客户接口要求。例如，因为包含密封部28的部件或目标在摄像机22的视场中移动，所以由于目标上的热活动而将有一些像素显示信号的升高。与之相对的，一些像素将由于目标上发生的自然热衰减而显示信号的下降也是事实。当目标为固定时，此类热衰减也是存在的。因此，读取信号的下降可能是不可靠的检测运动的方式。
其中三个变量可能影响这种技术的可靠性。一个变量是热成像摄像机22中的固有噪声，可以通过温度阈值德尔塔调整来计及(account for)或覆盖所述固有噪声。另一个变量是慢速移动目标，这可能不会显示帧之间的足够信号变化。可以通过在信号改变超过噪声阈值之前需要最小帧数量的设置来计及该变量。最后，可以通过绝对最小阈值温度调整来防止或计及误启动或误触发。
应用软件的另一个组件是图像过滤例行程序。图像噪声过滤依赖如下概念，热的物体将以指数衰减速率冷却，直到它与其环境达到热均衡为止。当目标是固定的时，例行程序从每个帧收集每个像素上的数据，通常为76800个点。使用标准曲线拟合技术(例如高斯减法)为每个个体像素位置计算最佳拟合曲线。使用此类等式，得到具有变化率的净热像。甚至使用这些等式对于任何时间点外推图像图案是可能的。变化率对于检测某些类型的密封错误(fault)来说是重要的。务必注意的是，虽然指数等式对于外推观察期以外的图像是最佳的，但是简单的线性等式对于错误检测逻辑通常也是足够的。
应用软件的另一个组件通常在视觉行业称为斑点分析(blobanalysis)。斑点结果由转换图像的视觉系统的常见功能产生，以使它仅包含黑像素和白像素，并由此从图像移除任何灰影。这通过将每个原始像素值与某个阈值比较来实现。如果值大于阈值，则使对应的斑点像素为白，否则将其设为黑。所得到的斑点图案有时更易于结合定位部件和对部件执行量纲分析来使用。
换言之，根据热成像器22获得的热像生成二值图案。如果像素超过某个阈值，则将其设为1，否则将其设为0。斑点图案由密封部缺陷分析处理的像素来定义。在一些场合中，生成密封部区域的完整热轮廓是可能的，其中包括缺陷区域，因为所有这些区域都被加热了。因此，无需参考图像或数据，因为密封部分析可以通过彼此相对地比较或分析密封部区域和密封部28的各部分来完成。
在其他场合中，将需要依赖来自已知良好的参考图像的斑点数据。在现实过程中，图像位置将稍微从一个部件移位到另一个部件。不使用参考的好处在于，无需软件重新将测试图像与参考图像对齐。不使用参考图像的缺点在于很少有失效检测标准供选择。当然用户可以选择同时使用基于参考的方案和基于非参考的方案，以便减少误缺陷信号或漏检的错误。
应用软件的另一个组件提供斑点图案的细化处理，以便使斑点图案在热错误检测方案中有用。具体来说，接近密封部28边缘的数据可以指示实质上低于它们应该处在的温度的温度。这主要是因为实际的密封部边界并不与摄像机的像素边界对齐，但是也可能是因为向相邻较冷区域的漏热或其他因素所致。因此，软件可以使用斑点变瘦(thin)或斑点变胖(fat)例行程序来影响密封部28的边界。
一种变瘦方案基于查看任何特定像素的8个周围像素。如果周围像素全是1，则将1写入新斑点，否则写入0。其他修剪或变瘦方案可能在某些环境下证明是有用的。例如，如果密封部28恰好是水平条，可能只想查看密封部28上面和下面的像素。
用于将斑点图案与参考斑点对齐的一种变胖方案例如包括，查看像素的8个周围像素，并且如果任何一个周围像素是1，则写入1，如果它们全是零，则写入0。然后将图像相对于参考图像向上、向下、向左和向右递增合理数量的像素。然后假定调整的对齐是产生最高相关性的位置。
另一种斑点细化方案允许用户以手动方式编辑对图像的参考斑点添加或减少，但是除了本文公开的这些以外，还可以使用许多其他斑点化方案。
应用软件的另一个组件提供对密封部28中的错误或失效的检测。可以使用参考或非参考检测方案来检测这些错误。
有两个方案用于在不比较参考的情况下检测错误。这两种方案分别仅查看斑点图案具有1的位置处的热数据值。第一种方案查看绝对温度，如果有任何像素低于某个可调阈值，则指示错误。第二种方案查看像素的变化速率，如果有任何像素低于某个可调阈值，则指示错误。变化率方案最适合检测在密封部区域中发生的源自额外材料的错误。额外材料可以来自塑料中的褶皱或其他杂物。该材料在压装置中仍达到相同绝对温度，但是较大的质量使冷却速率减慢，因此被检测到。
当与参考比较时有多种错误检测方案可以实现。一种技术是计算测试图像与参考图像之间的相关性。仅使用对应于厚斑点结果的热数据可以提高此技术的灵敏度。其他技术可以包括标准偏差或图像之间的最大偏差，但是除了本文公开的这些以外，还可以使用许多其他错误检测方案。
能以多种方式在逻辑上组合每种检测方案的结果以产生单个通过失败指示。系统可以提供将通过/失败结果通知给用户的一个或多个方法。两个常用输出可以是基于继电器触点和TCP/IP的通信。还能以多种其他方式通过多种类型的输出装置来利用这些检测方案的结果。例如，控制器24的输出能以通信方式耦合到监视器或显示器以供查看密封部28。
在操作中，可以使用成像系统20来检测密封部28中的错误，并可以使用成像系统20来测量密封部28的质量。密封部28可以采用许多形状和形式，并可以应用于广泛的多种应用和环境中，但是为了简明，本文所用的密封部28是如图3所示由两个塑料层接合构成的简单密封部。
在密封部形成和密封部检查过程中，两层塑料可以置于传送系统31上(图1)等。随着密封部28进入热成像摄像机22的视线，成像系统20可以获取密封部28的一个或多个热像。热像可以用于索引或定位密封部28(框100)，但是还可以用于后续分析。
或者可以在框102获取用于分析密封部28的的单独热像。一旦获取了热像，成像系统20就可以启动过滤例行程序以增强图像质量(框104)。在框106，可以将热像转换成斑点图像或图案，然后可以在框108进行细化。使用参考或非参考方法，分别如框112和110所示，成像系统20可以检查密封部28以确定密封部28中是否存在错误或其他非期望的质量，或确定密封部28是否满足要求。例如，如图2所示，由密封部28产生的图像可以显示冷点或冷区36，指示密封部28可能太薄或在密封成型过程中在密封部28中产生了空洞。与此相反，由密封部28产生的图像可以显示热点或热区38，指示密封部28可能太厚或额外的塑料层或杂物层形成了密封部28的一部分。然后能以多种方式利用来自检查密封部28得到的信息。例如，如果密封部28的质量是不可接受的，则在框118将信息存储在通信上耦合到成像系统20的PC或控制器24或其他电子装置上，在框114可以使用该信息激活信号或警报、例如“良好”或“不良”和/或在框116可以使用该信息来调整或改变制造过程。但是如果密封部28的质量是可接受的，则继续检查其他密封部。
虽然成像系统20的某些实施例在本文中是根据本公开内容原理来描述的，但是本专利的覆盖范围并不局限于此。相反，本专利涵盖完全落在容许的等效物的范围内的本公开内容原理的所有实施例。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种用于监视并检测热密封缺陷的设备，包括沿生产线安装的热成像器，在所述生产线上传输具有至少一个最近形成的热密封部的物体；具有输入和输出的控制器，所述输入在通信上耦合到所述热成像器用于接收所述热密封部的热像数据，所述控制器编程为检测所述热密封部上的热区和冷区的至少一个区，并且所述控制器编程为获得所述至少一个区的热变化率信息；以及在通信上耦合到所述控制器的输出的输出装置，其中所述输出装置指示密封部检测的结果。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输出装置是指示所述密封部检测的显示器。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输出装置是在检测到所述热区和所述冷区的至少一个区时被激活的警报。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器编程为利用所述热变化率信息来产生斑点图案。
5.如权利要求1所述的设备，还包括位于所述控制器外部的索引装置，其中所述索引装置沿生产线安装，并相对于所述热成像器将所述物体编索引。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器编程为使根据所述密封部的热像产生的斑点图案变瘦。
7.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器编程为使根据所述密封部的热像产生的斑点图案变胖。
8.如权利要求1所述的设备，还包括用于与所述热像数据进行比较的参考图像。
9.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器编程为利用根据所述物体的热像产生的斑点图案相对于所述热成像器将所述物体编索引。
10.如权利要求1所述的设备，还包括光谱过滤器，用于精密地与所述物体的辐射特征匹配。
11.一种用于沿生产线监视并检测热密封缺陷的方法，包括捕捉在所述生产线上传输的物体上最近形成的热密封部的热像；将所述热像转换成多个像素；捕捉最近形成的热密封部的第二热像；获得所述多个像素的至少其中之一的热变化率；将所述像素分组成至少第一组和第二组；以及分析所述第一组和所述第二组的像素。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，分析所述像素包括将所述第一组和所述第二组的至少其中之一的像素与参考图像比较。
13.如权利要求11所述的方法，还包括相对于所述热成像器将所述物体编索引。
14.如权利要求11所述的方法，还包括使根据所述像素产生的图像变瘦。
15.如权利要求11所述的方法，还包括使根据所述像素产生的图像变胖。
16.如权利要求11所述的错误检测系统，还包括将所述热像元素的元素与指数等式的阵列拟合，然后使用所述指数等式来产生由至少一个错误检测算法处理的图像。
17.一种用于在生产线上将多种材料熔合在一起而产生的热密封部的错误检测系统，包括热成像摄像机；以及在操作上耦合到所述热成像摄像机和输出装置的控制器；所述控制器编程为存储与所述错误检测系统相关的应用软件，所述控制器编程为处理从所述热图像摄像机接收的图像，以及所述控制器编程为获得所述图像的热变化率信息，所述控制器编程为使用所处理的图像来检测所述热密封部中的错误。
18.如权利要求17所述的错误检测系统，其特征在于，所述热成像器包括光谱过滤器，用于精密地与目标材料的辐射特征匹配。
19.如权利要求17所述的错误检测系统，其特征在于，所述控制器编程为将所述热像的像素分成至少第一组和第二组。
20.如权利要求17所述的错误检测系统，其特征在于，所述控制器编程为将所述热像与参考图像比较。
权利要求
1.一种用于监视并检测热密封缺陷的设备，包括沿生产线安装的热成像器，在所述生产线上传输具有至少一个最近形成的热密封部的物体；具有输入和输出的控制器，所述输入在通信上耦合到所述热成像器用于接收所述热密封部的热像数据，所述控制器编程为检测所述热密封部上的热区和冷区的至少一个区；以及在通信上耦合到所述控制器的输出的输出装置，其中所述输出装置指示密封部检测的结果。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输出装置是指示所述密封部检测的显示器。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输出装置是在检测到所述热区和所述冷区的至少一个区时被激活的警报。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器编程为根据所述热像数据产生斑点图案。
5.如权利要求1所述的设备，还包括位于所述控制器外部的索引装置，其中所述索引装置沿生产线安装，并相对于所述热成像器将所述物体编索引。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器编程为使根据所述密封部的热像产生的斑点图案变瘦。
7.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器编程为使根据所述密封部的热像产生的斑点图案变胖。
8.如权利要求1所述的设备，还包括用于与所述热像数据进行比较的参考图像。
9.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器编程为利用根据所述物体的热像产生的斑点图案相对于所述热成像器将所述物体编索引。
10.如权利要求1所述的设备，还包括光谱过滤器，用于精密地与所述物体的辐射特征匹配。
11.一种用于监视并检测热密封缺陷的方法，包括沿生产线设置热成像器，在所述生产线上传输具有至少一个最近形成的热密封部的物体；捕捉所述热密封部的热像；将所述热像转换成多个像素；将所述像素分组成至少第一组和第二组；以及分析所述第一组和所述第二组的像素。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，分析所述像素包括将所述第一组和所述第二组的至少其中之一的像素与参考图像比较。
13.如权利要求11所述的方法，还包括相对于所述热成像器将所述物体编索引。
14.如权利要求11所述的方法，还包括使根据所述像素产生的图像变瘦。
15.如权利要求11所述的方法，还包括使根据所述像素产生的图像变胖。
16.如权利要求11所述的错误检测系统，还包括将所述热像元素的元素与指数等式的阵列拟合，然后使用所述指数等式来产生由至少一个错误检测算法处理的图像。
17.一种用于在生产线上将多种材料熔合在一起而产生的热密封部的错误检测系统，包括热成像摄像机；以及在操作上耦合到所述热成像摄像机和输出装置的控制器；所述控制器编程为存储与所述错误检测系统相关的应用软件，所述控制器编程为处理从所述热图像摄像机接收的图像，以及所述控制器编程为使用所处理的图像来检测所述热密封部中的错误。
18.如权利要求17所述的错误检测系统，其特征在于，所述热成像器包括光谱过滤器，用于精密地与目标材料的辐射特征匹配。
19.如权利要求17所述的错误检测系统，其特征在于，所述控制器编程为将所述热像的像素分成至少第一组和第二组。
20.如权利要求17所述的错误检测系统，其特征在于，所述控制器编程为将所述热像与参考图像比较。
全文摘要
一种用于监视并检测热密封缺陷的设备包括热成像器、控制器和输出装置。热成像器沿生产线安装，该生产线传输具有至少一个最近形成的热密封部的物体。该控制器包括输入和输出，该输入在通信上耦合到热成像器用于接收热密封部的热像数据。该控制器编程为检测热密封部上的热区和冷区的至少一个区。输出装置在通信上耦合到所述控制器的输出，并指示密封部检测的结果。
文档编号G01J5/00GK101027548SQ200580028565
公开日2007年8月29日 申请日期2005年6月23日 优先权日2004年6月24日
发明者S·伊纳托维茨 申请人:埃尔康公司