一种基于双目视觉的镁熔液含氢量检测装置的制作方法

本实用新型属于有色冶金熔炼行业中的金属液态质量检测领域，具体涉及一种基于双目视觉的有色金属液态质量含氢量的检测装置。

背景技术：

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、减振性和散热性好等优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”。但镁合金铸件中显微气孔的存在，严重地影响镁合金的力学性能，如抗拉强度、屈服强度、延伸率等。研究表明显微气孔主要来源于镁熔液中的氢，因此镁熔液中含氢量的检测成为控制镁合金铸件质量的关键。

传统的镁熔液含氢量检测方法大体上分为取样法和直接测定法。

取样法是先用镁熔液浇注成固态样品，然后从镁样品中抽真空萃取氢，再将萃取的氢气在气相色谱仪中分析从而确定氢含量的检测方法，如真空萃取法等。减压凝固法^[1]也可归于取样法，其需要对镁熔液样本进行抽真空凝固，使氢气泡来不及析出而停留在镁合金固体中，然后用测量密度的方法近似表征氢在镁合金熔体中的浓度，该检测方法的前提条件是在减压凝固过程中气体没有从镁合金熔体中溢出；没有气体固溶在镁合金中，只是从熔体中析出，其在试样中以气泡的形式存在。

氢分离法^[2]是直接测定方法的常用方法。首先氢气的分离发生在分离管内，一端连接到氩气供给出口，另一端接到一组气体收集器；其次将预热后的分离管垂直浸入镁熔液中到一定深度，由于压力差的作用使镁熔液进入分离管；然后氩气喷嘴经加热除湿后连到分离管开放的进口端，经过氩气萃取的氢气被气囊收集；最后将收集的氢气进行气相色谱分析，当气相色谱仪检测值达到稳定时，就能计算出镁熔液中氢的浓度。该测试方法能对镁熔液中氢含量进行实时监控，且无需从固体中取样，相比真空萃取法有更高的效率；然而其需要花费大量的时间，同时由于氢气的扩散严重依赖于温度，会导致其检测不准确。

综上所述，真空萃取法的检测依赖于其前提条件、样品准备和抽真空，同时由于管壁吸附层对含氢量会产生较大误差，导致其不能精确检测；氢分离法虽能直接测量镁熔液中的氢，但其测试时间较长且不精确。因此，一种适合现场检测的简单、直接、快速和精确的测氢装置是镁熔液中测氢技术发展的方向。

技术实现要素：

鉴于现有检测技术的不足，本实用新型的技术目的是提供一种基于双目视觉的镁熔液含氢量检测装置，以期集快速性和精确性于一身，达到自动、精确、快速检测镁熔液含氢量的目的。

为了实现上述技术目的，本实用新型是通过以下技术方案予以实现的。

本实用新型一种基于双目视觉的镁熔液含氢量检测装置，由加热保温系统，真空系统，双目视觉处理系统和PLC控制系统构成；所述加热保温系统由高温电极垫片、加热电极、保温石棉、石墨坩埚组成；所述加热电极位于高温电极垫片之上，与石墨坩埚直接接触，外围是保温石棉；所述真空系统由底座、内嵌玻璃上盖、电磁阀和真空泵组成；所述真空泵通过电磁阀与底座上方孔相连；所述底座与内嵌玻璃上盖之间设有密封圈；所述双目视觉处理系统由穹顶光源、CCD工业相机、第一气泡、双目视觉开发板及以太网电缆构成；所述CCD工业相机有两个且相互垂直设置，所述双目视觉开发板分别连接两个CCD工业相机和以太网电缆，所述穹顶光源固定在CCD工业相机上并保持同轴；所述PLC控制系统由温度模块、模拟模块、PLC模块、以太网模块、热电偶、液晶显示器及微压传感器组成；所述PLC模块与温度模块、模拟模块、以太网模块以及液晶显示器相连；所述热电偶与温度模块相连，所述微压传感器与模拟模块相连；所述双目视觉处理系统通过以太网电缆与PLC控制系统中的以太网模块相连；所述PLC控制系统通过PLC模块与真空系统中的电磁阀和真空泵相连。

进一步的，所述CCD工业相机为高速摄像头，最大分辨率为1280*1024像素，最大拍摄速度为1000帧/s。

进一步的，所述热电偶为具有冷端自动补偿功能的K型热电偶。

本实用新型的检测原理是建立在第一气泡法基础上，首先镁熔液样本上方抽取真空，镁熔液中的氢在负压作用下生核、长大形成氢气泡向液面迁移析出；然后两个相互垂直的同步CCD工业相机拍摄第一气泡析出前后的序列图像，图像序列数据流经视频解码后进入双目视觉图像处理系统，进行图像处理定位并识别出镁熔液表面析出的第一个气泡；其次当图像匹配处理程序检测到气泡自身对应圆心点与液面完全重合时，采用以太网通讯将检测信号立即传递给PLC控制系统；最后PLC快速响应，采集微压力传感器及热电偶数据，经模拟模块和温度模块信号放大、滤波以及A/D转换并根据含氢量数学模型进行科学计算并显示结果。镁熔液含氢量检测数学模型：这里A、B是与镁合金成分有关的常数；C_H是含氢量，cm³/100g；P_H是氢分压，Pa；T是镁熔液温度，K。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：

1、从镁熔液含氢量测试原理分析，提出了镁熔液第一气泡析出过程中的三种不同状态：刚露头、气泡露出一半和脱离液面，只有气泡自身对应圆心点与液面重合时，P_H＝P_测才成立，即微压传感器测量的压力值才是氢分压的真实值，从理论数学模型上保证了检测结果的精确度。

2、双目视觉处理系统具有空间深度感知特性，能够利用图像匹配技术获取目标的特征信息—圆点和重合点，避免了人眼观察或单目视觉的测量误差问题，从而保证测量结果的精确性。

3、采用以太网通讯传递信号比发脉冲速度要快得多，实时性更好，测量结果更精确。

附图说明

图1是镁熔液含氢量检测技术原理图。

图2是基于双目视觉的镁熔液含氢量精确检测装置示意图。

图3是镁熔液含氢量精确检测气泡析出过程示意图。

图中：1-底座；2-高温电极垫片；3-加热电极；4-保温石棉；5-石墨坩埚；6-穹顶光源；7-CCD工业相机；8-第一气泡；9-内嵌玻璃上盖；10-双目视觉开发板；11-温度模块；12-模拟模块；13-以太网电缆；14-PLC模块；15-以太网模块；16-热电偶；17-液晶显示器；18-微压传感器；19-电磁阀；20-真空泵；21-液面上方气泡形状对应圆心点；22-气泡自身对应圆心点。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的描述，但本实用新型不局限于下述实施例。

本实用新型检测装置中可以活动的部件均使用密封圈实现密封，以保证内外空气隔绝；同时设计了加热电极3和保温石棉4，以免温度变化太快。

图1是镁熔液含氢量检测技术原理图。镁合金熔液样本上方通过真空系统抽取真空，在穹顶光源作用下，双CCD工业相机不断获取序列图像，传入双目视觉开发板(内置DM642处理器)，经过图像处理与识别算法，确认第一气泡析出；当图像匹配处理程序检测到气泡自身对应圆心点与液面完全重合时，采用以太网通讯将检测信号立即传递给PLC控制系统；PLC快速响应，采集微压传感器及热电偶数据，经模拟模块信号放大、滤波以及A/D转换并根据含氢量数学模型进行科学计算并显示结果。

图2是基于双目视觉的镁熔液含氢量精确检测装置示意图。加热保温系统由高温电极垫片2、加热电极3、保温石棉4、石墨坩埚5组成。真空系统由底座1、内嵌玻璃上盖9、电磁阀19和真空泵20组成，电磁阀设计时考虑抽取真空或解除真空实现联动。双目视觉处理系统由穹顶光源6、双CCD工业相机7、第一气泡8、双目视觉开发板10及以太网电缆13构成，工业相机采用高速摄像头，最大分辨率为1280*1024像素，最大拍摄速度为1000帧/s。PLC控制系统由温度模块11、模拟模块12、PLC模块14、以太网模块15、热电偶16、液晶显示器17及微压传感器18组成，热电偶采用具有冷端自动补偿功能的K型热电偶。

图3是镁熔液含氢量精确检测气泡析出过程示意图。图3(a)为第一气泡刚露头时刻，液面上方气泡形状对应圆心点21与气泡自身对应圆心点22不重合；图3(b)为第一气泡露出一半，液面上方气泡形状对应圆心点21与气泡自身对应圆心点22重合；图3(c)为第一气泡快脱离液面时刻，液面上方气泡形状对应圆心点21与气泡自身对应圆心点22不重合。双目视觉图像处理系统经图像匹配算法检测到图3(b)所示的状态时，此时测得压力值P_测才是真正的氢分压值P_H，即P_H＝P_测。

本实用新型具体实施方式如下：

首先固定好底座1，在高温电极垫片2、加热电极3和保温石棉4的共同作用下将石墨坩埚5加热并保温在600℃，可通过温度控制器进行设置；然后将定量的镁熔液通过打开的内嵌玻璃上盖9倒入石墨坩埚中，闭合上盖，调整穹顶光源6的亮度使其达到最佳，对应的玻璃隔板隔离外部空气进入且增强透光性，并启动真空泵20和电磁阀19抽取真空；其次启动两个相互垂直的CCD工业相机7拍摄第一气泡8析出的序列图像，穹顶光源固定在工业相机上，保证其同轴度。将两组序列图像经视频解码后同时传输到双目视觉开发板10，经内置DM642图像匹配处理算法后，判断液面上方气泡形状对应圆心点21与气泡自身对应圆心点22的重合度。若两圆心点重合时双目视觉开发板通过以太网电缆13发出检测信号给以太网模块15并进入到PLC模块14，这时PLC快速作出响应，采集热电偶16和微压传感器18信号并通过温度模块11和模拟模块12还原镁熔液上方的真实温度T和真实压力P_测；最后PLC模块根据内置的含氢量检测数学模型程序对含氢量进行计算并在液晶显示器17中显示结果。