用于BOPP生产的薄膜厚度监测装置的制作方法

本发明涉及薄膜制造技术领域，具体涉及一种用于bopp薄膜生产的薄膜厚度监测装置。

背景技术：

bopp薄膜即双向拉伸聚丙烯薄膜是由双向拉伸所制得的，它是经过物理、化学和机械等手段特殊成型加工而成的塑料产品。bopp生产线是一个非线性、时变、大延迟的复杂系统。其工艺流程主要包括：原料熔融、挤出、冷却成型、纵向拉伸、横向拉伸、切边、电晕处理、卷取等。

作为bopp薄膜产品质量指标的物理机械性能如拉伸强度、断裂伸长率、浊度、光泽等，因主要决定于材料本身的属性，所以都易达到要求。而作为再加工性和使用性能的主要控制指标，即薄膜厚度偏差和薄膜平均厚度偏差，则主要决定于薄膜的制造过程。即使制造过程中薄膜厚度控制在在标准允许的偏差范围内，但经数千层膜收卷累计后，厚度偏差大的位置上就可能形成箍、暴筋或凹沟等不良缺陷，这些缺陷直接影响到用户的再加工使用，如彩印套色错位或涂胶不匀起皱等现象，使其降低或失去使用价值。所以bopp薄膜生产中最关键的质量间题是如何提高和稳定薄膜厚度精度，也正是这种薄膜厚度精度才直接影响到薄膜的使用价值，决定了薄膜的商品价值。

薄膜厚度检测技术主要采用红外线、x射线、β射线等的透射式检测方式。如申请号为2012204848603的中国专利通过对激光透射图像的分析来判断被检薄膜的厚度，申请号为2012202105502的中国专利则通过红外检测来获得薄膜厚度。除此之外，还出现了通过反射方法来进行厚度检测的，如申请号为201080013587x的中国专利基于光线波长变化的薄膜层的反射度分布来检测厚度。国内bopp薄膜制造生产线的在线薄膜厚度检测仪很多是与电气控制设备成套从国外引进，测厚仪的数据往往是通过特定格式传输给控制设备的。测厚仪使用寿命一般比控制设备长很多，当控制设备发生故障或损坏而无法使用时，国内制造厂家要么花费昂贵代价从国外进口，要么用国产控制设备替换。但即使用国产控制设备替换也必须先解决一个问题，即从原测厚仪获取准确的厚度数据。面对这个问题，当前有些厂家只能采用开环控制，即对测厚仪输出在显示器上的剖面厚度图像进行人工监测，然后根据经验操作替换后的控制设备来进行调节。

人工监测不但不精确，也无法持续。由于缺乏对薄膜厚度的连续准确监控，薄膜产品的质量往往受到影响。为此，急需解决对薄膜厚度在线自动化监测的改造。

另一方面，很多一体化仪器设备如广泛应用的无纸记录仪、雷达显示仪等传统的带显示终端的设备，多采用专门格式进行数据传输和存储。对这些设备，如果能采集其显示器输入端的标准格式信号如vga信号，对该信号所表达的图像进行分析处理，获取其原始物理数据并输送给依赖此数据的其他设备如控制器，则能大大扩展原设备的用途。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能对测厚仪显示器输入信号进行采集和分析处理并输出该信号所对应原始物理数据的装置，用来对bopp薄膜生产进行在线式薄膜厚度监测。

本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的用于bopp生产的薄膜厚度监测装置，包括：膜厚图像拾取单元、字符提取单元、膜厚数据提取单元、数据输出单元，

所述膜厚图像拾取单元用以拾取薄膜测厚仪输出的薄膜剖面图像资料；

所述字符提取单元根据所述剖面图像资料获取所述图像中原膜厚曲线的基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值；

所述膜厚数据提取单元根据所述剖面图像资料生成一条连续完整且无交叉的膜厚曲线，并在所获取的所述基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值的基础上，获取所述生成膜厚曲线上每个点所对应的厚度值；

所述数据输出单元根据所输往对象的要求，将所获取的各点厚度值输出或显示，并在厚度值超出预先设置的范围时发出警示。

作为优选，其还包括一个预处理单元，所述预处理单元根据所述薄膜剖面图像资料中的颜色特征及区域特征为所述字符提取单元、膜厚数据提取单元分别获取第一roi区域和第二roi区域。

作为优选，所述字符提取单元首先根据第一roi区域内可能出现的字符分析构建字符的二值化特征模板库；然后，针对所获取的第一roi区域，检测分离出单个字符，对每个字符进行特征提取后进行模板匹配，再对词组进行辨识，获取所述图像中原膜厚曲线的基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值。

作为优选，所述膜厚数据提取单元针对所获取的第二roi区域，首先对目标图像进行灰度化和滤波处理，再根据颜色分量和坐标特征设立两组阈值范围或颜色分量规则，获取非连续膜厚曲线图像g1和辅助点阵图像g2；其次，对两幅图像g1和g2，分别进行otsu阈值分割和双阈值分割后得到二值化图像g1′和g2′；然后，将g1′和g2′二者相合并生成一条连续完整且无交叉的膜厚曲线图像g；最后，根据所获取的所述基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值，对所生成膜厚曲线上每个点，将其在图像中的像素坐标变换为所对应的厚度值。

作为优选，所述膜厚图像拾取单元采用vga2usb转换器，所述转换器接收薄膜测厚仪输出的vga信号；所述薄膜剖面图像资料，是以所述薄膜测厚仪输出并能显示在一显示器上的用以显示被检测薄膜的横向剖面厚度的图像，所述图像包括分别以不同颜色表示的一条膜厚曲线、坐标轴和与坐标轴平行的辅助线，以及用以标示所述膜厚曲线基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值的字符。

作为优选，所述膜厚图像拾取单元还包括vga信号分配器，所述vga信号分配器从薄膜测厚仪接收vga信号并将信号分配给显示器和所述vga2usb转换器。

采用本发明的结构，与现有技术相比，具有以下优点：本发明应用于bopp生产的薄膜厚度在线监测，实时采集数显设备上的薄膜剖面图像信号，分析处理得到薄膜的实时厚度参数，实现了对薄膜厚度的实时自动监测，有效防止了人为判断错误与疏忽，为提高薄膜厚度的均匀性、保证薄膜成品质量提供了基本依据。而且，本监测装置的数据采集处理过程具有一定的通用性，能根据后续连接设备要求输出数据，容易推广到无纸记录仪等设备的扩展应用上。本装置易集成，替换方便，具有良好的扩展性、灵活性和兼容性。

附图说明

图1为bopp生产工艺流程示意图；

图2为本发明用于bopp生产的薄膜厚度监测装置的结构示意图；

图3为bopp生产线上测厚仪显示器界面图；

图4为本发明中字符提取单元的字符图像分割流程图；

图5为本发明中字符提取单元的模板匹配流程图；

图6为本发明中字符提取单元的特征提取示意图；

图7为本发明中字符提取单元的粘连字符分离与二值化示意图；

图8为本发明中膜厚数据提取单元的提取目标曲线数据流程图；

图9为本发明中膜厚数据提取单元的分层阈值分割示意图；

图10为本发明中膜厚数据提取单元的膜厚曲线对比图；

图11为本发明用于bopp生产的薄膜厚度监测装置对薄膜厚度进行实时监测的结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，bopp生产从原材料熔融开始，经挤出成型为厚片即铸片，铸片再经纵向和横向拉伸展宽展薄为宽卷薄膜，然后在牵引过程中进行切边和电晕等处理，最后收卷为大母卷，后续按订单要求对母卷进行分切和包装。由于厚度对产品质量起着至关重要的作用，因此，在bopp生产中往往用两台测厚仪分别对铸片和宽卷薄膜进行厚度实时监测，两台测厚仪均按特定格式向配套控制器输出厚度数据，同时它们均还连接显示器以显示铸片或宽卷薄膜的剖面厚度图像，但测厚仪无法定制向外输出的厚度数据。两台测厚仪中前面对铸片测厚的那一台在薄膜初拉出时使用，等到后面第二测厚仪投入后便暂停使用。

如图2所示，本发明用于bopp生产的薄膜厚度监测装置100，其包括膜厚图像拾取单元110、字符提取单元120、膜厚数据提取单元130、数据输出单元140。其中，膜厚图像拾取单元110用以拾取薄膜测厚仪输出的薄膜剖面图像资料；字符提取单元120根据该剖面图像资料获取图像中原膜厚曲线的基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值；膜厚数据提取单元130根据所述剖面图像资料生成一条连续完整且无交叉的膜厚曲线，并在所获取的所述基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值的基础上，获取所述生成膜厚曲线上每个点所对应的厚度值，生成一个膜厚值序列；数据输出单元140根据所输往对象的要求，将所获取的各点厚度值输出，同时可以通过监视显示器141对膜厚曲线和数据进行实时显示，并在厚度值超出预先设置的范围时通过报警模块142发出警示。

作为优选，在测厚仪不改变设置的情况下，本发明装置也可以不设置字符提取单元，而是由膜厚数据提取单元130通过预设的基准值和坐标刻度值进行厚度计算。

作为优选，膜厚图像拾取单元110还可以包括两个vgasplitter即vga信号分配器，它们分别将第一测厚仪201、第二测厚仪202发给仪器显示器203的vga信号进行分为两路，一路供仪器显示器使用，一路供膜厚图像拾取单元本身采集使用。仪器显示器可以为两台独立的显示器或一台显示器分时对两路vga信号进行显示。

作为优选，数据输出单元140包含一个数据格式转换和输出格式设置模块，以使其根据所输往对象的要求，将所获取的各点厚度值输出。

如图3所示，测厚仪将厚度信息生成为vga图像信号传输给显示器，在此图像中，分别有两幅曲线图和一些字符信息；其中，a区域表示薄膜厚度曲线横坐标轴对应的厚度基准值35.5μm及曲线画面中坐标系的纵向坐标刻度值5％；c区域为表述当前薄膜剖面的目标厚度曲线，其坐标轴按a区域的描述进行设定，坐标系中还含有与坐标轴平行的辅助线；b区域中avg＝35.51μm是指c区域曲线所显示的当前薄膜剖面的厚度平均值，r＝2.83％则是曲线上下波动的统计极差值。由于测厚仪显示的画面有着这些区块特征，因此，本发明用于bopp生产的薄膜厚度监测装置中设置一个预处理单元，其根据所采集的薄膜剖面图像资料中的颜色特征及区域特征为所述字符提取单元、膜厚数据提取单元分别获取第一roi区域和第二roi区域；其中，第一roi区域为a区域和b区域，而第二roi区域则为c区域。

结合图4～7所示，字符提取单元首先根据第一roi区域内可能出现的字符分析构建字符的二值化特征模板库；然后，针对所获取的第一roi区域，检测分离出单个字符，对每个字符进行特征提取后进行模板匹配，再对词组进行辨识，获取所述图像中原膜厚曲线的基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值。

为了获得单个字符，如图4所示，当字符上下轮廓间的发生粘连时，由于每个字符宽度是一样的，因此首先对英文字符连通域进行边缘检测定位出字符初始位置，在每个字符宽度范围内确定出单个粘连字符图像的上下高度，依次循环搜索分割出单个字符图像。

如图5所示，在分割出单个字符图像后对其进行且二值化等处理，将相应字符大小归一化，使之与事先建立的匹配模板中的字符大小相同。

基于逐像素特征法提取字符特征向量，如图6所示，将字符图像分成3*3＝9的小块，统计范围内的非0像素点个数，再计算水平和垂直方向3等分线交点上的特征，共有13个特征值，将此记录在数组中。

结合图5、6所示，对归一化后的单字符图像，统计单个字符中非0像素点，储存到定义的矩阵中；然后，提取其相应的特征向量，将其与字符模板的各个区域的特征值进行比较，匹配识别出待测字符。

如图7所示为对粘连字符的分离与二值化示意图，其中图7a为粘连字符的分离，图7b为单字符的二值化图像。从图中可见对字符进行了准确分割，然后通过模板匹配进行识别。将单个字符按启发式规则将其组合为词组并与预设词组模板进行匹配辨识，获得如图3所示图像中a区域的膜厚基准值、坐标刻度值及b区域的厚度平均值及统计极差值。图中所示为识别出的纵向坐标刻度值range＝5％。

结合图8～11所示，膜厚数据提取单元针对所获取的第二roi区域即图3中的c区域，首先对目标图像进行灰度化和滤波处理，再根据颜色分量和坐标特征获取非连续膜厚曲线图像g1和辅助点阵图像g2；其次，对两幅图像g1和g2，分别进行otsu阈值分割和双阈值分割后得到二值化图像g1′和g2′；然后，将g1′和g2′二者相合并生成一条连续完整且无交叉的膜厚曲线图像g；最后，根据所获取的所述基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值，对所生成膜厚曲线上每个点，将其在图像中的像素坐标变换为所对应的厚度值。

由于厚度曲线为一种颜色，坐标及坐标辅助线为其他颜色，如果对目标图像进行传统的阈值分割，所提取到的厚度曲线将存在大量的断续点，无法获取薄膜全部剖的厚度值。为此，如图8所示，预处理过程中，为曲线本身和曲线与坐标轴及坐标辅助线分别设立两组rgb特征即阈值范围或颜色分量规则，将分别得到非连续膜厚曲线图像g1和辅助点阵图像g2两个图像；然后对它们进行分层阈值分割后合并，将得到一条连续完整且无交叉的膜厚曲线图像。

在随后的厚度数据分析处理中，基于字符提取单元获取的所述基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值，对曲线上每个点，按以下方法将其在图像中的像素坐标变换为所对应的厚度值：

ti＝tj+(m_y-m_y0)/w*1％(1)

r＝(max(m_y)-min(m_y))/w*1％(3)

式中，tj为基准值，ti为每个像素点对应的厚度值，m_y为其像素纵坐标，m_y0为横坐标轴的像素纵坐标，n为提取的像素点总个数，w为曲线图像中纵坐标方向上每1％刻度长对应的像素个数。

如图9所示为膜厚数据提取单元的分层阈值分割示意图，其中，图9a为第二roi区域的目标图像，图9b为非连续膜厚曲线图像g1，图9c为位于坐标轴和坐标辅助线上的辅助点阵图像g2，图9d和9e为对g1和g2分别进行otsu阈值分割和双阈值分割后得到二值化图像g1′和g2′，图9f为将g1′和g2′二者相合并后生成的膜厚曲线图像g。

如图10所示为膜厚曲线对比图，其中，图10a为一条实际厚度曲线与所提取曲线的对比图，图10b为图10a的局部放大图。从图中可以看出，所提取曲线与原厚度曲线基本重合。

图11给出了本发明用于bopp生产的薄膜厚度监测装置对图3所示的薄膜剖面厚度情况进行实时监测获取的薄膜厚度数据，其中厚度均值与厚度值用来作为控制输入信号，厚度极差值则是一个用作辅助提示的指标。从实际数据与测得数据的相对偏差看，厚度均值相差0.28％，厚度极差值相差1.77％，准确度非常高，完全满足工程需要，为bopp薄膜生产中用国产控制设备代替成套进口控制设备提供了实时厚度数据反馈。

除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。