基于面阵CCD的起重机吊钩检测系统

在起重设备中，吊钩做为主要 的吊具之-，应用十分广泛。在起重机定期检验过程中，需要对吊钩各部位的磨损情况进行测量，以判定是否2012年国家质检总局科技项 目 (2012QK208)《起重运输机械》 2013(6)达到报废标准，例如：1)采用 GB 1005-11988《起重吊钩》规定的新材料制造的吊钩，开口变形达原尺寸的10%时应报废，其他吊钩的开口变形达原尺寸的 15%时应报废；2)检查吊钩的扭转变形 ，当吊钩扭转超过 l0。时应报废；3)吊钩危险断面的磨损量，当其实际尺寸小于原尺寸的90%(采用 GB 10051-1988《起重吊钩》规定的新材料制造的吊钩为 95%)时应报废；4)吊钩钩柄腐蚀后 的尺寸不得小 于原尺寸 的 90% (对 采用GB10051-1988《起重吊钩》中规定的材料制造的吊钩为95%)，否则应报废。由于其形状复杂，要求测量的尺寸较多，传统的方法由于测量精度不高，效率低，可靠性差很难满足定期检验工作的要求 。

本文提出的基于面阵 CCD的起重机吊钩检测系统是把被测吊钩的图像当作检测和传递信息的手段，从中提取有用的信号来获得待测的参数。

再将所测得的参数传输到计算机中，计算机提取所测吊钩的原始数据，与测量数据进行比对，最后输出零件各部位的磨损量。该测量方法具有非接触、高速度、动态范围大，信息量丰富等优点，非常适合传统方法难以测量的诚。

1 测量系统原理根据现踌验的基本情况，在不改变吊钩原有位置的基础上，本系统应用图像处理与摄影测量等技术，通过多台面阵 CCD摄像机获取整个吊钩的图像，并经高速图像采集卡将图像数字化后输入至计算机中。计算机对吊钩的数字图像进行预处理、边缘提娶自动识别后，计算出吊钩的开口度，扭转变形量及 3个危险断面的磨损量后，将数据传输到计算机中，计算机调取原数据与新测量的数据进行比对后，输出各部位的磨损量。

为测量吊钩的各部位尺寸，首先建立光学成像方程，以测量场的某-点为基准，在水平面上定义 、Y坐标，以铅垂 平面的正上方为z轴建立-个自由测量常在像方分别以 CCD阵列的行列方向定义 、y坐标，以投影中心点 s为原点，过s点并垂直于 CCD阵列的上方为 轴。根据投影变换理论，物方任-点 0 (X，Y，Z)和像方坐标系中的像点 ，( ，Y，z)的坐标变换关系可表达为fX1AM3 ] ㈩ LzJ L-厂 j Lz J式中：A是比例因子；( 。，Y。， 为 CCD摄像机的内方位元素； ( ， ，Z )为投影中心s点在测量场内坐标；M 是3×3的矩阵，又称旋转矩阵，是 CCD摄像机空间方位的函数。

若定义 CCD摄像机在空间的 3个元素分别为、 、 ， 则MMMo，M 1 0 1 0 l lsin 0 cos J1 0-li es，sinto###- c2cJL ， J 0cos - co0 lLin∞ 01Jm1( - )ml2(Y-ys)m13(z-z )m31( -X )m32(Y- )m3(Z-Z )fm2l( - 。)m2(Y-Ys)m23(z-Z )， - r ～ f lm31( - )m32(，- )m3(z-z )因此，只要确定了 CCD摄像机的内方位元素( 。，Y。，f)和摄像机在测量场的空间姿态 ( ，， Z ， ， ， )，利用式 (1)、式 (2)、式(3)由图像上得到的任-点就可算出测量场上对应点的空间坐标，进而实现对目标的测量 。

2 测试系统组成整个检测系统主要由光学照明系统、CCD摄像机系统、图像采集及处理系统、数据比较输出系统和数据终端显示系统组成，如图 1所示。照明系统主要由光源和聚光镜组成，它的作用是为了使目标物得到充分的照明，以保证像平面有足够的照度。CCD摄像机安装在吊钩的正前方，正上方和正侧方，用以测量吊钩在 3个方向上的尺寸数据。首先，以吊钩钩底的垂直中心线为基准线，确定每个摄像机的空间参数，每台摄像机的视频信号通过可编程视频切换器接人微机的扩展插槽中的图像卡上。图像采集卡对所摄吊钩图像进行处理，经过边缘提润，将所得到的数据传人计算机中，计算机将所测数据与原数据进行 比《起重运输机械》 2013(6)较，输出比较结果，即磨损量。

图 1 测试系统摄像机采用 IA-D2型面阵 CCD，它的像素为1 024×l 024，系统内的温度防护设备保证CCD器件在高温环境下正常运行∩编程视频切换器在微机控制下根据需要可将任-路视频信号随时接人图像采集卡内，由图像采集卡完成视频信号的数字化，供计算机使用。

系统软件主要由5大部分组成 ：1)系统各部分状态检测维护软件，主要完成系统各部分检测，系统异常时对故障进行定位；2)摄像机空间定位软件，通过设计人工标记点的办法确定摄像机的空间位置，并形成数据文件；3)吊钩尺寸测量软件完成吊钩有效尺寸的获娶计算；4)吊钩数据统计、分析及比较软件，从数据库中调取吊钩原始数据，与测量数据进行比较，最终输出磨损量；5)低位机控制软件负责数据终端的管理及与主机的数据通信。

3 测量系统误差分析 J3.1 CCD引入的系统误差由于 CCD的工作原理实际上是-个光学抽样和图像积分的过程，CCD的光敏元间距限制了图像的抽样频率，当光敏元间距越小，抽样频率越高，所丢失的信息越小，误差就越校由于计算机可读取由 CCD器件传输图像的最小单位为-个像素，由此引入的系统误差也是-个像素单位。

在本 系统 中，采 用 的面 阵 CCD 的 分辨 率 为，l0 m X 10 Ixm，即CCD器件每个像元的横向宽度和纵 向宽度，因而 由 CCD引入的系统误 差为10 m。

《起重运输机械》 2013(6)3.2 光路影响由于照明系统中视场光强不可能绝对的均匀，成像会受光的衍射、外界杂散光等噪声 的影响，透镜的边缘部分会成像模糊等，这些因素都会影响到 CCD的成像质量和边缘特征的提龋本系统将 CCD的工作点选在接近光强的饱和点，但最大光强又不进入饱和区，减小光强不均匀性对 CCD灵敏度的影响，又可提高光电转换精度。

3.3 电路电压影响实测过程中发现电源电压的波动对测量结果也有较大的影响。为减少电源电压的波动，采用直流稳压电源供电。如果要用交流稳压电源供电，应使用大的滤波电容。

3.4 其他误差系统中由于光学镜头畸变会引起测量误差，灰度分级给对准判别带来误差，CCD像素刻划不均匀也会引入误差等，由于事先很难精确测定可调镜头距吊钩的距离、镜头的放大倍数、CCD平面与吊钩平面的夹角等，不能确定每个像素具体代表的精确尺寸，这些误差在本系统中均通过系统标定来修正。

4 结束语为适应恶劣的工业现撤境，本测量系统具有很好的防尘、防振、抗高低温及抗电磁干扰等功能。系统测量在 1 m×l m范围。

本系统用面阵 CCD相机进行吊钩尺寸的非接触测量，是光学、图像测量及计算机技术在特种设备零件尺寸测量方面的应用，可方便的移植到冶金、化工、机械加工及其他应用领域。