[发明专利]一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接烟尘监测技术领域，涉及一种对电弧焊接中产生的大量烟尘进行实时浓度监测的方法。本发明具体是通过背光拍摄技术得到电弧焊接的烟尘图像，利用图像分析技术对产生的烟尘浓度进行实时监测。

背景技术

无论是手工电弧焊的焊条、还是气体保护焊的实心焊丝与药芯焊丝，在其电弧焊接过程中都会产生大量烟尘，对环境和人体造成极大危害。因此，有效监测其烟尘量，是对电弧焊污染实施控制的基础。但迄今为止，主要还是采用收集焊接烟尘并进行称重的方法对焊接烟尘进行监测，以评价其烟尘产生量对环境的影响。该方法存在设备体积较大、烟尘沉积收集时间过长等缺点，而且只能对一定焊接时间内的烟尘总量进行收集，无法实时反映焊接过程中烟尘的产生量和变化情况，很难满足对焊接烟尘快速实时监测的需求。

一些研究者也尝试采用激光散射法来监测焊接烟尘的信息，但这种监测方法主要适用于大气污染监测中，污染气氛中粒子浓度基本稳定的情况下。对于焊接中产生的烟尘，其处于不断变化过程中，且距离电弧不同位置的烟尘浓度也不同，激光散射法仅能测量激光束散射很小范围内的烟尘情况，很难采用这种方法对产生的烟尘总量进行监测。同时，该方法对检测装置的安装精度要求也较高，测量的准确度受环境影响很大，很难适应焊接烟尘的实际工业检测需求。

随着现代焊接制造技术的发展，对于焊接烟尘的实时环境评价和监测技术成为发展的必然方向。只有这种全程在线监测技术，才能对由于不同批号、存放环境、原料来源等原因引起的环境污染进行实时监测，进而实现有效的环境影响评价。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于背光图像的焊接烟尘监测方法，以对电弧焊接过程中产生的烟尘量进行实时监测。

本发明提供的基于背光图像的焊接烟尘监测方法包括：

1）设置一个背景光源，通过透镜组将所述背景光源产生的光聚焦在焊丝端部，产生与焊丝电弧重叠的背景光，且所述背景光的光强大于电弧的光强；

2）在背景光源的对侧设置滤光片，以滤掉电弧和背景光源产生的强光，在滤光片上形成清晰的电弧烟尘影像；

3）对所述电弧烟尘影像进行连续拍摄，得到连续的电弧烟尘图像；

4）通过数据传输，将烟尘图像传输至计算机图像处理单元；

5）选择影像的上部和侧部区域作为获取烟尘浓度的区域，计算机图像处理单元读取该区域中每个像素的灰度值，计算得到该区域的灰度平均值；

6）以灰度平均值减去背景灰度值，得到拍摄瞬时的烟尘灰度值，根据计算机图像处理单元预先建立的烟尘灰度值与烟尘浓度的关系曲线，即可得到拍摄瞬时的烟尘浓度。

其中，可以采用两种方法获得所述背景灰度值。一种方法是以拍摄的电弧烟尘图像中无烟尘区域的灰度值作为背景灰度值；另一种方法是在只有背景光源、没有引燃电弧时拍摄无电弧图像，以其灰度值作为背景灰度值。

本发明首先是采用一种背光拍摄技术来获得关于烟尘的影像。

由于电弧焊接过程中会产生很强的弧光，如果直接拍摄电弧本身，只能看到明亮的电弧，而无法得到关于烟尘的图像。因此，本发明在距离电弧一定位置处，放置一个光强度大于电弧光的背景光源，如激光、氙灯、碳弧灯等，通过透镜组进行聚光，使其产生的强光集中照射到电弧上，然后在背景光源的另一侧采用滤光片滤掉电弧和背景光源的强光。这时，由于烟尘会阻挡背景光源的强光，就会产生不同的透光量，对经过滤光片的影像进行拍摄，就会得到烟尘的图像。

拍摄时，应调节使背景光源与焊丝端部的距离约1～2米，且必须将背景光源、透镜组、焊丝端部置于同一高度平面上。启动背景光源，调节透镜组的相对位置进行聚焦，使得背景光源发射的发散状点光源通过透镜组聚集到焊丝端部所在位置，形成很强的背景光。

为保证背景光源能够准确聚焦在焊丝的端部，还可以在焊丝的固定端设置有调节机构，用于辅助调节进行背景光源的聚焦。

出于拍摄时的安全防护考虑，还可以在焊丝与透镜组之间、焊丝与滤光片之间设置防护板，在防护板上焊丝端部对应的位置处开设通光窗口，并在通光窗口上安装通光镜片。这样，一侧防护板可以防护电弧热辐射和飞溅对聚光透镜组的损坏，另一侧防护板可以防护电弧热辐射和飞溅对拍摄系统的损坏。

在获得连续拍摄的烟尘图像后，本发明通过图像分析方法，从烟尘影像中确定获取烟尘量的区域。