一種基于數字化圖像處理的觸發器觸發電壓能量計算方法*

朱麗青

(云南機電職業技術學院 電氣工程學院，云南 昆明 650203)

1 觸發器觸發電壓能量傳統計算方法

觸發器是一種電磁觸發裝置，該觸發器在受到撞擊時會產生觸發電壓，當觸發電壓達到一定值后可觸發后續裝置動作，此類觸發器可用于物流小車的防撞報警等場合。觸發器結構示意圖如圖1所示，其工作原理如下：機械限位解除后，當加速度達到指定閾值時，觸發器中帶磁性的銜鐵克服拉伸彈簧的預拉力向感應線圈移動直到吸合在感應軸上，感應線圈受到磁力線的擾動而生成感應電流，當感應電流流經某電阻時，必產生感應電壓。只有當感應電壓峰值和電壓波形能量大小達到一定閾值時，觸發器才能正常觸發后續裝置的動作。用示波器采集的觸發器10 ms的觸發波形如圖2所示，傳統的計算電壓峰值和能量測量的方法是在觸發波形上手動取點，再用數值處理擬合成一個較為靠近觸發波形的時間函數，然后對該時間函數進行積分得到能量。該方法數據點少且常為手工采集，擬合函數精度差，效率低，有時無法滿足生產需求。

2 觸發器觸發波形圖像采集系統的組成原理

本文觸發器觸發波形圖像采集系統主要由離心機、示波器、上位PC機、下位PLC控制器和觸發器組成，系統硬件框圖如圖3所示。系統主要實現觸發波形采集和數據分析等2個主要功能，其中觸發采集由圖3中硬件框圖搭載的硬件平臺實現，數據分析利用MATLAB 2008a編制的程序實現。含PLC控制器和PC機的離心機驅動控制系統是西安捷盛開發的20 kg級離心式恒加速度試驗機，示波器選用帶觸發模式、具備讀寫功能的示波器，示波器調整到觸發模式，調整參數統一為圖2所示模式，采集圖像背景可為黑或白，相應觸發線條允許白或黑(如果需要，可以是任意RGB范圍內顏色)。x軸代表時間，采集10 ms觸發波形作為衡量觸發器輸出能量指標，y軸代表電壓，觸發波形零點如圖2所示，采集的波形代表每個時刻的電壓值，采集的波形存儲成jpg數據格式。

圖1 觸發器結構示意圖

圖2 觸發器輸出的電壓脈沖

圖3 數據處理系統硬件框圖

圖1所示x正方向為觸發器安裝于離心機上時偏離其旋轉軸心的方向，把觸發器緊固于離心機相應半徑上(半徑大小和離心機運行速度決定離心加速度的大小)；上位PC機對產品編號、試驗名稱、轉速、離心加速度、啟動時間和運行時間等參數進行預設定，設定參數傳給下位機PLC，由PLC驅動離心機旋轉，并把電動機旋轉狀態及時反饋給上位機。當觸發器離心加速度達到某觸發值時，會聽到清脆的嗒聲，離心機上的電刷把感應電流自動輸出到某電阻上，該電阻兩端連接在示波器上，則示波器能采集到觸發器的電壓脈沖，若電壓峰值滿足要求，則停機。

對于觸發器銜鐵動作無觸發和觸發時旋轉加速度值、電壓峰值或能量不滿足要求的觸發器，按照預設定的離心加速度走完直到自動停車；觸發器重新更換拉伸彈簧或重新充磁，安裝于該數據處理系統繼續試驗直至合格。示波器采集的數據由PC機上的圖像處理模塊讀取并數字化，根據能量判定觸發器是否合格。

3 基于數字圖像處理的觸發器觸發電壓能量計算方法

數字圖像處理技術在工業探傷、產品質量監測、產品的無損檢測以及機器人等方面有著廣泛的應用。數字圖像測量技術是數字圖像處理技術的應用和發展，它不僅研究物體三維輪廓的測量、在線測量、主動適時測量，也可測量復雜平面圖形輪廓及其面積。為實現觸發器觸發電壓和能量的精確檢測，有必要用圖像數字化技術處理觸發器觸發的波形圖像，把波形圖像數字化后在每個時間點采集電壓數據，然后擬合成曲線，直接讀取計算電壓峰值與電壓零點之差可得到電壓峰值，計算曲線與電壓零點線之間的圖形面積可得到觸發輸出能量。

采集的數據可信度決定峰值能量計算的可靠度，系統采集時調整示波器使得觸發波形線條最細且沒觸發前示波器顯示屏看不出任何背景噪聲，合理的接地和屏蔽信號線的使用可保證采集到僅含信號噪聲的觸發電壓信號。

3.1 采集圖像降噪處理后數字化

信號噪聲主要由信號源觸發過程和傳輸通道引起，表現在示波器圖像上可能有高斯噪聲和椒鹽噪聲[1]，椒鹽噪聲與采集系統傳感器信道(即示波器性能)有直接關系，性能好的示波器采集的椒鹽噪聲可忽略不計，高斯噪聲可能是信號源銜鐵撞擊瞬間產生的，因此，應該去除波形圖像的高斯噪聲。均值濾波或維納濾波對跳躍部分、顆粒噪聲等高噪聲可獲得較好效果[2]。圖4所示是采用1次中值濾波和4次維納濾波的對比圖。由圖4可知，類似椒鹽的網格可由中值濾波消除[3]，跳躍部分由維納濾波作用并不明顯，經維納濾波后的圖片波形尖頂部位像素點變少(色澤變淡)，且波形點像素值變得寬泛對后續數字化采集不利，因此應對圖像增強，銳化可突出物體的邊緣輪廓，便于識別。常用的有梯度法、算子、高通濾波等[4]，這里采用梯度法對4次維納濾波后的圖像進行處理，處理后的圖像如圖4所示。

a)原圖

經梯度增強的圖像明顯變粗，確實變得清晰可見，但圖像失真明顯；若用4次維納濾波后的圖像則波形有斷點失真現象，因此上述方法會人為引入較多波形中沒有的像素點，增加了后續數字化處理的誤差，且偏差大小難以確定。

3.2 采集圖像不降噪處理直接數字化

采集時，若能調整好示波器后按示波器消除網格鍵，可消除圖像中網格；若未消除網格，可連續2次利用ACDsee去除雜點命令消除網格而不損傷波形圖像，由此可得一幅干凈的圖像(見圖5)。仔細觀察該圖像，波形有一定寬度，若假定一定寬度的觸發波形中間值代表真值，離t軸較近或較遠的點(即難以消除的噪點)代表偏差。若能在每個時間點分別提取電壓中間點、離t軸較近或較遠的像素點，把這些像素點進行坐標平移轉化為每個時間點實際電壓值，再進行插值擬合處理可得3條擬合曲線，擬合曲線分別代表10 ms內每個時刻電壓平均值和電壓上、下限值，如此得出的曲線圖像沒有失真，是原圖像的真實反應，由此得到的電壓峰值和能量面積更接近真實。

a)原圖 b)雜點處理后圖像

3.3 采集圖像直接數字化后能量計算方法

利用imread函數讀入觸發圖像數據存入矩陣A，利用函數imcrop(A,[x1,y1，x2,y2])截取圖5b中左上對角點Lp(x1,y1)到右下對角點Rp(x2,y2)之間的像素方塊區域存入矩陣B，矩陣B是像素點。采集矩陣B中每個時刻的電壓中間值、較大、較小值、電壓零點(zeroI)，采集原則是三維圖形矩陣點B(i,j, 1)、B(i,j, 2)、B(i,j, 3)應分別等于波形上某i行j列點的像素值(0～255，0～255，0～255)。

采集的數據點數與圖像矩陣列數相同，原曲線上一點a，其對應的像素點出現在三維矩陣的i行j列，原圖像大小(矩陣大小)為m×n，則像素點數大小為m×n/3，而原圖形對應的真實坐標尺度為t×U，則可求a點在實際坐標中的位置為t(j-1)/(n/3-1)、U(i-1)/(m-1)[5]，再根據真實坐標的原點(x1, zeroI)進行坐標平移，即得a點的坐標值。

利用函數linspace(0,t,N)在已知n/3個數據點中等分插入N個點，再利用spline(x,y, tnew)函數對y值進行3次樣條函數插值，由于點數較多，其擬合結果相當理想，擬合誤差可忽略不計，計算擬合曲線與時間零點間的圖形面積可得觸發波形能量。觸發波形能量的計算如下：

(1)

式中，U是電壓值；R是負載，此處R=10 Ω；t是時間；任一時刻的瞬時能量為U2/R，利用時間數值積分函數trapz(t,U2/R)即可計算能量面積(單位為mJ)。圖6所示為某觸發器觸發波形圖像數字化處理后的3條擬合曲線[6-7]，由圖6可以看出，3條擬合曲線非常接近。由圖6可知，該觸發器能量≥1.397 mJ。當然，若需要電壓峰值，可方便地從擬合圖中直接讀取。讀取3條曲線中最小的電壓峰值和計算最小的觸發能量對判定觸發器合格有一定的安全裕度[8]。

a)采集圖像 b)擬合波形

4 采集圖像能量計算結果誤差分析

若設中間曲線計算后觸發電壓能量為E，上、下擬合曲線電壓觸發能量為Eu、Ed，可按式2和式3表示能量上、下偏差σu、σd。

(2)

(3)

筆者與委托廠家進行觸發器試驗驗證，從采集的100個觸發器圖像中隨機抽取30個，經計算其能量及能量偏差均≤±4%；若用超幾何分布[9-10]估計該偏差的可靠度，可知在置信度為0.9時，偏差數據的可靠度是0.937 2。實際觸發器數據處理時以下限值作為衡量標準，對產品指標也有一定的安全裕度。

5 結語

觸發器的精確觸發是觸發后續裝置準確動作的前提，而獲得準確的觸發電壓能量是保證觸發器質量的關鍵。本文提出了觸發器觸發波形的采集方法，分析得出采集的波形圖像不經過圖像降噪和增強處理容易保留圖像原貌，由此數字化后得出的觸發器觸發波形能量更接近真值。文中假定各個時刻的波形圖像中間值、最大值和最小值分別代表各個時刻的真值、上限值和下限值，把各個時刻的真值、上、下限值采集數字化處理擬合成波形曲線并分別計算能量面積；最后對同一批次觸發器采集的圖像進行偏差分析，得出該數值處理方法的偏差在±4%內，可為觸發器或相似產品能量計算提供方法支持。

不足之處是，由于條件限制，示波器采集的波形圖像只能先存儲后集中處理，若需要數據批量處理，可考慮采用帶USB接口的示波器，把示波器采集的觸發波形實時發送到PC上位機中進行處理，可更為有效地縮短生產時間。