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机器视觉应对恶劣环境的方法

发布时间:2023-05-06 15:53:56

近些年机器视觉兴起,人们对于视觉检测的需求也越来越大。如何在恶劣环境中保持成像系统的稳定成为了机器视觉的一大重点课题。

早期应对恶劣环境的方法是将成像硬件视为一次性设备,一旦不再可靠地工作,就更换它。然而,这种方法通常排除高性能组件的使用,因为它们的成本较高。因此,使用一次性成像硬件往往会牺牲图像质量。

另一个常见的选择是建造定制的外壳来保护成像系统硬件。虽然这种选择大大改善了保护,但它也增加了成像系统的尺寸,使其无法用于空间受限的应用。封装也会降低光学性能,因为增加的光学表面会使图像变形,增加不必要的反射,引入杂散光和其他照明问题。更重要的是,工具大大增加了定制外壳系统的费用。

这两种解决方案都不理想,所以相机和镜头制造商正在转向第三种方案:开发能够承受恶劣环境的机器视觉组件。这种方法减少了成本和维护时间,不需要经常更换故障部件或构建自定义外壳。

建造一个能在如此恶劣的环境中生存的成像系统是很棘手的。每种情况对系统的影响是不同的,需要设计人员针对特定的环境采用不同的方法。幸运的是,为了解决每个环境挑战,设计师可以选择许多标准技术。


温度控制

对于大多数成像应用,温度控制主要针对设备内部产生的热量。场强环境温度很少干扰电子设备的运行。然而,当散热效率低下或无效时,这些设备容易变得很热而导致设备故障。理想情况下,电子设备尤其是图像传感器,应保持在50℃以下。

机器视觉系统使用传统的方法来控制电子设备中的热量,包括散热器和风扇。高能应用包括激光或高温环境下的装置,甚至可能需要水冷却。具体的选择很大程度上取决于安装。

只要有足够的空间,散热器适合大多数应用。然而,散热器往往体积很大,需要周围的自由空气空间进行对流。对于图像传感器来说,相机机身本身可以被设计成散热器。

散热器可以与风扇一起使用来改善散热,或者风扇可以单独通过在系统中循环冷空气来达到目的。然而,为了避免颗粒物污染,风扇需要一个“干净”的空气供应,通常是通过过滤器抽空气。风扇可配置为进气,迫使外部较冷的空气进入机箱,或排气,将较热的空气从机箱内排出。

在某些情况下,系统可能不得不在环境空气太热而且无法充分散热的环境中运行。然后,该系统可能需要替代方法,如制冷或水冷却。它也可能使用热电冷却的特定组件,如处理器或图像传感器。


振动和冲击

振动是导致许多故障的主要原因,包括成像镜头对焦的改变、光学失调振动是导致许多故障的主要原因,包括成像镜头对焦的改变、光学失调以及电子设备连接和连接故障。冲击也存在于许多装置中,特别是在从事重复运动的机械中,可以产生类似的效果。两者都使用了类似的技术来缓解,其中最常见的是使用阻尼材料。

阻尼材料有几种用途。它可以放置在安装点,以减少冲击和振动从一个单位传递到另一个。它也可以在一个封闭的空间内使用,以限制单元在该空间内的运动。对于聚焦镜头,特殊的阻尼润滑脂可使对焦运动更硬,更不容易移动。


水和颗粒物

暴露在水或其他液体中会造成电子电路短路,导致设备故障,从而对成像系统造成严重破坏。液体还会损坏涂层或产生冷凝,从而影响分辨率和透光性,从而对镜片造成伤害。避免流体损坏取决于流体来自哪里。对于意外流体,例如雨,仅仅使流体偏转就足够了。对于浸没、压力喷雾或高湿度的环境下,可能需要水密密封。

提供水密密封的两种主要方法是粘合剂和垫圈。

胶粘剂,如室温硫化胶粘剂和硅酮,相对容易应用,可以在狭窄的空间使用,但可能存在一致性和工艺问题。它们也不适用于可能需要定期拆卸的连接处,如镜头到相机的安装连接。在这种情况下,必须使用垫圈,尽管它们可能很难合并到小空间。

与胶粘剂相比,垫片涉及较少的工艺相关变异性。在成像系统中最常见的形式是硅O形环。也可以使用其他材料,但如果要承受深浸或高湿度,这种材料必须具有非常小的透水性。任何在成像系统的镜片之间流动的水分都可能导致雾化,降低整个系统的能见度。

在成像系统中,暴露于颗粒物质的影响类似于液体暴露:短路和模糊光路。微粒的积聚还会降低散热器的有效性,并通过增加绝缘层来降低空气冷却,如果驱动的力量足够大,还会磨损系统的外表面。幸运的是,用于防止流体侵入系统的相同方法也可以防止微粒进入系统。

然而,成像系统的一个部分是镜片的外表面,很难保护自己不受颗粒的影响,用合适的材料制成的光学屏障有助于提供耐磨性,但几乎无法阻止材料粘附在表面并模糊光路。在这种情况下,解决方法是定期清洁外部表面。这可能需要拆卸系统以进入镜头表面,从而增加系统维护成本。


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