劉春成， 徐 琳， 張 坤

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

火花塞作為汽車的“心臟起搏器”，直接影響到汽車運行的平穩(wěn)以及油耗.火花塞將點火線圈產(chǎn)生的超高電壓引入發(fā)動機氣缸，促使自身電極放電，產(chǎn)生火花，進而點燃發(fā)動機內(nèi)的汽油、柴油等和空氣的混合物，為發(fā)動機提供動力[1].但是火花塞存在缺陷將會導(dǎo)致點火不良、發(fā)動機抖動，引起嚴重的安全隱患.目前國內(nèi)外對火花塞的檢測主要通過人眼目測為主，觀看內(nèi)部陶瓷端面是否出現(xiàn)裂紋、孔洞等人為影響因素大，且容易造成人眼疲勞，從而出現(xiàn)漏檢、誤檢等情況，不符合生產(chǎn)自動化、工業(yè)化的應(yīng)用需求，檢測方法也沒有具體規(guī)范.

隨著缺陷檢測技術(shù)的蓬勃發(fā)展，越來越多的檢測算法應(yīng)用于相關(guān)陶瓷件的缺陷檢測上.文獻[2]采用超聲波檢測法對航天飛行器上的多孔陶瓷纖維隔熱材料進行空氣耦合檢測試驗，該方法能夠非常有效地檢測出試樣缺陷.文獻[3]提出了1種基于非下采樣的Shearlet變換的機器視覺檢測方法.文獻[4]提出了1種基于熱圖像序列重建與一階差分處理相結(jié)合的新方法，利用脈沖紅外熱像儀對4種不同尺寸的缺陷進行了檢測，提高了缺陷檢測的能力.文獻[5]根據(jù)電容器局部放電檢測的特點和要求, 研制了1種新型的高頻電流測量方法, 采用各種抗干擾手段進行局部放電檢測.文獻[6]利用熱成像技術(shù)對復(fù)合材料進行無損檢測.文獻[7]采用空氣耦合傳感器(ACTS),計算了2個輸入頻率之和極差值處的超聲調(diào)制分量間的譜相關(guān)，對不同輸入頻率組合下的譜相關(guān)進行離群值分析，實現(xiàn)裂紋自動診斷.但是火花塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陶瓷件存在于火花塞內(nèi)部，這些檢測方法不能直接對其進行檢測，無法滿足檢測要求.此外，文獻[8]提出了1種面向火花塞端面的缺陷檢測算法，提取火花塞放電圓環(huán)位置，進行缺陷特征提取，但是存在算法計算量大、檢測過程緩慢等缺點.文獻[9]利用電壓加載下點火針是否出現(xiàn)放電火花，設(shè)計了1套火花塞檢測系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)存在著極高的安全隱患，無法對加載電壓進行檢測，并且無法確認火花塞的正確放電位置.

針對上述幾種方法對汽車火花塞檢測存在適應(yīng)性不足等問題，筆者設(shè)計1種結(jié)合放電檢測技術(shù)與機器視覺技術(shù)[10-19]的火花塞缺陷檢測系統(tǒng)，能夠?qū)敵龅碾妷哼M行檢測與圖像處理判斷，為今后的汽車火花塞以及相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的檢測提供新的思路與方法.

1 檢測原理及系統(tǒng)設(shè)計

1.1 檢測原理

火花塞由絕緣陶磁體和金屬電極組成.在高電壓加載下，由于陶瓷絕緣性高于空氣，因而電壓會擊穿火花塞中心電極和側(cè)電極之間的空氣，產(chǎn)生放電現(xiàn)象.如火花塞陶瓷絕緣體上存在裂紋，裂紋之間為空氣.由于空氣絕緣性小于陶瓷體，且裂紋之間的空氣距離遠遠小于火花塞中心電極與側(cè)電極之間的空氣距離，則火花塞陶瓷件絕緣體裂紋之間的空氣為絕緣性能最低處.在放電的電壓下，火花塞陶瓷絕緣體裂紋處空氣會被電壓擊穿而放電，火花塞中心電極和側(cè)電極之間將不會出現(xiàn)放電現(xiàn)象.具體放電原理如圖1所示.通過對火花塞放電位置進行數(shù)據(jù)分析，得出放電火花的具體流經(jīng)信息，從而判定火花塞是否存在缺陷.

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)主要由放電部分與機器視覺部分組成.放電部分包括NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡、IGBT驅(qū)動板、IGBT模塊、點火線圈及分壓模塊.NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡作為點火線圈的信號觸發(fā)源，能夠?qū)﹄娐分休敵鲭妷哼M行檢測；根據(jù)脈寬調(diào)制原理可知，IGBT驅(qū)動板和IGBT模塊為點火線圈開關(guān)；由電磁感應(yīng)原理可知，點火線圈能夠輸出系統(tǒng)所需電壓.機器視覺部分由工業(yè)相機和工控機組成，負責(zé)對放電火花的拍攝以及位置信息的判定.檢測系統(tǒng)的組成見圖2.

圖2 檢測系統(tǒng)組成示意圖

2 試驗與分析

2.1 電壓放電試驗

通過在工控機上進行軟件編程，控制NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生PWM信號，PWM信號經(jīng)過IGBT驅(qū)動板被其調(diào)節(jié)，從而有足夠能量去驅(qū)動IGBT模塊.IGBT模塊觸發(fā)點火線圈的柵極，產(chǎn)生極高的脈沖電壓，電壓作用于火花塞的表面和分壓模塊.火花塞會在其絕緣性能最小處被擊穿，產(chǎn)生放電火花.圖3為高壓放電模塊.

圖3 高壓放電模塊

如圖3所示搭建系統(tǒng)所需的高壓放電模塊，通過控制NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡輸出脈沖信號，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，點火線圈對火花塞施加脈沖電壓.為了確保脈沖電壓能夠達到火花塞的放電要求，需要對整個放電回路進行電路檢測.

點火線圈雖然可以正常工作，卻不能保證釋放的電壓一定能夠達到火花塞點火放電要求.如果火花塞不進行放電，在火花塞中心電極區(qū)域就采集不到“缺陷”，從而造成檢測算法的誤判.點火線圈輸出電壓檢測結(jié)果如圖4所示.圖4a中，點火線圈輸出了負電壓，但是整個電路的回路依舊未導(dǎo)通，火花塞屬于未放電狀態(tài)；圖4b中，點火線圈輸出電壓瞬間，火花塞成功放電，電路導(dǎo)通構(gòu)成整個放電回路.理想狀態(tài)為整個電路的電壓應(yīng)該在放電結(jié)束后回歸于0，然而觀察圖4b可知，結(jié)束放電后，電壓并未瞬間回歸0.這主要是由于電路中存在著非線性元件，部分電磁能量儲存于其電感線圈中，需要1個阻尼衰減過程.

分析整個系統(tǒng)的工作原理可知，放電電壓的大小與PWM信號有關(guān)，為了對其進行驗證，給點火線圈提供不同的供給電壓，改變PWM信號占空比，測量輸出電壓的大小.

圖4 點火線圈輸出電壓-時間曲線

電壓放電試驗檢測結(jié)果如表1所示.由表1可知，在頻率一定的情況下，可以通過更改PWM信號的占空比達到控制輸出電壓大小的要求.

表1 電壓放電試驗檢測結(jié)果

2.2 邊緣檢測與圓心定位試驗

圖5為火花塞放電模型.由火花塞工作原理可知： 電壓加載下，對于存在缺陷的火花塞，放電火花不經(jīng)過中心電極，僅出現(xiàn)在側(cè)面缺陷處，見圖5a；沒有缺陷的火花塞，電壓擊穿中心電極和側(cè)電極之間的空氣，放電火花流經(jīng)中心電極，見圖5b.

圖5 火花塞放電模型

整個系統(tǒng)的判定標準由最終得到的放電火花位置路徑?jīng)Q定，為了得到最終的顯示結(jié)果，首先需要確定火花塞圖像的邊緣信息.對目前常用的邊緣算法進行試驗效果分析，試驗結(jié)果如圖6所示.

圖6 火花塞邊緣檢測效果

通過歸納分析可知： Roberts算法定位比較精確，但是對噪聲比較敏感；Sobel算法計算簡單，速度快，但是計算方向單一，對復(fù)雜紋理的處理顯得乏力；Prewitt算法對噪聲有抑制作用，但是對像素進行加權(quán)平均相當(dāng)于對圖像的低通濾波，對邊緣的定位不如Roberts算法；Log算法去除噪聲好，細節(jié)損失大，邊緣精度較低；Canny算法定位性能好，對單一邊緣僅有唯一響應(yīng)，本次檢測效果最為理想化.最終選用Canny算法作為系統(tǒng)的邊緣檢測方法.

在捕捉的圖像中，圓心的位置即是中心電極所在處，圓心位置的確定是本系統(tǒng)能否正確判斷火花塞存在缺陷與否的關(guān)鍵所在.設(shè)計試驗中，依次利用邊緣掃描法、三點法和Hough算法對標準圓進行圓心定位，試驗結(jié)果如表2所示.

表2 不同圓心定位算法的誤差和計算時間

由表2可知：三點法的用時最少，檢測速度最快，但是誤差較大；Hough算法雖然用時較多，但是精度較高.綜合本次試驗圓心位置的重要性，最終選用Hough算法來確定系統(tǒng)圓心位置.進而將火花塞放置在檢測工位，打開光源，利用工業(yè)相機抓拍1張未進行電壓加載的火花塞原始圖片.火花塞缺陷判定流程圖如圖7所示.

在工控機中，利用Matlab軟件對抓拍的火花塞端面進行處理.為了凸顯目標圖像的輪廓，首先將原始圖像進行二值化.利用試驗效果最好的Canny算法實現(xiàn)邊緣檢測，確定火花塞的邊緣信息.繼而通過編寫程序，利用Hough算法確定火花塞中心電極圓心(a,b)與半徑r的坐標信息.保留檢測到的邊緣信息與圓心信息，關(guān)閉光源，對火花塞進行電壓加載.火花塞在電壓加載下進行放電，產(chǎn)生放電火花，將放電火花坐標信息(xi,yi)代入之前檢測的圓信息中.如滿足關(guān)系xi2+yi2≤r2，則放電火花存在于火花塞的中心電極與側(cè)電極之間，火花塞完好；否則判定火花塞存在缺陷.火花塞檢測效果如圖8所示.

圖7 火花塞缺陷判定流程圖

由圖8的實時檢測效果發(fā)現(xiàn)，檢測系統(tǒng)可以確定火花塞的坐標信息，并成功捕捉到放電火花.為了進一步驗證整個檢測系統(tǒng)的可靠性，選取了30個火花塞進行試驗驗證，每個火花塞在1個放電周期內(nèi)將會被抓拍200次，相機抓拍與脈沖輸出同步工作，每次檢測結(jié)果均會被系統(tǒng)記錄.結(jié)合實際電壓與參考電壓，如果達到點火電壓的火花塞存在1次放電火花不在中心電極與側(cè)電極判定區(qū)，則該火花塞被系統(tǒng)認定為存在缺陷.試驗分為3組，每10個試樣為1組，每組檢測時間只需10 min.

圖8 火花塞檢測效果圖

表3為第1組選取的10個火花塞檢測結(jié)果，其中有7個是完好無缺的，2個存在裂紋缺陷，1個存在針孔缺陷.該組檢測準確率達到100%，符合預(yù)期效果.

表3 第1組火花塞檢測結(jié)果

表4為第2組選取的10個火花塞檢測結(jié)果，其中5個完好無缺，3個存在裂紋缺陷，2個存在針孔缺陷.由檢測數(shù)據(jù)可知，出現(xiàn)1個誤檢.該組檢測準確率為90%.對火花塞進行拆解觀察，發(fā)現(xiàn)陶瓷表面裂紋實際為極其細小的摩擦劃痕，由于擦損太小，因此對整個火花塞工作沒有影響，從而出現(xiàn)了誤檢.

表4 第2組火花塞檢測結(jié)果

表5為第3組選取的10個火花塞檢測結(jié)果，其中6個完好無缺的，3個存在裂紋缺陷，1個存在孔洞缺陷.分析檢測結(jié)果可知，本組檢測準確率達到100%，符合預(yù)期要求.后期又進行了大量的試驗，總體檢測準確率達到95%以上，驗證了本次設(shè)計檢測系統(tǒng)的可靠性.

表5 第3組火花塞檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

1) 通過對火花塞的工作原理進行分析，發(fā)現(xiàn)缺陷點處絕緣性能的不足能夠?qū)е码妷杭虞d下的火花塞放電位置的改變.在此基礎(chǔ)上，通過提取放電火花位置信息來判斷火花塞是否存在缺陷.

2) 設(shè)計了火花塞缺陷檢測系統(tǒng)，利用脈寬調(diào)制原理和電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)了脈沖電壓的輸出與調(diào)節(jié)，并且驗證了可以通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來更改所輸出電壓的大小.

3) 利用機器視覺技術(shù)對放電火花進行位置判定，成功捕捉到了放電火花及其坐標信息.利用Canny算法、Hough算法等方法，實現(xiàn)了邊緣檢測與圓心定位.整個系統(tǒng)運行方便，檢測準確率可達95%，彌補了現(xiàn)有檢測方法的不足.且操作簡單，提高了自動化程度.