張思祥,王 哲,張 鵬,王 智,趙子豪,周 圍

(1.河北工業(yè)大學 機械工程學院,天津 300131;2.中國電子科技集團公司第十八研究所,天津 300381)

0 引 言

熱電池(thermal battery)，又稱熱激活儲備電池[1]，具有儲存壽命長、無需維護、耐受嚴苛環(huán)境的優(yōu)點，被廣泛應用于武器彈藥電源[2]。由于熱電池的特殊用途，對于熱電池的無損性有著超高的要求。熱電池主體是由多個單體電池組成的電池堆，其出現(xiàn)結構故障多為單體電池的裝配缺陷，熱電池常見的裝配缺陷是由工藝控制不嚴和人工裝配失誤造成的。然而熱電池屬于一次性電池，使用傳統(tǒng)的電化學性能檢測和內部物質結構形態(tài)檢驗會對熱電池造成損傷而無法使用[3,4]。

常用的無損檢測方法包括有射線成像、CT掃描和超聲波檢測等方法。射線成像可以檢測深層和嵌入式缺陷，但是對于小缺陷的敏感性差，且多采用人工分辨的方式，主觀性強容易出現(xiàn)漏檢和誤檢情況。CT掃描能夠掃描深層和嵌入式缺陷，但是CT掃描耗時時間長且尺寸受限。超聲波檢測可用于探傷、定位和尺寸測量，但不能用于非平整平面[5,6]。

本文基于射線成像方法結合圖像處理分析，解決射線成像對小缺陷敏感性差和多依靠人工的問題，實現(xiàn)對熱電池裝配缺陷的自動在線檢測。

1 熱電池內部典型缺陷

熱電池的電池堆是由單體電池構成的，如圖1(a)所示。單體電池的結構一般為負極、電解質、正極、加熱粉、集

流片組成，正確的裝配次序如圖1(b)所示。在電池堆的安裝過程中，由于工藝問題和控制不嚴等問題，會使電池堆結構出現(xiàn)裝配缺陷。這些裝配缺陷都會引起熱電池故障導致單體電池的化學反應無法進行或受到強烈沖擊而導致電池失效[7～9]。引起熱電池重大危害的裝配缺陷主要有單體熱電池漏裝集流片、單體熱電池中裝配次序錯誤和單體熱電池倒裝。

圖1 熱電池單體熱電池結

通過X射線儀攝影，利用電池內不同結構材料具有不同的X射線的穿透性等特點，將電池內部結構的信息特征記錄下來，通過處理、轉換，最終在成像板形成具有反應熱電池結構特征的X圖像。熱電池X影像圖的缺陷特征是微小的，實際上集流片只有80～100 μm，在圖中不易發(fā)現(xiàn)。受拍攝角度的影響，不同角度下，電池堆不同位置的集流片與背景的對比是不一樣的，人工觀測費時費力，當疲憊時檢測的準確率很難保證。熱電池中的單體電池是由不同的材料組成的，在X影像圖中呈現(xiàn)不同的灰度層，這里將對不同裝配的單體熱電池的灰度圖像進行分析比較。電池堆中分割出經過處理后的標準單體電池如圖2(a)，另外三種裝配缺陷如圖2(b)～(d)所示。由圖3可見單體電池中各個部分呈現(xiàn)清晰的層狀結構。

圖2 標準單體電池及其三種裝配缺陷

2 熱電池單體缺陷特征分析

將圖2中單體電池的縱向掃描形成灰度曲線圖。為了更好觀察，將灰度值和位置進行歸一化處理，得到各個單體電池的灰度曲線圖，如圖3所示。從圖3中可以看出:標準單體電池的灰度曲線為階梯狀連續(xù)下降曲線，共有5個臺階分別代表著單體電池的5種組成部分，如圖3(a)所示；出現(xiàn)裝配次序錯誤單體電池，會出現(xiàn)不同變化趨勢的階梯狀曲線，不是連續(xù)下降，如圖3(b)所示；漏裝集流片的單體電池其灰度曲線雖然也是連續(xù)下降的階梯狀曲線，但是由于漏裝了集流片，只有4個臺階，如圖3(c)所示；整體倒裝的單體的電池灰度曲線易于區(qū)分，它與標準單體電池的灰度曲線圖呈現(xiàn)相反的趨勢，即呈連續(xù)上升的臺階狀曲線，同樣有5個臺階，代表著5層組成部分如圖3(d)所示。

提取熱電池的電池堆，經過處理后進行灰度掃描也能得到電池堆的灰度曲線。將圖3中各類型單體電池的灰度曲線圖與電池堆的灰度圖進行對比，初步判斷的各單體電池的是否具有缺陷，理論上采用灰度直方圖判斷熱電池裝配缺陷是可行的。

圖3 標準電池及其三種裝配缺陷灰度歸一化

3 熱電池裝配缺陷檢測算法

3.1 X射線成像參數(shù)設置

該X射線成像系統(tǒng)使用的射線源焦點最小為500 μm，同時能夠提供所需要的最大電流電壓，高壓可達450 kV。使用大電流大電壓可以使電池的X影像圖像更加清楚，同時長時間使用也會對整個成像系統(tǒng)造成很大的壓力,加劇儀器的磨損。實際采用電壓電流值如表1所示。同時工作臺的位置也是可以移動的，針對型號1和型號2兩種型號電池，最合適的位置坐標如表1所示。

表1 X射線系統(tǒng)技術參數(shù)

3.2 圖像處理

區(qū)域分割使用模板匹配，模板匹配法是一種直接分割的方法[10]，匹配電池堆位置利用掩模法分割。本文采用基于灰度的模板匹配法，效果如圖4所示，其特點是使用全部的灰度信息而不需要提前對圖像進行預處理等操作，相比其余模板匹配法能提高匹配的精度和魯棒性[11～15]。

由于X射線源距離不同，得到的影像大小有所差別，因此模板匹配出的電池堆在高度和寬度上都需調整。寬度方面盡量避免中間結構加入帶來的灰度干擾，若是不能完全避開中間結構也使它在垂直方向上干擾信息相同；高度方面應保證最后一個單體電池完整。本文選Shi-Tomasi角點檢測法得到角點坐標，按照坐標位置調整區(qū)域[16,17]。對電池圖片進行二值化、平滑處理、Shi-Tomasi角點檢測、仿射變換旋轉圖像，結果如圖4所示。

圖4 電池堆調整

選取電池堆不同的位置進行從上到下的掃描，得到電池堆的灰度矩陣圖。由于擺放位置和X射線輻射等原因，電池各個部分的明暗程度不同，所以沒有固定峰值。本文采用自對比，分為縱向自對比和橫向自對比。自對比方法很好地解決了將單體電池分割獨立檢測的問題，提高了檢測的適應性和準確性。

提取每段灰度值的波峰和波谷坐標。將波峰波谷的坐標分別存入數(shù)組max和min,然后計算每個波峰和波谷的距離gf，則有

gf[i]=min[i].x-max[i+1].x

(1)

理想情況下，每一個gf代表了一個單體電池的厚度，縱向自對比產生數(shù)組d表示，其計算方法為

d[i]=gf[i]-gf[i+1]

(2)

如果只是用縱向對比，因為電池圖片拍攝所帶來的偶然誤差，會使試驗最后的判定結果準確率受到很大的影響。本文添加橫向對比來保證電池缺損狀況的準確性，提取電池堆后，分別選取電池堆不同的位置進行掃描，本文選取了電池堆的1/7，1/2，2/3和9/10處進行從上到下的掃描。得到4組d值數(shù)據分別為d1,d2,d3,d4。對比相同位置下的d1[i],d2[i],d3[i],d4[i]，由圖5可知，第i個單體電池處的判斷結果輸出為k，k值代表了此位置4個數(shù)中有幾個絕對值大于5。

圖5 橫向自對比流程

4 試驗結果與分析

試驗得到300個標準電池d的數(shù)據，300個數(shù)據分別從不同電池和不同位置獲到的。通過數(shù)據分析得到數(shù)據的直方圖，如圖6(a)所示，可以清晰看到標準單體電池中d的值幾乎全部處于區(qū)間[-5,5]，考慮到樣本中存在試驗誤差，可能導致個別的d的值大于5。

試驗得到100個缺損電池d的數(shù)據，100個數(shù)據直方圖如圖6(b)所示，從圖中可以看到具有缺陷的電池的d值都大于5或小于-5。所以在縱向判定時以d值為判斷依據，選取閾值為-5和5，及大于5或小于-5時，對應單體電池為缺損電池。

圖6 電池堆調整

試驗選取標準電池和缺陷電池各50張，進行試驗。結果如表2所示。分別對k>0,k>1,k>2和k>3進行試驗，得到不同判斷依據下的檢測結果。因為X射線拍攝拍攝圖片存在某些位置拍攝不清的情況，以k>0為判定依據，會大大降低正確電池的正確率；以k>1作為判斷依據，雖然檢測正確率有所提高，但仍不理想；以k>2為判斷依據，可以看出對于標準電池和缺陷電池的檢測正確率都較高；以k>3為判斷依據，雖然無損電池的正確率有所提高，但由于偶然誤差導致缺損電池的檢測正確率降低。故采用k>2為判斷依據，判定該電池的第i個單體電池存在問題，電池為缺損電池。

表2 不同判斷依據試驗結果

5 結 論

本文提出了利用自對比的灰度直方圖法檢測熱電池裝配缺陷的方法，對樣本電池中的標準電池和缺陷電池的灰度圖像進行分析，通過比較各種狀態(tài)下的單體電池的灰度圖像曲線圖，發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)下的單體電池的灰度曲線有著明顯的差異，證實了該檢測方法的有效性。同時試驗對熱電池的電池堆進行了預處理，改善了電池堆的清晰度和位置特性，提高了電池堆中單體電池的特征的辨識度。再對電池進行判斷時，選取了電池堆特征相對明顯的位置，同時比較了不同判斷依據下對電池準確率的影響。根據大量試驗數(shù)據得到：當對電池進行預處理后，同時采用當同一位置k>2為判斷依據認定錯誤的檢測方法，能較好反映單體電池缺陷的特征。試驗證明，本文提出的方法對無損電池檢測正確率為94 %，缺陷電池準確率為96 %，高于常用的測試方法。