頻閃儀

頻閃儀是指控制光源發光，以特定頻率快速閃動的光學測量儀器。頻閃儀可以發出短暫又頻密的閃光，當閃光頻率與被測物體的轉動或運動速度接近或同步時，利用眼睛的視覺暫留或視頻同步，能輕易觀測到高速運動物體的表面質量或運行狀況。

基本介紹

• 中文名：頻閃儀
• 外文名：Stroboscope

發展背景

1945年，德國德雷羅（DRELLO）公司成功開發、製造出世界上第一台套用在紡織機上的頻閃檢測儀，從此頻閃儀被廣泛套用於各工業領域。頻閃儀是每隔一定時間發出一次閃光，利用人眼睛的視覺暫留，使動態的物體靜止化。

視覺是靠眼睛的晶狀體成像，頻閃儀的視覺暫留現象首先被中國人發現，走馬燈便是據歷史記載中最早的視覺暫留運用。宋時已有走馬燈，當時稱"馬騎燈"。隨後法國人保羅 羅蓋在1828年發明了留影盤，它是一個被繩子在兩面穿過的圓盤。盤的一個面畫了一隻鳥，另一面畫了一個空籠子。當圓盤旋轉時，鳥在籠子裡出現了。這證明了當眼睛看到一系列圖像時，頻閃儀閃一次保留一個圖像。

20世紀60年代後，頻閃儀做為一種線上檢測工具，開始在造紙，印刷及鋼鐵行業得到迅速普及，控制市場過程中可能出現的質量缺陷。以DRELLO為領導的頻閃儀已經進入涉及二十幾個工業領域和行業套用，如：攝影技術、封閉空間內動態過程的視頻分析、氣蝕實驗、霧化研究、輪胎研發、燈絲振動、水錶計量、細胞觀測等。

中國發展

頻閃儀的套用技術於20世紀70年代在中國出現，受功率和精度限制，國產頻閃儀只套用於低端印刷企業。
進入90年代，頻閃儀在中國的發展可謂是一日千里，

隨著印刷業在中國的發展，越來越多的印刷企業開始使用頻閃儀，在低端印刷企業，國產頻閃儀憑藉價格優勢，各種型號款式的國產頻閃儀開始大量生產。

但是，國產頻閃儀在製作工藝，產品精度和強度上仍然差距巨大。產品功率僅僅處於幾瓦幾十瓦的製作能力，大大制約了頻閃儀國產行業的發展壯大。德國DRELLO，在幾十年前就可以製作單燈千瓦級功率，照射強度10個焦耳，閃光頻率每秒4000閃等多種款式和用途的頻閃儀。隨著國內經濟規模的發展，中國企業在了解德國產品的實力的同時，已經開始大批量的使用先進國家的產品和技術來解決生產和研發中的問題。

基本概念

簡單地講，頻閃光源是指一種可以快速閃動的光源。而頻閃儀則是指可以用來產生這種光源的儀器，通常用來觀察快速移動或者震動物體，使高速運動物體看上去像靜止的一樣。

頻閃儀可以產生非常短的光脈衝，其持續時間只有1/100000秒。這些高亮度的短暫閃光把高速運動物體的圖象“靜止”在人的視網膜上，使人的大腦得到一個非常清晰，靜止的圖象。當物體繼續移動時，你就可以看到一幅幅靜止的圖象就像你在迪斯科舞廳看到的在頻閃燈下跳舞的人一樣。

頻閃儀燈管

大多數的人都能把頻閃光源與迪斯科或者那些用來檢測馬達運轉的光源聯繫起來。在這些套用當中，頻閃的頻率都比較低，人們可以很輕易地感覺到頻閃，因為每次閃動中間間隔的時間都比較長。在這些套用當中，頻閃光源的頻閃頻率一般都在10-30次/秒左右。所以看上去會有一種明顯抖動的感覺，這就是所謂的閃動效應。

當一個物體在你面前經過的時候，你的肉眼根本沒時間進行聚焦。所以呈現在你眼前的將是一片模糊的景象，模糊的程度取決於運動物體的運動速度和運動物體距離你眼睛的距離。一個比較容易解釋的例子就是：高速運動的風扇的葉片，在葉片轉動時，人的肉眼只能看到一片模糊，俗稱運動模糊現象。

當一個物體以100米/分鐘的速度運行時，人的肉眼就完全無法看清運動物體了，而當運動物體的移動速度在50-100米/分鐘時， 人的肉眼勉強可以看見運動物體，但將非常吃力。在高速運動物體面前，人眼的局限性開始暴露出來：無法對高速運動物體進行有效的聚焦。

頻閃儀下穿過柿子的子彈

人眼的視覺形成過程類似於照相機的成像過程。當膠片上的化學物質被暴光後，形成影象留在底片上。當你要拍攝的物體在運動時，所拍攝的圖象是模糊的。為了使所拍攝的圖象更清晰，攝像師就需要增加照相機的快門速度，更快的快門速度可以減少光線透過鏡頭作用到膠片上。快門打開的時間越短，運動物體在拍攝期間的運動位移也就越小，因而圖象越清晰。但顯而易見的是，我們無法去改變人眼的“快門”，因此，我們必須找到另外一種形式的可以“增加”人眼快門的方法。頻閃光源的短暫脈衝光使運動物體在脈衝光的持續時間內靜止下來的效果類似於照相機的快門功能。Unilux頻閃儀脈衝光源的持續時間只有10-20微秒，激發人的視網膜，產生一種運動物體靜止的效果。一個運動速度高達600米/分鐘的物體在這個瞬間也就移動了0.1毫米，這個幾乎可以忽略不記的位移在人眼看來就像靜止的一樣，模糊消失了，取而代之的是非常清晰的圖象。當增加頻閃儀的頻閃頻率的時候，在你的眼前將形成一系列的清晰圖象。

基本類型

工業生產環境的複雜多樣造成了對頻閃檢測儀的不同需求，按照套用環境和使用方式的不同，將頻閃儀分為攜帶型、線上式、燈頭分離式，專用型和通用型等。特殊套用的頻閃儀還有帶有靜像視頻檢查功能的靜止畫面系統、防爆、防水、UV等種類。

手持攜帶型頻閃儀特點是便於隨身攜帶，小巧輕便，這種頻閃儀多使用大容量的鎳氫充電電池供電，這樣便於頻閃儀在生產線的不同位置更靈活的使用。在工業生產的質檢過程中這種頻閃儀多被用在故障源的尋找上。

燈頭分離式頻閃儀，在使用時需要接入220V的交流電源。該系列儀器都帶有單獨的電氣控制箱，燈頭體積較大，一般採用固定式安裝，其特點是：亮度高、照射面積大、燈管壽命長、可連續作業。

頻閃儀

專用型頻閃儀，是根據各行業對頻閃儀的需求不同而專門開發的行業專用型頻閃檢測儀，以DRELLO德雷羅來講：Drelloscop 1090就是一種鋼鐵冶金行業專用的頻閃儀，用於鋼鐵業各種板材表面質量的視覺和視頻線上監測；Drelloscop 1296適合於監測寬幅而且高速運轉的包裝印刷機的印刷質量，特別適合於連續作業，是視頻檢測的最佳替代品；Drelloscop 1504帶有長時間閃光觸發單元，專用於高速攝像機記錄快速移動物體時的照明。DRELLO還提供特殊功能的防爆、防水、UV等類型產品

基本構成

頻閃燈的工作原理是根據設定的頻率或根據外觸發頻率來控制閃光燈的閃爍頻率，作為一個完整的系統包括人機顯示界面、 調節和功能選擇按鍵、 閃光控制模組、 閃光燈供電模組和外觸發自動跟蹤模組等。

工作原理

在系統設計中 ,採用 LED數碼管作為人機顯示界面。LED顯示具有高亮、長壽命、 控制方便等特點 ,只要保證驅動電路的可靠性 ,就可以保證人機界面的長期工作的穩定性。參數設定或功能選擇方面 ,採用高可靠性的歐姆龍輕觸按鍵和具有快速調節功能的旋轉編碼器作為數據輸入元件 ,配以合理的軟體來提高參數設定的速度和方便性。作為一個使用比較方便的產品 ,必須具有參數保存的功能 ,在這裡採用了非易失性存儲器 ,存放頻率、 工作模式等參數。

為了達到使用方便、 性能穩定、 控制精確等效果 ,整個軟體系統的設計就顯得很重要。另外 ,在頻閃燈控制系統中還存在一個核心和難點的技術 ,就是要保證閃光燈的供電電壓穩定。只有保證電壓的穩定性才能保證燈管閃爍的亮度一致 ,才能使閃光燈在高頻的情況下不會出現漏閃現象。因為燈管在不同頻段閃爍的時候消耗的功率是不定的 ,所以難以控制。當頻閃燈作為光源用於印刷質量檢驗時 ,對頻閃燈的性能又提出了一個更高的要求。頻閃燈在收到觸發信號後至燈管閃爍的時間必須一致 ,所以程式控制和電路設計就顯得更為重要。

使用方法

按鍵使用說明

1.顯示當前閃光頻率

頻閃儀

2.LED指示燈亮起，表示以分鐘為時間單位

3.主選單按鈕，LED指示燈亮起，可進行功能選擇

4.智慧型調節器，可用於頻率和選單選擇，按下時為頻閃儀開關

5.按下即可對當前頻率2倍

6.電源開關

7.外接同步接口

8.按下即可當前頻率1/2倍

9.按下表示外接同步控制

10.LED指示亮起，表示以秒為時間單位

具體操作步驟

1) 先估測圖案的運動頻率。頻閃儀在測量直線工作的物體，如印刷機及檢品機等的操作上，並非是用來測量“印刷滾筒或馬達”的轉速，而是希望獲得同步靜止畫面，以監控其印刷品質.換言之,欲調整頻閃儀閃光速率時,應依據“每分鐘拉出多少張畫面”的頻率來調整,而非依據“每分鐘拉出多少米”調整。在實務上我們以印刷機為例：

假設印刷機每分鐘印出 100Meters,且印出之圖面長度為10cm,則該等機械每分鐘應是印出1000張圖面.其計算方法如下:

1 米 ÷ 10cm = 10 張……………表示每米包括 10 張圖面。

10 張 × 100 米(每分鐘)=1000 張……表示每分鐘印出 1000 張圖面。

此時,如將頻閃儀的閃光速率調整到 1000FPM 後,即可輕易獲得清晰之同步靜止畫面。因此,如果尋找直線運送中圖面的同步靜止畫面,應預先以上列的計算法,算出每分鐘印出多少張圖面後,再來調整頻閃儀的閃光速率,將可較輕易獲得其同步靜止畫面。同理,也可輕易地換算出該設備的產量。

2) 將頻閃儀的閃光源照射向被測物體。

3) 由高頻往低頻方向調整到估算頻率,再微調直到被測物體顯現出第一個清晰的同步靜止畫面為止。在確認靜止畫面時可藉由該被測物體的外、輪廓、標記等等,來確認是否與停止不動時的畫面完全相同,也可以調整其兩倍的頻率，來確認是否存在兩個重疊影像,從而確定其一倍頻率時的影像,絕對是真實同步靜止畫面,也是其真實的 RPM或 FPM。

4) 讀出數字幕上所顯示的數值,即是該被測物體之每分鐘的工作次數(或稱RPM;或稱 FPM)。

以上步驟適合於機器速度比較穩定的場合，因為此時被觀測對象也是以一個穩定的頻率出現，從而可以實現比較好的觀測效果。此外，當機器速度不斷變化時，被觀測對象的頻率也不斷變化，此時以固定頻率閃光的內部控制模式不能適應，此時應當採用外部控制模式。通過自動同步頻閃儀外接感測器獲取外部圖像的信號，來一個圖案，頻閃儀就閃光一次，從而實現圖案的自動同步跟蹤。

技術指標

經過特別設計 ,系列化的頻閃儀外觀如圖所示 ,主要技術指標如下:

(1)電 源:交流 220 ± 10%V, 2A, 50Hz。

(2)功 率:最大功率低於 200W。(3)內觸發頻率範圍: 1～500Hz。

頻閃儀

(4)外觸發頻率範圍: 1～500Hz。

(5)單次工作時間:由功能鍵任意設定 (單位:30 s)。

(6)環境光照度:低於 10 000 lx。

(7)外部觸發信號範圍: 5～12V脈衝信號。

(8)照射最大寬度:視頻閃儀長度而定。

(9)尺寸 (長 × 寬 × 高 ) :800mm × 115mm × 180mm (三聯 ) ,1250mm × 115mm × 180mm (四聯)。

產品特點

1. 內觸發/外觸發選擇快速轉換；兩倍頻、半倍頻快速調頻功能；2. 外觸發工作方式時(利用光電信號)，能夠實現圖案的自動跟蹤功能；

頻閃儀

3. 內置存儲器，具有閃光頻率和內部參數自動記憶功能,為下次使用提供方便；

4. 採用進口編碼器，配合精簡的操作軟體，旋鈕調節更加快速、精確、實用，使用時方便自如,得心應手；

5. 軟體具有頻閃相位角調節功能；

6. 自動停閃等功能，節省用電，同時提高頻閃燈的使用壽命；

7. 採用德國進口頻閃燈管，內置高性能開關電源模組，提高閃光亮度及工作可靠性；

8. 最新產品，性能進一頻穩定，使用時間長，故障非常少。

功能簡介

1. 頻閃儀(俗稱手提式或帶線頻閃儀)主要特點是便攜手提式，小巧輕便；使用時需要接入交流電源有AC220V和AC110V兩種電源類型。該系列儀器採用高性能單片機作為核心處理單元，專用顯示晶片驅動數碼管，配置實時作業系統。數碼管實時地顯示每分鐘的閃光次數及工作狀態。能夠很直觀、整幅地觀看被照射的高速運動物體表面圖案，不會造成任何色彩失真。

頻閃儀

2. 本儀器主要適用於印刷行業：印刷機、檢品機、分切機、復卷機及需要測速計數、測頻率的場合，也可以利用它進行各類轉子、齒輪嚙合、機器振動診斷、紡織製造等高速運動物體表面缺損及運行軌跡的監控。亦可以固定在機器上，採用外觸發自動跟蹤方式，達到非常滿意的自動閃光檢測效果。

套用領域

頻閃儀已被廣泛套用于軍工、航天、鋼鐵業、印刷包裝業、造紙業、船舶製造、汽車工業、輪胎檢測、電機測試、計量、產品研發等行業領域。具體套用於：對飛機引擎的運行、震動進行視覺監測；鋼材冷軋車間以及薄板鍍層車間，視覺監測產品表面缺陷；螺旋槳，渦輪機及推進系統中氣蝕現象的監測；紙製品表面質量檢測和紙幅成形過程的檢測；印刷包裝生產過程質量檢查：如奶包生產的質量視覺檢查；葉輪機的可視檢測；發動機研製過程中監測噴油性能；尾氣處理裝置的震動頻率分析；輪胎測試；攝像、高速成像以及視頻技術；監控電纜的標記和捻線機工作情況；非接觸性轉速測量；飲料加工行業線上產品檢查；帶光導體的頻閃檢測儀的顯微鏡和內窺鏡套用等。

印刷機器視覺系統主要包括:頻閃照明光源、CCD 照相機、圖像處理單元(或圖像捕獲卡) 、圖像處理軟體、監視器、通信/輸入輸出單元等。首先採用攝像機獲得被測目標的圖像信號,而採集信號必須由頻閃儀按CCD 採樣頻率頻閃照明、採樣(攝取高質量圖像),然後通過A/ D轉換變成數位訊號傳送給專用的圖像處理系統,根據像素分布、亮度和顏色等信息,進行各種運算來抽取目標的特徵,然後再根據預設的判別準則輸出判斷結果,去控制驅動執行機構進行相應處理。

該系統中,高質量的光源與照明方案往往是整個系統成敗的關鍵,起著非常重要的作用,它並不是簡單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應儘可能地突出物體特徵量;在物體需要檢測的部分與那些不重要部份之間應儘可能地產生明顯的區別, 增加對比度;同時還應保證足夠的整體亮度;物體位置的變化不應該影響成像的質量。在機器視覺套用系統中,一般使用透射光和反射光。對於反射光情況應充分考慮光源和光學鏡頭的相對位置、物體表面的紋理;物體的幾何形狀、背景等要素。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發光的光譜特性等;同時還要考慮光源的發光效率和使用壽命。

該系統通過攝像機在頻閃儀的配合使用下高品質攝取生產線上印刷品的圖像, 並把圖像顯示在顯示器上, 圖像刷新速度可調, 以便於檢測人員對印刷產品進行抽檢,通過對攝取的圖像的處理和分析, 可精確檢測縱向和橫向套色偏差並採用全數位化交變頻伺服驅動器進行位置校正, 同時, 通過定量分析圖像的相關參數來檢測其他一些重要因素如各色油墨的質量、墨屑等。

檢驗問題

在現代工業自動化生產中 ,涉及到各種各樣的檢查、 測量和零件識別工作 ,其共同特點是連續大批量生產、 對外觀質量的要求非常高 ,通常這種高度重複性的工作只能靠人工檢測來完成。生產線上的微小尺寸精確快速測量、 形狀匹配、 顏色辨識等 ,由於被觀測物體高速運動 ,人眼無法連續穩定地進行觀察和檢驗 ,易出差錯。頻閃儀觀測技術能較好地解決此難題。

頻閃儀也叫頻閃靜像儀或轉速計 ,是能夠使作振動、 高速旋轉或周期運動構件變成“ 靜止不動 ” 構件的一種光學測量裝置。

頻閃儀本身可以發出短暫又頻密的閃光,當調節頻閃燈的閃動頻率,使其與被測物的轉動或運動速度接近或同步時,被測物雖然高速運動著,但看上去卻是緩慢運動或相對靜止,這種視覺暫留現象使人目測就能輕易觀測到高速運動物體的表面質量與運行狀況 ,而頻閃儀的閃光速度即為被檢測物體(例如:馬達 )轉速和運動頻率 (印刷袋 ) ,亦可以利用頻閃儀分析物體振動情況、 高速移動物體的動作以及高速攝影等。利用頻閃儀觀測檢驗技術在歐美已廣泛使用 ,隨著我國經濟的高速發展,越來越多的行業開始使用頻閃儀來幫助解決產品質量檢驗問題。