摘要:介绍了频闪仪的构成和工作原理,分析了频闪仪软件系统的完整流程图,给出了PS系列频闪仪的主要技术指标;最后结合印刷检测机器视觉系统讨论了频闪仪的应用。
关键词:频闪仪;视觉暂留;印刷检测系统;机器视觉系统
前言
在现代工业自动化生产中,涉及到各种各样的检查、测量和零件识别工作,其共同特点是连续大批量生产、对外观质量的要求非常高,通常这种高度重复性的工作只能靠人工检测来完成。生产线上的微小尺寸精确快速测量、形状匹配、颜色辨识等,由于被观测物体高速运动,人眼无法连续稳定地进行观察和检验,易出差错。频闪仪观测技术能较好地解决此难题。
频闪仪也叫频闪静像仪或转速计,是能够使作振动、高速旋转或周期运动构件变成“静止不动”构件的一种光学测量装置。PS系列频闪仪外观如图1所示。
频闪仪本身可以发出短暂又频密的闪光,当调节频闪灯的闪动频率,使其与被测物的转动或运动速度接近或同步时,被测物虽然高速运动着,但看上去却是缓慢运动或相对静止,这种视觉暂留现象使人目测就能轻易观测到高速运动物体的表面质量与运行状况,而频闪仪的闪光速度即为被检测物体(例如:马达)转速和运动频率(印刷袋),亦可以利用频闪仪分析物体振动情况、高速移动物体的动作以及高速摄影等。利用频闪仪观测检验技术在欧美已广泛使用,随着我国经济的高速发展,越来越多的行业开始使用频闪仪来帮助解决产品质量检验问题。
频闪仪构成和工作原理
频闪灯的工作原理是根据设定的频率或根据外触发频率来控制闪光灯的闪烁频率,作为一个完整的系统包括人机显示界面、调节和功能选择按键、闪光控制模块、闪光灯供电模块和外触发自动跟踪模块等。频闪仪的工作原理框图,如图2所示
在系统设计中,采用LED数码管作为人机显示界面。LED显示具有高亮、长寿命、控制方便等特点,只要保证驱动电路的可靠性,就可以保证人机界面的长期工作的稳定性。参数设定或功能选择方面,采用高可靠性的欧姆龙轻触按键和具有快速调节功能的旋转编码器作为数据输入元件,配以合理的软件来提高参数设定的速度和方便性。作为一个使用比较方便的产品,必须具有参数保存的功能,在这里采用了非易失性存储器,存放频率、工作模式等参数。
为了达到使用方便、性能稳定、控制精确等效果,整个软件系统的设计就显得很重要。另外,在频闪灯控制系统中还存在一个核心和难点的技术,就是要保证闪光灯的供电电压稳定。只有保证电压的稳定性才能保证灯管闪烁的亮度一致,才能使闪光灯在高频的情况下不会出现漏闪现象。因为灯管在不同频段闪烁的时候消耗的功率是不定的,所以难以控制。当频闪灯作为光源用于印刷质量检验时,对频闪灯的性能又提出了一个更高的要求。频闪灯在收到触发信号后至灯管闪烁的时间必须一致,所以程序控制和电路设计就显得更为重要。图3是软件系统主程序流程图,图4是按键处理模块流程图,图5是外触发处理模块流程图。3个流程图说明了整个软件系统的工作模式,实现频闪仪的频闪及自动频率跟踪功能。
频闪仪主要技术指标
经过特别设计,系列化的频闪仪外观如图1所示,主要技术指标如下:
(1)电源:交流220±10%V,2A,50Hz。
(2)功率:最大功率低于200W。
(3)内触发频率范围:1～500Hz。
(4)外触发频率范围:1～500Hz。
(5)单次工作时间:由功能键任意设定(单位:30s)。
(6)环境光照度:低于10000lx。
(7)外部触发信号范围:5～12V脉冲信号。
(8)照射最大宽度:视频闪仪长度而定。
(9)尺寸(长×宽×高):800mm×115mm×180mm(三联),1250mm×115mm×180mm(四联)。
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实验室和教师介绍
实验室可提供的主要器材
频闪仪1台，其功能为频率可调，频率数值以数字显示。
台式小电风扇1只，三片叶片上分别写上A、B、C，风扇具有快慢档。
微型电扇1只，其三片叶片上分别涂上三原色。
锯条实验架1台，所夹锯条的长度可调。
滴水管系统1套。
一维驻波实验仪1台。
实验目的、意义和要求
人眼是有“视觉暂留”的，利用这一特性，可用一定的频率将拍摄的静止画面以连贯的动作展现在屏幕上。将人类带入现代社会的电影、电视就是利用这一原理。在科研生产领域内，要知道某一物体运动的速度、运动的轨迹和变化的方向，利用频闪法来测量是一种很好的方法。频闪法与照相用的闪光灯原理基本相同，不过闪光灯是每按一次闪光一次，而频闪仪是每隔一定时间发出一次闪光。用这种频闪仪可测量电扇的转速、水滴的流速、弦的振动频率和观测一维驻波的特性等，从中可揭示一些运动物体的形成，规律、特点和内在的物理含义。
实验前应回答的问题
什么是人眼的“视觉暂留”？如果连续移动的画面的频率与人眼“视觉暂留”特点的频率不符时，连续移动的画面将会发生什么现象？
什么是频率？什么是周期？什么是驻波？驻波有哪些主要参数？
什么是光的三原色？
实验内容
打开小风扇，开关置于满档位置，用频闪灯照射其叶片(如图1)，调节频闪仪的频率，直至目视风扇三叶片不动，同时叶片上的字母也不动时，方可记下它的频率。另外将开关置于“快档”按上述做法记下相应的频率。
实验1有时会看到6片叶片“静止不动”，分析此现象。并说明为什么必须满足3片叶片和叶片上面的字母A，B，C都“不动”的情况下方可记录频率。
如果叶片上不写字母，如何测定电扇旋转的频率(实际上3个叶片“静止不动”的频率将不止一个)，从中探索测量电风扇转速的一般规律。
开启微型电扇，在接近微型电扇的转动频率时，三原色叶片的边缘部分将出现什么色彩？请仔细观察。
将频闪仪对准夹有锯条片的铁架台，用手按动锯条片使其上下作受迫振动记下其振幅最高时的频率(因锯条片所作阻尼振动，容易衰减，所以记录时要快)。
改变被振锯条的长度分别并记录各自的振动频率，作出振动频率随被振锯条长度变化的规律图。
将频闪仪对准滴水管系统,开启滴水管的控制装置，让水滴自由下滴并调至合适的下滴速度，记录水滴下滴的中间段的频率。
以实验7记录的频率为基准再将频闪仪对准水滴流的上部和下部，将会看到什么现象？
将频闪仪对准一维驻波实验仪开启实验仪，任意给出一个驻波，调节频闪仪的频率，直到整个波形稳定不动时，记录此时的频率。