工业相机：工作原理、应用与选型指南

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工业相机：工作原理、应用与选型指南

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https://m.xianjichina.com/baike/detail_798.html

工业相机是机器视觉系统中的关键组件，其主要功能是将光信号转换为电信号。与传统民用相机相比，工业相机具有更高的图像稳定性、传输能力和抗干扰能力。本文将详细介绍工业相机的工作原理、应用领域、分类、选型指南、维护保养方法以及常见故障排除方案。

工作原理

工业相机主要基于CCD（Charge Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）两种芯片技术。

CCD芯片相机

CCD芯片的工作原理如下：在感光像点接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到垂直寄存器，传到水平寄存器中，最后才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号实在太微弱了加上在此过程中会产生大量电压损耗，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；因信号只通过一个放大器进行放大，所以产生的噪点较少。但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。

CMOS芯片相机

CMOS传感器的工作流程与CCD传感器完全不同。CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理，问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌—体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器，不过目前这方面的技术已大幅改善。

应用领域

随着国内机器视觉行业的迅猛发展，工业相机在多个领域得到了广泛应用：

工业领域：用于观察材料受到冲击时内部裂纹产生的方向、状态等，分析材料被破坏时物质的结构，以及电子产品的工业在线检测等。
体育项目：捕捉棒球及高尔夫球击球时球的状态、和空气产生的阻力等。
包装和标签行业：实时检测高速印刷中的细微缺陷，如划痕、灰尘、漏印、墨痕和褶皱等。
产品开发和验证：对被摄物的大小没有限制，既可拍摄一般物质，也可用于显微镜摄影。
其他领域：包括机器视觉、科研、军事科学、航天航空等众多领域，特别是在智能交通行业（如超速抓拍、闯红灯电子警察、高速公路、卡口收费等）。

选型指南

选择工业相机时需要考虑以下因素：

系统精度要求和相机分辨率：可以通过公式计算X方向和Y方向的系统精度。
系统速度要求与相机成像速度：需要考虑系统成像（包括传输）速度和系统检测速度。
相机与图像采集卡的匹配：包括视频信号、分辨率、特殊功能和接口的匹配。
价格比较：在满足检测需求后，再考虑价格因素。

举例说明：假设检测任务是尺寸测量，产品大小是18mm10mm，精度要求是0.01mm，流水线作业，检测速度是10件/秒，现场环境是普通工业环境，不考虑干扰问题。在这种情况下，可以选择逐行扫描相机，分辨率至少需要1000600像素，帧率在10帧/秒以上。

维护保养

工业相机是一种精密产品，需要定期清洗和保养：

不要用手指触摸镜头表面：相机镜头是非常精密的部件，其表面做了防反射的涂层处理，用手指触摸镜头，镜头表面会粘上油渍及指纹，对涂层有害，从而影响工业相机使用。
清洗用具的选择：通常来说，压缩空气就足以清除掉工业相机芯片内部的所有杂质，但不宜使用喷雾剂类型的压缩空气，因为这种喷雾剂经常含有水、油等可能损坏芯片表面的物质。同时微纤维可以深入镜头的表面清除杂质，可以实现彻底清除杂质的目的。擦拭工业相机，可以选择浓度90％以上的纯酒精，但注意，不要使用异丙醇，因为异丙醇会吸收空气中的水分，在传感器表面留下液体痕迹。
对不同污渍的清洗要求：

镜头灰尘：可以使用镜头笔，是专门为光学镜头而设计的，不能用于湿的表面，也不能和镜头水，镜头清洁液等混用。
镜头污渍：推荐可丢弃式的专业镜头擦拭纸(擦镜纸)。
相机上有指印或灰尘：气吹或者用用柔软、干燥的布擦拭。若相机污染非常顽固：用布蘸适量中性清洁剂，然后擦干。勿使用汽油或稀释剂等挥发性溶剂否则会损坏表面光泽。
机身缝隙：用清洁棉棒清洁相机缝隙，使用尖头清洁棉棒蘸取少量清洁液，沿按钮或转盘边缘轻轻擦拭。
传感器：一般的粉尘可以用气吹处理，将气吹尽可能近地挨近传感器可以更好地将灰尘吹走；面对顽固的油性灰尘，气吹无法吹走，此时可以使用清洁棒(果冻笔，顶端有粘性)来进行处理。
小镜头：可以用手持的真空笔。

保持将镜头放置到软的表面上：保持将镜头放置到软的表面上，特别是如果光学表面是凸起的，静止地放置到坚硬的桌面上会造成表面的刮痕。
不使用时盖上镜头盖，保存好：对于工业镜头系统或装配来说，在没有使用的时候盖上镜头盖能保护光学表面不被损坏。如果长期不使用相机，那最好在取出电池后，使用密封的包装放置，如果能配备一个防潮箱再好不过。另外千万不要把没有包裹的镜头一起放在一个盒子或袋子中或置于重物下方，以免损坏。

注意事项

选择工业相机时需要注意以下几点：

模拟相机还是数字相机：模拟相机必须带数字采集卡，标准的模拟相机分辨率很低，另外帧率也是固定的。这个要根据实际需求来选择。另外模拟相机采集到的是模拟信号，经数字采集卡转换为数字信号进行传输存储。模拟信号可能会由于工厂内其他设备(比如电动机或高压电缆)的电磁干扰而造成失真。随着噪声水平的提高，模拟相机的动态范围(原始信号与噪声之比)会降低。动态范围决定了有多少信息能够被从相机传输给计算机。数字相机采集到的是数字信号，数字信号不受电噪声影响，因此，数字相机的动态范围更高，能够向计算机传输更精确的信号。
相机分辨率：根据系统的需求来选择相机分辨率的大小，下面以一个应用案例来分析。应用案例：假设检测一个物体的表面划痕，要求拍摄的物体大小为108mm,要求的检测精度是0.01mm。首先假设我们要拍摄的视野范围在1210mm,那么相机的最低分辨率应该选择在：(12/0.01)(10/0.01)=12001000,约为120万像素的相机，也就是说一个像素对应一个检测的缺陷的话，那么最低分辨率必须不少于120万像素，但市面上常见的是130万像素的相机，因此一般而言是选用130万像素的相机。但实际问题是，如果一个像素对应一个缺陷的话，那么这样的系统一定会极不稳定，因为随便的一个干扰像素点都可能被误认为缺陷，所以我们为了提高系统的精准度和稳定性，最好取缺陷的面积在3到4个像素以上，这样我们选择的相机也就在130万乘3以上，即最低不能少于300万像素，通常采用300万像素的相机为最佳(我见过最多的人抱着亚像素不放说要做到零点几的亚像素，那么就不用这么高分辨率的相机了。比如他们说如果做到0.1个像素，就是一个缺陷对应0.1个像素，缺陷的大小是由像素点个数来计算的，试问0.1个像素的面积怎么来表示?这些人以亚像素来忽悠人，往往说明了他们的没有常识性)。换言之，我们仅仅是用来做测量用，那么采用亚像素算法，130万像素的相机也能基本上满足需求，但有时因为边缘清晰度的影响，在提取边缘的时候，随便偏移一个像素，那么精度就受到了极大的影响。故我们选择300万的相机的话，还可以允许提取的边缘偏离3个像素左右，这就很好的保证了测量的精度。
CCD和CMOS：如果要求拍摄的物体是运动的，要处理的对象也是实时运动的物体，那么当然选择CCD芯片的相机为最适宜。但有的厂商生产的CMOS相机如果采用帧曝光的方式的话，也可以当作CCD来使用的。又假如物体运动的速度很慢，在我们设定的相机曝光时间范围内，物体运动的距离很小，换算成像素大小也就在一两个像素内，那么选择CMOS相机也是合适的。因为在曝光时间内，一两个像素的偏差人眼根本看不出来(如果不是做测量用的话)，但超过2个像素的偏差，物体拍出来的图像就有拖影，这样就不能选择CMOS相机了。
彩色和黑白：如果我们要处理的是与图像颜色有关，那当然是采用彩色相机，否则建议你用黑白的，因为黑白的同样分辨率的相机，精度比彩色高，尤其是在看图像边缘的时候，黑白的效果更好。
传输接口：根据传输的距离、稳定性、传输的数据大小(带宽)选择USB、1394、Camerlink、百兆/千兆网接口的相机。
帧率：根据要检测的速度，选择相机的帧率一定要大于或等于检测速度，等于的情况就是你处理图像的时间一定要快，一定要在相机的曝光和传输的时间内完成。
线阵和面阵：对于检测精度要求很高，面阵相机的分辨率达不到要求的情况下，当然线阵相机是必然的一个选择。
CCD靶面：靶面尺寸的大小会影响到镜头焦距的长短，在相同视角下，靶面尺寸越大，焦距越长。在选择相机时，特别是对拍摄角度有比较严格要求的时候，CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。因此在选择CCD尺寸时，要结合镜头的焦距、视场角一起选择，一般而言，选择CCD靶面要结合物理安装的空间来决定镜头的工作距离是否在安装空间范围内，要求镜头的尺寸一定要大于或等于相机的靶面尺寸。