动力电池极片涂层均与性在线计量测试系统

摘要

本发明公开了一种动力电池极片涂层均与性在线计量测试系统，主要包括光学成像系统、计算机、连接光学成像系统与计算机的图像采集卡；所述光学成像系统用于产生均匀性、稳定性和亮度满足检测要求的光源，包括第一激光模块、第二激光模块、红外LED模块、双目相机拍摄装置；第一激光模块、第二激光模块用于厚度均匀性检测，红外LED模块用于检测动力电池极片表面的缺陷；所述计算机包括控制单元、图像处理单元；控制单元的输出端连接光学成像系统，用于对光学成像系统的参数值进行设定及优化、计算极片的准确厚度及检测出极板表面的缺陷。本发明能够实现对动力电池极片厚度均匀度检测与缺陷检测的同步进行。

说明书

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是涉及一种动力电池极片涂层均与性在线计量测试系统。

背景技术

近年来，随着新能源汽车推广应用发展，动力电池随之进入了大规模的实用阶段。在动力电池极片涂覆工艺中，表面容易产生空洞、划痕等缺陷以及涂层厚度不均匀，这会严重影响电池的质量和使用寿命。目前一些基于机器视觉的锂电池极片检测技术可以实现对空洞、划痕等缺陷的检测，但对光学成像的图像质量要求较高；对于动力电池极片这类非透明薄膜的厚度测量而言，比较常用的在线测厚方式是上下差动式激光三角测量法，此方法要求上下激光头要做到精确同步，广泛采用的基于C型架扫描式测厚设计的测厚形式，在实际测量过程中会造成C型架上下梁的振动甚至出现微小变形，从而使得上下激光头之间的距离不稳定，对微米级厚度测量会造成较大偏差。目前尚没有可同时实现动力电池极片厚度均匀度与缺陷同步检测的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种动力电池极片涂层均与性在线计量测试系统，能够实现对动力电池极片厚度均匀度检测与缺陷检测的同步进行。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种动力电池极片涂层均与性在线计量测试系统，主要包括光学成像系统、计算机、连接光学成像系统与计算机的图像采集卡；

所述光学成像系统用于产生均匀性、稳定性和亮度满足检测要求的光源，包括第一激光模块、第二激光模块、红外LED模块、双目相机拍摄装置；第一激光模块、第二激光模块用于厚度均匀性检测，红外LED模块用于检测动力电池极片表面的缺陷，双目相机拍摄装置采用明域、暗域成像接收模式相结合的两个摄像机获得待检测极片表面图像；

所述计算机包括控制单元、图像处理单元；控制单元的输出端连接光学成像系统，用于对光学成像系统的参数值进行设定及优化、计算极片的准确厚度及检测出极板表面的缺陷；

所述图像采集卡用于将摄像机采集到的图像数据转换为计算机识别的数据格式，并发送到所述图像处理单元，由图像处理单元对检测目标特征进行分析、处理和识别。

在本发明一个较佳实施例中，所述光学成像系统采用直列式C型固定支架作为主体结构，包括支架主体、安装在支架主体上端的上梁、安装在支架主体下端的下梁，上梁与下梁位于支架主体的同侧；

所述第一激光模块、红外LED模块、双目相机拍摄装置设置在上梁的下表面且呈直线布置；所述第二激光模块设置在下梁的上表面。

进一步的，所述光学成像系统还包括设置在上梁与下梁之间的滑动导轨，滑动导轨上设置有载物台，待测极片固定在载物台上。

在本发明一个较佳实施例中，所述控制单元对光学成像系统进行设定及优化的参数值包括待检测缺陷类型参数、LED红外光源参数、双目相机拍摄装置参数，所述LED红外光源参数包括照射角度、亮度，所述双目相机拍摄装置参数包括明暗域位置、扫描频率。

进一步的，所述双目相机拍摄装置包括明域摄像机、暗域摄像机，采用线阵CCD多光谱一体化摄像机，用于拍摄锂电池极板表面不同缺陷的图像。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一激光模块用于发射激光光束垂直照射至待测极片上表面，所述第二激光模块用于发射激光光束垂直照射至待测极片下表面，第一激光模块发射的激光光束与第二激光模块发射的激光光束在同一条直线上且处于竖直方向。

进一步的，所述第一激光模块与第二激光模块的配置参数包括激光源波长、光斑直径、扫描频率、光源间隔、光源数目完全相同。

进一步的，所述第一激光模块与第二激光模块包括若干个间隔线性分布的激光源，第一激光模块与第二激光模块中位于同一竖直方向的激光源构成一组，每组光源同步照射到极片上下表面同一水平位置处，实现同时对极片上下表面多个位置的厚度测量。

更进一步的，所述激光源的间隔由极片的识别分辨率决定。

在本发明一个较佳实施例中，所述计算机还包括依次连接的显示单元、执行单元、报警单元，显示单元的输入端与所述图像处理单元连接。可以在手机、平板等终端上查看检测结果，并可对不合格极片进行现场预警和应急操作，使得该系统使用更加便捷、智能化程度高。

本发明的有益效果是：

(1)本发明设计的光学成像系统，重点解决了动力电池极板涂层厚度均匀度检测与缺陷检测两种扫描状态的速度匹配、识别匹配问题，实现了厚度均匀度检测与缺陷检测同步进行的全表面检测。该系统的研制将给动力电池生产厂商降低生产成本及大幅提高产品的品质。首先，它可以使检测工作与生产设备同步进行，并且它还是通过全面积检测，对极板的在线检测可以做到检测数据更加精准；其次，检测工作在无人干预的情况下，自动检测，并实时的把检测数据上传到远程服务器，系统软件可以根据这些数据，完成后续的数据误差分析，从而可以节省很多现场测试人力、物力；最后，它可以极大提高产品质量，使得动力电池在生产前期就获取产品的质量数据，避免了产品生产完成后才发现产品的质量缺陷；

(2)所述光学成像系统中的全部激光源竖直照射到极片上下表面上，布置时位于同一个扫描平面，且不存在扫描盲区，上下多个激光源之间具有重复扫描区域，使得同一位置可被多个激光源扫描到，从而获得极片表面同一扫描位置的多个厚度测量值，不仅能够应对载物台上下振动等影响厚度测量的随机扰动，而且为极片的厚度测量提供了一种更加精确的测量方法；上下均匀度检测精度为≤±0.002mm(单面)；通过控制单元对深度卷积神经网络以及图像采集卡与摄像机、极片移动等同步工作时的参数优化，获得了良好的系统性能，极板识别速率≥50m/min，设计扫描宽度≥650mm，缺陷识别精度≤0.05mm。

附图说明

图1是本发明动力电池极片涂层均与性在线计量测试系统一较佳实施例的结构框图；

图2是所述光学成像系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种动力电池极片涂层均与性在线计量测试系统，主要包括光学成像系统、计算机、连接光学成像系统与计算机的图像采集卡。所述计算机包括控制单元、图像处理单元；控制单元的输出端连接光学成像系统，用于对光学成像系统的参数值进行设定及优化、计算极片的准确厚度及检测出极板表面的缺陷。所述图像采集卡用于将摄像机采集到的图像数据转换为计算机识别的数据格式，并发送到所述图像处理单元，由图像处理单元对检测目标特征进行分析、处理和识别。

所述光学成像系统用于产生均匀性、稳定性和亮度满足检测要求的光源，包括第一激光模块、第二激光模块、红外LED模块、双目相机拍摄装置。第一激光模块、第二激光模块用于厚度均匀性检测，红外LED模块用于检测动力电池极片表面的缺陷，双目相机拍摄装置采用明域、暗域成像接收模式相结合的两个摄像机获得待检测极片表面图像。

结合图2，所述光学成像系统采用直列式C型固定支架作为主体结构，包括支架主体、安装在支架主体上端的上梁、安装在支架主体下端的下梁、设置在上梁与下梁之间的滑动导轨，上梁与下梁位于支架主体的同侧。所述第一激光模块、红外LED模块、双目相机拍摄装置设置在上梁的下表面且呈直线布置，所述第二激光模块设置在下梁的上表面。所述双目相机拍摄装置包括明域摄像机、暗域摄像机，优选的，采用线阵CCD多光谱一体化摄像机，用于拍摄锂电池极板表面不同缺陷的图像。滑动导轨上设置有载物台，待测极片固定在载物台上做来回水平Z字形移动，从而可以给出极片表面不同位置处的厚度和缺陷。优选的，所述载物台选用方形载物台，尺寸大小可根据待测极板尺寸进行灵活替换。

具体的，所述第一激光模块用于发射激光光束垂直照射至待测极片上表面，所述第二激光模块用于发射激光光束垂直照射至待测极片下表面，第一激光模块发射的激光光束与第二激光模块发射的激光光束在同一条直线上且处于竖直方向。所述第一激光模块与第二激光模块的配置参数包括激光源波长、光斑直径、扫描频率、光源间隔、光源数目完全相同。所述红外LED模块用于产生红外光源以一定角度照射到待测极片上表面，两个线阵CCD摄像机用于接收明域、暗域成像。

所述光学成像系统采用所述控制单元进行各种控制参数设定，包括待检测缺陷类型参数；LED红外光源参数，包括照射角度、亮度；线阵CCD摄像机参数，包括明暗域位置、扫描频率。

具体的，所述控制单元接收极片传送装置上的编码器感知的极板传送速度信息，并采用内置的新息自适应卡尔曼滤波算法进行高精度测速，根据内置的待检测缺陷类型、极板传送速度与LED红外光源、线阵CCD摄像机的参数关系字典进行查找，得到当前LED红外光源、线阵CCD摄像机的参数值并进行设定。

其中，所述参数关系字典通过将不同缺陷类型(如皱褶、麻点缺陷或者划伤缺陷)的极片样片采用不同速度进行传送，然后调整LED红外光源参数、线阵CCD摄像机参数直至采集到的缺陷图像满足预设检测条件，此时存储相关参数建立所述参数关系字典。

所述预设检测条件原则上应满足获取的缺陷检测图像有助于更精确地识别出缺陷特征点，在实际操作中，当获取的缺陷检测图像由内置的极片表面缺陷识别模型给出的缺陷检测准确率不低于特定阈值时即认为此时满足所述预设检测条件，此时的一组待检测缺陷类型、极板传送速度、LED红外光源和线阵CCD摄像机参数存储到参数关系字典中。

为获得高效率厚度测量，所述第一激光模块与第二激光模块包括若干个间隔线性分布的激光源，第一激光模块与第二激光模块中位于同一竖直方向的激光源构成一组，每组光源同步照射到极片上下表面同一水平位置处，实现同时对极片上下表面多个位置的厚度测量。

优选的，针对厚度测量精度同样受到激光模块的稳定和结构参数的合理配比影响，所述激光源波长、光斑直径、扫描频率、光源间隔、光源数目等配置也采用所述控制单元进行各种参数设定，通过内置的优化控制算法计算给出满足厚度测量指标要求的经济最小化配置参数，默认选用毫米级高分辨率激光源，光源间隔线性均匀排列，数目默认配置上下均为18个(共36个)。所述厚度测量指标包括厚度均匀度检测精度、扫描宽度、极板识别速率及分辨率等。

为获得高精度厚度测量，可将不同已知厚度的物品置于载物台上进行测量，得到不同厚度下的补偿偏移量，补偿偏移量＝真实厚度-测量厚度，并在所述控制单元中进行补偿量设定。优选的，所述补偿偏移量可以采用最小二乘法拟合方法计算给出更精细厚度下的补偿偏移量。

具体的，所述同一批次动力电池极片进行首次厚度测量时，需要进行补偿偏移量标定，再次进行厚度测量时，保持两个激光模块位置固定，则补偿偏移量为固定值，不需要进行再次标定。

为应对载物台上下振动等影响厚度测量的随机扰动，所述全部激光源竖直照射到极片上下表面上，布置时位于同一个扫描平面，且不存在扫描盲区，上下多个激光源之间具有重复扫描区域，使得同一位置可被多个激光源扫描到，从而获得极片表面同一扫描位置的多个厚度测量值，在此基础上，通过查找所述控制单元中预先计算好的补偿偏移量给出厚度最终测量值，即厚度最终测量值＝测量值+补偿偏移量，测量值可以是由多个测量值给出的加权均值。

本发明可以同时对极片上下表面多个位置进行厚度测量，具有很高的厚度测量效率；提出的补偿偏移量拟合方法可以计算给出精细化的厚度测量值，上下均匀度检测精度为≤±0.002mm(单面)。

进一步的，在载物台设有起始位置传感器和终点位置传感器，与极片的起始位置和终点位置相对应。在传感器的信号辨别下，根据设定的所述重复扫描区域大小，滑动导轨将极片起始位置点与相应的激光源进行对齐，并在极片移动过程中开启/关闭相应的激光源。所述极片每个扫描点位置间隔(即识别分辨率)由激光源间隔决定，每个扫描点坐标采用张友正平面标定法进行定标。所述激光源间隔由滑动导轨的最小步进距离决定，在激光模块配置时需要保证激光源间隔与最小步进距离相同。所述滑动导轨由步进电机控制，最小步进距离采用细分驱动技术进行设定。

图像采集卡是摄像机与计算机之间的传输桥梁，为保证图像采集卡与摄像机、极片移动等同步工作，图像采集频率和传输速度参数由所述控制单元进行优化计算给出并实时调整。

计算机图像处理单元用于对数据转化完成后的图片进行校验，利用图像处理算法如：坐标变换、图像灰度化、图像增强、图像滤波、图像分割以及边缘检测等，再对检测目标特征进行分析、处理和识别。具体的，利用多个照射角度获得的多张明域、暗域图像信息综合分析进行缺陷检测。所述计算机图像处理单元在生成动力电池极片表面灰度图像、样本增强图像以及图像标注处理后，将其作为样本数据集，基于交叉熵函数训练深度卷积神经网络。将待检测动力电池极片表面灰度图像输入利用训练好的深度卷积神经网络，实现动力电池极片表面缺陷检测。

在另一个实施例中，所述计算机还包括依次连接的显示单元、执行单元、报警单元，显示单元的输入端与所述图像处理单元连接。

显示单元用于将每一块动力电池极片表面检测情况进行大屏可视化展示，包括当前检测极片的批次编号、系统编号、检测时间、操作员信息等，以及已检极片数目、待检极片数目、合格极片数目等。显示单元还支持手机、平板、电脑等终端显示，可以一键给出不合格动力电池的批次编号，并支持数据导出。

执行单元用于检测到不合格动力电池极片后的操作。所述执行单元可以按照客户需求定制，如自动停机、提供一个异常识别信号，或者进行极板涂层标记等。

报警单元用于检测到不合格动力电池极片后的告警。支持语音播报、大屏弹窗、声光报警等。

作为本发明进一步的优化方案，该系统可以在手机、平板等终端上查看检测结果，并可对不合格极片进行现场预警和应急操作，使得该系统使用更加便捷、智能化程度高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。