千眼狼高速摄像机在激光焊接中的应用

       激光焊接是材料加工技术应用重要方向之一，因其产能高、自动化程度高、焊缝质量高等特点，被广泛应用于汽车、造船、、造桥等行业。研究影响焊缝效果的因素，如何进一步提升焊接质量，成为行业相关企业研究的热点。

       武汉锐科光纤激光技术股份有限公司专业从事光纤激光器及其关键器件与材料的研发，此次实验主要研究激光焊接功率对焊接效果的影响，特邀千眼狼高速摄像机技术支持工程师用高速图像观测技术，JZ观测材料激光焊接熔池周边和熔池ZX的熔融状态。

       因激光焊接过程中亮度会过曝，普通相机无法拍摄到内部熔池的状态，千眼狼高速摄像机可以采用特殊光源或特殊光路进行拍摄，来观察熔池熔融状态和熔池飞溅方向，如图1。

图1   拍摄现场

       千眼狼高速摄像机技术支持工程师采用特殊光源拍摄两组实验。DY次实验由上至下拍摄，激光焊接机功率2000W，波长1064nm，高速摄像机拍摄工作距离30cm，采用105mm微距镜头，1280X300@6000fps拍摄熔池熔融状态。

       第二次实验激光焊接机功率提高至6000W，拍摄观察熔池ZX迸溅的熔滴与飞溅方向。

上述实验结果表明，激光功率是影响熔池熔融状态与飞溅方向的重要因素。通过高速摄像机观察分析焊接过程中熔池周边和熔池ZX的熔融状态，可研究不同功率下的激光焊接效果，助力生产企业控制生产成本、提高产品质量。

// 千眼狼高速摄像机5F01

● 全幅ZD分辨率1280×1024，小画幅最快可达128000FPS；

● 具备智能帧率、分辨率动态调整功能；

● 具备USB3.0、TRIG、SYNC IN、SYNC OUT等功能接口；

● 具有外同步功能，支持多台摄像机同步拍摄；

● 应用于机械运动、燃烧、微流体微流控、结构力学等领域研究。

Q：怎么选择千眼狼高速摄像机、高速相机的分辨率?

A：千眼狼高速相机、高速摄像机有100万像素、400万像素、1600万像素、2000万像素等多种型号。可以根据需要拍摄的范围、观察精度来确定需要的分辨率。例如，拍摄范围为2米x 1米, 而观察精度为1mm时, 分辨率要大于2000×1000。

Q：相机触发前能保存多长时间？相机的一共能保存多久的视频？

A：1、我公司的2F04系列相机自身不带内存，保存时长取决于存储器的硬盘大小，一秒钟接受380M的数据，硬盘大小足够的话可以半小时以上。

2、其他系列相机触发前保存的Z长时间与相机Z大存储时间相同，相机的Z大储存时间取决于内存和工作的性能参数，内存越大、使用性能越低相机的Z大存储时间越长，一般系列标配的产 品在Z高性能下能存储 8 秒，高配的甚至能实现十几分钟。

Q：2F04的连续拍摄时间只有10几秒，很难抓到我想要的镜头吧？

A：君达高科高速相机同时具有前触发和后触发的功能，方便您轻松捕捉感兴趣的画面。  

      不能否认所有的数据存储设备都有空间的限制，相机也是如此。因为存储容量的限制，所有的高速相机都会面临一个问题，如果拍摄启动的时间太早，可能“兴趣画面”还没有产生，储存设备就已经满了，如果启动的太迟，可能“兴趣画面”已经错过了，可能会丢失重要的信息。然而“兴趣画面”产生的时刻，有的时候是很难预料的。为了解决这个问题，我们引入了后触发功能。  

       当您选择了后触发功能,相机启动后将循环采集，当存储空间满的时候会自动用Z新的帧替换掉Z老的帧，确保当前存储空间中都是Z新的数据。 

       例如，您想捕捉某运动员的跳水过程，相机的采集时间有10秒，跳水过程为3秒，运动员准备时间可能在2秒到30秒之间，所以起跳的时刻是未知的。如果您使用的是君达高科千眼狼系列高速摄像机，您可将相机设置为后触发模式，在运动员准备跳水的时候开始采集，在运动员落水之后，点击停止，那么您将采集到运动员落水之前10秒到落水时刻的画面。

Q：镜头的焦距怎么选择?

A：虽然变焦镜头可以满足多种应用需求，但是定焦镜头可以获得更好的画质，而且价格较低，因此我们推荐客户使用定焦镜头。 用户可以拍摄精度、放大比例、拍摄距离考虑。千眼狼2F04的像元大小为7um，千眼狼2F16的像元大小为3.9um。如果拍摄比例为0.3倍，则2F04可以拍摄Z小7/0.3=23um； 而2F16可以拍摄Z小3.9/0.3=13um。 镜头的说明书上都会写明该镜头的Z大拍摄比例。 一般来说，如果拍摄比例>0.3，可选择微距镜头；如果拍摄比例小于0.3，而其拍摄距离比较近，可选择标准焦距镜头(50mm左右)，或中长焦镜头；如果拍摄距离比较远，可以使用长焦镜头或望远镜头。千眼狼高速相机、高速摄像机的售前技术支持工程师会根据您的具体应用，给您选配Z合适的镜头。

Q：什么是光圈?

A：千眼狼高速相机、高速摄像机都可以手动调节镜头光圈。光圈越大，画面越亮。但光圈增大的同时，景深会缩小，对焦也越难。因此，综合调节光圈和曝光时间才能获得理想的图像。

Q：什么是曝光时间，怎么选择曝光时间呢？

A：相机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在传感器上留下影像。曝光时间越长，图像越明亮。但并不是曝光时间越长也好，曝光时间过长，会出现过曝光，部分图像变成白色；如果拍摄运动的物体，曝光时间过长，还会出现运动模糊。为了拍清楚运动物体，一般要求在曝光时间内，CMOS内图像的移动不超过2个像素。例如，距离5M拍摄运动目标，目标运动速度为70M/S。如果使用焦距为50mm的镜头，成像放大倍数为0.01。千眼狼2F04的CMOS传感器像元大小为7um，因此，要获得边沿清晰的图像，曝光时间应小于7 X 2 / 0.01 / 70 = 20us。

Q：千眼狼高速相机是全局快门吗?

A：是的，千眼狼具有全局快门，适合拍摄高速运动的对象。数字相机通常有滚动快门(Rolling shutter)和全局快门(Global Shutter)两种快门。全局快门是通过整幅图片在同一时间曝光实现的, 传感器的所有像素点同时收集光线，同时曝光。当预设的曝光时间到了，所有像素同时停止收集光线，并将曝光信号转成电子图像。当采用全局快门方式曝光时，所有像素在同一时刻曝光，类似于将运动物体冻结了，所以适合拍摄快速运动的物体。 滚动快门与全局快门不同，滚动快门是逐行曝光的方式，曝光一行输出一行，图像从上到下各行不是同一时刻曝光的。如果物体或摄像头在拍摄期间处于快速运动状态，拍摄结果就可能出现“倾斜”、“摇摆不定”或“部分曝光”等任一种情况, 所以不适合高速运动物体的拍摄。

Q：千眼狼高速摄像机要配怎么样的镜头?

A：千眼狼高速相机、高速摄像机可使用常见的单反相机镜头。 不同厂家生产的镜头，其安装接口是不同的。目前行业中常用的有尼康F口、宾得K口、佳能EF口等接口标准。不同接口直接可以用转接环进行接口转换。千眼狼高速相机、高速摄像机支持尼康F口的镜头。千眼狼高速相机、高速摄像机采用APS画幅的高灵敏度CMOS图像传感器，可以配合所有APS-C画幅或35mm画幅的单反镜头使用。

Q：我完全不懂摄影, 也没用过单反, 能用好千眼狼高速相机吗?

A：不是专业摄影者或者没用过单反相机也可以用好千眼狼高速相机、高速摄像机。千眼狼在售前会派技术人员针对您的测试测量目标，为您制定合适的拍摄方案，经过现场培训保证您可以得到满意的图像。您也可以根据以下说明调整相机：

       根据拍摄范围和镜头的视场角确定拍摄距离；

       根据目标的运动速度确定曝光时间；

       设定相机的曝光时间, 然后转动镜头的光圈环, 直到画面出现；

       转动镜头的对焦环进行对焦；

       如果需要，可以再次调整光圈环，使画面亮度适中，再微调对焦环，Z终获得清晰的图像。

Q：为什么帧率足够了，拍摄出来的画面还是模糊的，有拖影？

A：拍摄出来的画面是模糊的，有拖影即画面动态模糊，主要是由于曝光时间过大造成的；t（曝光时间）×v（运动速度）＜1 pixel

Q：为什么分辨率调小了之后，帧率没有发生变化？

A：对于千眼狼高速相机来说，影响帧率变化的不仅仅有分辨率，还有曝光时间。相机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在底片上留下影像。曝光时间会限制高速相机帧率的上限值；

1s/曝光时间=帧率（Max）

Q：如何加强拍摄时的景深大小？

A：景深是指镜头前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被拍摄物体前后距离范围；景深的大小与以下几点有关系：

      （1） 光圈越小，景深越深

      （2） 镜头焦距越短，景深越深

      （3） 拍摄距离越长，景深越深

       可以综合调节以上几点来加深景深以加大图像清晰范围。

千眼狼研发团队2020年伊始推出户外简单操作便捷式的千眼狼家族shou款便携式高速摄像机，具有轻便、实时调焦、广电级专业画质、5小时自供电、灵活定制等众多特点。

便携式构成一览

千眼狼便携式高速摄像机核心参数

经典应用场景推荐

    ● 体育运动

    ● 动物摄影观测

    ● 实弹出膛

     ●战场态势观测

72×72×75mm

       历经数月精心打磨，攻克37项关键技术，千眼狼研发团队2020年伊始推出基于高度集成化平台全新架构的Mini家族首 款高速摄像机M220，定位面向高速视觉领域中高端细分市场，具有小尺寸、大内存、优画质、高性能、新功能、多接口、抗冲击等众多特点。

       小块头，亦有大胸怀 ↓↓↓↓↓↓

       通过对电路、结构、接口、外观、防护等全面重构，M220实现结构尺寸72×72×75mm，仅相当于一个红富士苹果的大小。在如此ji致尺寸下，成功集成了256GB超大存储，为高速图像采集提供近60s不间断观测，并具备关键数据不丢失的特点。

       有硬核，画质更精彩 ↓↓↓↓↓↓

       M220拥有更高质量的优彩画质，支持10Bit图像存储、导出并保存，更细致的描述图像色彩。视频输出在保留原始数据情况下可选ISP色彩优化功能模块，内嵌智能图像优化处理硬核，为相机装上ding级“显卡”，定格每一帧关键瞬间。

       好基因，身手自非凡 ↓↓↓↓↓↓

       M220迷你高速摄像机在1920×1080全画幅全分辨率下速度高达2,000帧每秒，支持动态框选ROI功能，Z高采集速度可达10万帧每秒，数据吞吐能力超过4GB/s。

       新功能，场景更契合 ↓↓↓↓↓↓

       M220支持用于流场测量系统专属的PIV功能，在高速采用前提下可保证相邻帧间隔时间≤400ns！配合双脉冲PIV激光器片光源，能轻松捕捉高速示踪粒子湍流、涡流等运动行为。同时，M220内置的EDR功能可针对高速采集过程中突发的过曝、曝光不足情况及时调整曝光时间，适用于火炮出膛、爆炸、火箭发射等亮度突变场景下的应用研究。

       多接口，使用更便捷 ↓↓↓↓↓↓

       M220迷你高速摄像机提供各型丰富接口，如SDI、RS-422、授时等….其中设置专属动态存储区，通过SDI接口实时显示图像。RS-422、授时主要用于与系统云台、其他电动动作机构同步jing准通信，助力M220定位核心观察部，便捷集成于小型经纬仪、光电吊舱之中。

       抗冲击，标准更严苛 ↓↓↓↓↓↓

       M220迷你高速摄像机全新架构设计支持抗冲击能力，按≥170G/10ms严苛标准设计，可直接用于汽车碰撞场景。

       ● 自动化生产线工艺改进、故障检测，焊接研究

       ● 经纬仪、光电吊舱等设备集成

       ● 微流控、生物科技等微观领域研究（可搭配显微镜等使用）

M220目前已全面接受预订......

       千眼狼高速焊接测量系统成功助力奇瑞新能源焊接实验室（MIG焊设备）工程师们成功观测到熔滴过渡全过程，提高焊接稳定性。

MIG焊及熔滴过渡形式简介

       MIG焊（melt insert-gas welding）熔化极惰性气体保护焊与TIG焊（常见非熔化极）不同，MIG焊采用可熔化的焊丝作为电极，以连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属。焊丝不断熔化以熔滴形式过渡到焊池中，与熔化的母材金属熔合、冷凝后形成焊缝金属。

       熔滴过渡是指在电弧热作用下，焊条/丝端部的熔化金属形成熔滴，受外力作用从焊条/丝端部脱离并过渡到熔池的全过程。熔滴过渡与焊接过程稳定性、焊缝成形、飞溅大小等有直接关系，进而影响焊接质量和生产效率。

       熔滴过渡按电流电压参数的不同可分为：1短路过渡、2滴状过渡、3喷射过渡。

       1、短路过渡是指焊条/丝端部的熔滴与熔池短路接触，过热和磁收缩的作用下使其爆断过渡到熔池。

千眼狼高速摄像机拍摄的短路过渡图片

       2、滴状过渡是当电弧长度超过一定值时，熔滴依靠表面张力作用可保持在焊条/丝端部自由长大，当促使熔滴下落的力（如重力，电磁力）大于表面张力时，熔滴就离开焊条/丝过渡到熔池。

千眼狼高速摄像机拍摄的滴状过渡图片

       3、喷射过渡是指细小颗粒熔滴以喷射状态快速通过电弧空间过渡到熔池。高速摄像机可助力应用工程师们捕捉上述3种熔滴过渡的全过程。

千眼狼高速摄像机拍摄的喷射过渡图片

实验装置

实验装备：

       千眼狼高速相机5KF20一台、激光光源一台、滤光片一片、采集软件与播放软件各一套。

实验步骤：

       1.架设相机，安装滤光片至相机CMOS图像传感器芯片前，安装微距镜头；

       2.选择焊接位置，激光光源光斑照射至拍摄位；

       3.调整相机拍摄角度，拍摄焊接位置，调节镜头，使成像清晰；

       4.设置采集软件参数，进入采集画面；

       5.开始焊接，触发保存，拍摄焊接过程。

实验亮点

       通过激光光源与相应波长的滤光片搭配，并对相机曝光参数设置可过滤MIG焊焊接时的白色强光，便于仔细观察熔滴滴落的程。通过二次开发，支持每一帧图像对应的焊接机实时电流、电压值同步显示在播放软件上，为工程师们研究焊接稳定、焊接质量、提高生产效率提供有效帮助。

选用合适的高速摄像机—工程师对高速高清均衡型产品的需求

       焊接时熔滴形成到滴落过程通常可达10ms级，工程师们希望能对每个滴落过程进行细微、有效视场的观测，即需要5000 fps以上速度且具有较大视场的高速摄像机。千眼狼5KF20，拥有3000 fps@1920×1080的均衡参数，通过裁剪画幅至1920×528分辨率下实测速度可达到5880 fps，针对每个关键的熔滴过程为应用工程师们定格约50张图片进行分析。

      多相微流控系统是包含两种及两种以上流体或相态的微流控系统，其流道的典型尺度在纳米到亚毫米量级。因其所需流体量少，热质传输响应速率快，产生污染物少等优点，被应用于热控、生物芯片、YL、化工、能源等各个领域。但因流体细小、速度快，存在研究时无法直接清晰观测其流体运动状态和流体运动流速的痛点。

       中科院化学所乔燕教授研究多相微流体试验时，利用千眼狼高速摄像机与显微镜组合拍摄观察微流体中液滴状态及液体流速。此次试验将高速摄像机通过C口转接环连接显微镜镜头上方，以10倍放大倍数清晰拍摄微流体控制过程，如图1所示。

图1 试验现场

       高速摄像机可以每秒1000~10000帧的速度记录，可拍摄整个流体流动过程的动态画面，并能取得精确的微流体尺寸和速度信息。

       试验中通过千眼狼高速摄像分析系统慢放观看微流体中液滴运动过程，如图2所示，并分析得到微流体试验时液相油相不同配比流速时的实验数据，包括液滴直径，液滴数量等相关数据。

图2 慢放帧画面

       多相微流体系统研究对微流控技术发展非常关键。如何建立多相微流体系统相关研究基础理论，解析其反应过程与机制，实现对流体流动及反应的JZ调控，高速摄像机及测量技术可在此研究过程中发挥重要作用。

       千眼狼高速摄像机助力太原理工大学科研团队研究发现复频超声加工单元异常振动频率的产生原因，改良加工单元中核心部件“自由质量块”的设计，提高此加工方法的精度与GX性。       

       智能电子产品消费浪潮驱动下，电子元器件的高度集成化、封装模块化是发展趋势（见图1），工程陶瓷凭借超高导热性使其成为Z佳的散热承载系统，针对具有硬脆特性的工程陶瓷钻削加工技术的研究亦成为热点课题。

图1 多芯片封装组件

       新型的复频超声加工技术虽然克服了传统加工诸如激光、电火花、单频超声振动等的一些如精度无法保障、磨损严重、成本太高等局限，但亦存在加工不稳定等痛点。故需建立加工单元实验系统（详见图2），对其驱动特性、裂纹产生的临界条件研究，并对关键部件设计优化。

       1.工件 2.工作台 3.钻杆 4.自由质量块 5.变幅杆 6.换能器 7.超声波发生器.

图2 复频超声加工单元实验系统

       加工单元中核心部件——自由质量块（详见图3）起着储存和传递能量的作用。通过自由质量块与变幅杆顶端的碰撞与冲击，引入低频大振幅振动，传递能量给钻杆底端，从而有效提高钻杆输出端的振幅。

图3 自由质量块示意

        复频超声加工单元频率即为单位时间内自由质量块完成的完整碰撞运动的次数。在研究人员测定的频谱图中，主要低频信号峰值附件的异常杂频即为自由质量块异常运动造成，故研究人员采用了千眼狼X系列超高速摄像机X213（详见图）, 满幅分辨率1280×1024，满幅帧率13400 fps，实验裁剪画幅至1280×128，速度匹配为120,000 fps，对高速碰撞运动状态下的自由质量块的运动过程进行反复观测、比对，详见图4、图5：

图4 自由质量块的正常运动图像

图5  自由质量块的异常运动图像

       通过图像对比发现，自由质量块的异常运动是由于碰撞运动过程中存在倾斜偏转以及自由质量块的边缘与上下碰撞表面不完全碰撞造成的（详见图5）。发现原因后研究人员对自由质量块的形状进行削边处理（详见图6），成功消除了异常频率，改善振动效果，提高了复频超声加工的稳定性。

 图6 改进后的自由质量块

       高端加工领域中，类似采用高速视觉技术对自由质量块高速碰撞运动周期进行观测，jing准定位细小异常点从而实现产品设计改良的应用场景不胜枚举，如半导体封测领域观测吸头每一次高速起、落，精密刀具的高速切削等等，千眼狼的研发团队将会持续跟踪关注高端工业设备领域，打磨出更多专业好用的高速视觉.