基于图像处理的石英晶体片分选系统

1 引言

石英晶体片是石英晶体振荡器的核心，封装外壳后即成为石英晶体振荡器，是电子设备中应用非常广泛的一种电子元件。在石英晶体片的生产过程中，要经过切割、研磨等工艺过程，其中一部分石英晶体片会产生崩边、掉碴、裂纹、断裂、划伤等物理缺陷，这样的残片必须筛选出来。目前生产过程中主要是依靠人工，通过目视方法检验石英晶体片存在的缺陷。这种方法存在如下弊端：

1) 检验结果不统一。缺陷的形状千差万别，由于人的视觉及思维的差别，对存在的缺陷很难用准确的图形和文字描述，因此既没有行业标准，各企业也没有量化的检验标准，即使是同一个操作人员，两次检验结果也不完全一样。

2) 检验结果易受人为因素影响。由于工作枯燥、持续时间长、眼睛容易疲劳，检验完全是凭感觉，检验结果在很大程度上取决于人的精神和身体状态。

随着计算机、图像处理、通讯以及控制技术的飞速发展，目前已经具备了改变石英晶体片检验现状的技术基础。笔者研制了一种基于图像处理的光机电一体化石英晶体片分选系统。为石英晶体片品质筛选开辟了新的途径。

2 系统工作原理

石英晶体片品质分选系统是光机电一体化的高技术设备，采用计算机图像处理技术识别石英晶体片品质，在完成对样本的人工建模后，能自动完成石英晶体片输送、检测、分类，可以完全取代人工检测，大大提高了产品质量。

石英晶体片品质分选系统从硬件上分为物料输送、分选机构、图像采集、控制器、电源和电脑主机6个组成单元，如图1所示。从软件上分为控制器软件和图像处理软件包两部分。

物料输送单元是由振动输料器和驱动电路组成，实现物料的自动输送。其中振动输料器包括圆振和直振两部分，圆振同时也是桶形料仓。在桶壁上有从底到顶的螺旋线形料道，石英晶体片在振动的作用下，沿料道形成连续、整齐的排列运动，最终到达料仓出口。直振的人口与圆振的出口相连，在直振的出口处有一个光电开关，用于检测该位置是否存在石英晶体片。石英晶体片在振动的作用下直线行走，当停止振动时即运动停止。

分选机构单元由步进电机、检测盘、分选盘和电磁铁组成。检测盘和分选盘安装在步进电机轴上，由步进电机驱动同步旋转。检测盘和分选盘上都均匀分布了8个孔，分选盘底部带有翻盖，并在翻盖上安装有永久磁钢。当检测盘静止时。直振的出口对准检测盘上的一个孔，石英晶体片可以落入检测盘。同时检测盘上的下一个孔位与光学显微镜头相对应。分选盘静止位置下安装有电磁铁。电磁铁通电后翻盖打开，使该孔内的石英晶体片落入料盒内。

图像采集单元由光学显微镜、CCD摄像头和高分辨率图像捕捉卡组成。图像捕捉卡安装在电脑主机中。通过调节光学显微镜的焦距和放大倍数，可以获得满意的图像。CCD摄像头实现图像的光电转换，图像捕捉卡最终完成计算机成像。

控制器单元由单片机和USB通信接口、步进电机驱动电路、电磁铁驱动电路、振动盘输料器控制电路等组成。单片机通过USB通信接口接收控制命令和分类命令，从而控制整个系统的机械动作。

图像处理软件是基于Windows操作系统的应用软件，具有人机对话、样本生成、图像数字处理、分类及管理全系统的功能。该软件采用VC++语言编写。

以一个石英晶体片的分选过程为例，系统工作原理如下：

物料输送单元是由振动输料器和驱动电路组成，实现物料的自动输送。其中振动输料器包括圆振和直振两部分，圆振同时也是桶形料仓。在桶壁上有从底到顶的螺旋线形料道，石英晶体片在振动的作用下，沿料道形成连续、整齐的排列运动，最终到达料仓出口。直振的人口与圆振的出口相连，在直振的出口处有一个光电开关，用于检测该位置是否存在石英晶体片。石英晶体片在振动的作用下直线行走，当停止振动时即运动停止。

分选机构单元由步进电机、检测盘、分选盘和电磁铁组成。检测盘和分选盘安装在步进电机轴上，由步进电机驱动同步旋转。检测盘和分选盘上都均匀分布了8个孔，分选盘底部带有翻盖，并在翻盖上安装有永久磁钢。当检测盘静止时。直振的出口对准检测盘上的一个孔，石英晶体片可以落入检测盘。同时检测盘上的下一个孔位与光学显微镜头相对应。分选盘静止位置下安装有电磁铁。电磁铁通电后翻盖打开，使该孔内的石英晶体片落入料盒内。

图像采集单元由光学显微镜、CCD摄像头和高分辨率图像捕捉卡组成。图像捕捉卡安装在电脑主机中。通过调节光学显微镜的焦距和放大倍数，可以获得满意的图像。CCD摄像头实现图像的光电转换，图像捕捉卡最终完成计算机成像。

控制器单元由单片机和USB通信接口、步进电机驱动电路、电磁铁驱动电路、振动盘输料器控制电路等组成。单片机通过USB通信接口接收控制命令和分类命令，从而控制整个系统的机械动作。

图像处理软件是基于Windows操作系统的应用软件，具有人机对话、样本生成、图像数字处理、分类及管理全系统的功能。该软件采用VC++语言编写。

以一个石英晶体片的分选过程为例，系统工作原理如下：

1) 控制器控制直振起振，一个石英晶体片落人检测盘的孔内。直振上的光电信号反馈到控制器，直振停止。

2) 步进电机旋转45°，刚落入检测盘的石英晶体片被送到光学显微镜的镜头下，控制器向电脑主机发出定位完成信号。

3) 接收到定位完成信号后，电脑主机上的图像处理软件包首先调用摄像程序，拍摄石英晶体片图像。然后电脑主机再向控制器发出摄像完毕信号，调用图像处理程序，按事先制订的规则分类，并将分类结果发送至控制器。

4) 控制器接收到摄像完毕信号后启动步进电机。

5) 在步进电机旋转过程中，石英晶体片从检测盘落入分选盘。

6) 控制器接收到分类结果后，在步进电机停止时，根据分类结果驱动相应的电磁铁，使翻盖打开，石英晶体片落入相应的容器内。

在生产中上述步骤是连续、同步的，由于检测盘的运行速度较慢，图像处理基本上是在检测盘运行过程中进行的。而装入石英晶体片、摄像、卸料等动作是在步进电机的每一次停止中实现的。