激光三角法板材在线测厚系统设计

2011-12-28 14:40:06来源: 互联网
1 引 言
  对板材在线检测,目前国内大多数厂家采用射线法,该方法的优点是快速非接触连续测量,精度不受被测物体弹跳、移动影响,误差可以达到小于待测物厚度的±1%。主要缺点是射线会对人体造成伤害,射线也污染环境。
  三角法是一种成像法,测量精度很高,测量重复性好,可达10μm左右。该方法的特点是远距离与较高的速度和精度相结合,测量点小,适用范围广,不受被测材料的限制,对大多数不透明的物体都可以适用,近年来该方法用于测量位移、厚度,在国内很受重视。
2 测量原理
  用一束激光照射到被测物面上,由物体表面散射光成像,通过光电传感器CCD(电荷耦合器件)将像信号转换为电信号测出其像点位置。物面移动时,因像点相应移动,由此即可求出位移量。在检测过程中,用激光上下表面双三角法,准确地测量运动物体的厚度。
  图1中do和di分别为参考点处的物距和像距;α是散射光接收角;θ是成像角;x是物位移;x′是像位移;d为上下两参考面之间的距离。
  根据公式:

可求出x1,x2;再根据待测物体厚度为x1+x2+d,可求出物体的厚度。
  激光三角法测厚由于其所用激光束径为几十μm,故可对物体进行点测厚,这是射线法对面测厚所不能做到的。另外,激光是可见光,易调试。

3 硬件设计
3.1 探头设计
  激光器采用与CCD光敏光源相匹配的5mW He-Ne激光器,由于该激光器工作寿命可长达5万小时且功率高,这样就能使探测口开小一些,也即光阑口径小一些,使背景光的信号弱。

  光学透镜采用f=60mm,物距、像距都约在120mm,使测量点在光轴附近,若测量范围大时,d取得大些。
3.2 数据采集及接口设计
  CCD线阵(1024个像素,间距14μm)及其驱动电路板探头内,该电路板上自带A/D转换、缓存器和RS485通讯口(传送数据的波特率为38.4Kbps)。RS485-RS232通讯转换模块及微机在监控室,数据传输线采用屏蔽电缆且屏蔽层接地,以消除外界干扰信号的串入。

  两块CCD采用同步时钟同时采样,上一路信号送主机,下一路信号送从机。从机对采集来的数据进行分析处理得到下位移x2,然后送主机。虽然从机功能简单,也要用奔腾机,要满足数据处理的高速度(与主机匹配)及采集和发送数据的高波特率;系统标定的参数由于热胀冷缩及不小心碰撞会发生变化,再次标定参数很方便,直接接上显示器调用标定参数子程序即可;微机的价格现在已很便宜。
4 系统软件设计
  首先通过软件设置CCD的光积分时间,在内存中开辟出1024×8位的存储区供采集来的数据缓存用。主从机各自读COM1口数据,进行阈值二值化处理,然后根据求中点得出像的位置z1、z2,再根据各自像上零点位置z0、z0′求出像位置x′1、x′2,x′1=(z1-z0)×14μm,x′2=(z2-z0′)×14μm。根据标定好的系统参数求出x1、x2,从机把数据x2通过COM2口送主机,主机采得从机数据后得到板材厚度h。然后主机保存该厚度、判断厚度是否正常,若正常则重新采集数据,若不正常则报警,然后去采集数据。主机、从机系统软件流程图略。
5 结束语
  该板材在线测厚系统的精度为20μm,测量重复性好,抗干扰性好。由于数据采集用串行口通讯,每秒采样4个点。

参考文献
1 戴立敏,江潼君.激光三角法测量传感器的精密位移测量.仪器仪表学报,1994,15(4)
2 章小兵.激光三角法测厚研究.中国科学院安徽光学精密机械研究所硕士学位论文,1999
3 章小兵,戚俊,张毅等.一种关于大位移激光三角法测量参数标定方法的研究.量子电子学报,2002,19

关键字:激光  三角法  板材  在线测厚

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1228/article_13636.html
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