CN1010056B - 激光测厚仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于线性尺寸测量技术领域，涉及一种物体厚度测量仪器。是一种激光测厚仪。该测厚仪包括激光器、视频信号处理器、微机终端处理系统，为适应高频率测量条件，本发明采取电荷耦合器件(CCD)摄像系统作光电转换装置，该发明便于贮存和显示测量数据，适用于任何材料构成的物体厚度的测量，测量温度可达900℃，适用于环境较恶劣的生产线上运行速度较高的冷轧或热轧钢板的厚度的测量，也可用于识别物体表面的凸凹形状。

Description

本发明属于线性尺寸测量技术领域，涉及一种对物体厚度进行非接触测量的激光测厚仪。该发明适用于任何不透明材料构成的物体厚度的测量，可用于环境较恶劣的生产线上运行速度较高的冷轧或热轧钢板的厚度的测量，也可用来识别物体表面的凸凹形状。

现有技术中较为实用的对物体厚度进行非接触测量的方法有以下几种：

1.放射性射线法;

2.激光束偏转法;

3.探测器位移法;

以上方法都存在一定缺点，方法1-放射性射线法只能对所用射线可穿透的物体进行测量，强烈的核辐射对人体及环境有危害性，并且在测量高温物体时精度较差。方法2-激光束偏转法的缺点是仪器结构较复杂，关键器件的性能参数不易保障，使用可靠性差。方法3-探测器位移法，该方法是利用上下两个光路系统，它有两个激光器，两个组合式光电二极管作光接收装置，利用精密丝杠调节两个接收装置间的距离，由于精密丝杠长期使用容易磨损，造成较大的传动误差难以满足测量精度上的要求。

1983年公布的美国专利，专利号为4，375，921“物体尺寸测量装置”，它也是一种对物体厚度进行非接触测量的装置，在该装置中采用了一种结构复杂、使用麻烦的校准装置，用它来修正由物体表面和光电探测器之间的夹角关系、测量距离变化造成的非线性误差以及由定位连杆机械变化造成的非线性误差，该校准装置在量程中需逐 点校准，要求保证在以微米为单位的步进行程中，定位准确，重复性好，这就需要大量校准数据;在该装置中为达到用电压调节来控制光强的目的采用红外发光二极管作光源，由于光波处于3500-7000c/s波段以外，这给调整和检查带来困难;由于用调节电源来调节光强，在测量动态物体厚度时，容易产生滞后现象。该方法需要在光电转换装置的光敏面上设置“中心参考点”，为计数带来一些麻烦。

1972年公布的美国专利，专利号为3，671，726“用于物体厚度测量的光电装置”该发明是用一个望远系统将激光束聚焦的方式，限制了仪器的测量范围，在物体跳动超过聚焦区时，将引入较大误差;该装置采用普通光电探测器作光电转换装置，在测量高温物体时，光学信噪比下降，带来一定误差。

1987年公布的美国专利，专利号为4，647，208“物体孔径的测量方法”，该技术是利用摄像的原理，装置中使用面阵电荷耦合器件，将园孔和十字叉丝的图像投射在该器件上，由计算机定出中心位置，并计算出园孔尺寸;本方法中由于园孔和十字叉丝的相对位置产生的误差是较难克服的。

本发明的目的是提供一种测量精度高、能测量静态物体厚度也能测量动态物体厚度、能测量处于高速运动的物体的厚度的激光测厚仪，该仪器对任何不透明材料构成的物体厚度都可测量，测量中不需复杂的校准装置。

本发明提供的激光测厚仪有上、下两个光路系统，采取激光束垂直入射于物体表面的方式;该测厚仪除包括两个激光器、两个光电转换装置以外，还包括一个电荷耦合器件驱动器、两个视频信号处理器、一个微机处理系统;为了适应对高速运动物体的测量，要求较高的测试频率，本发明采取线阵CCD电荷耦合器件作光电转换装置;经被测物表面反射的激光经线阵CCD电荷耦合器件接收并转换成所需要的电 信号，经视频信号处理器进行包络、放大、平滑处理，经浮动切割形成具有一定宽度的脉冲信号;微机处理系统将此脉冲信号用一定频率的脉冲信号填冲计数，得到相应于物体厚度的数值，由此算出被测物体厚度。

电荷耦合器件驱动器由石英晶体振荡器、分频器、编码器和驱动级组成。

视频信号处理器由采样保持器、放大器、低通滤波器和浮动电压比较器组成。

线阵CCD电荷耦合器件的光敏单元处在激光光束和接收系统的光轴构成的平面内;接收系统的光轴和激光光束之间的夹角为45°～50°。

为消除被测物上下起伏带来的影响，本发明对上、下光路系统采取相同的帧同步信号，并适当提高帧同步信号的频率;为消除随物距及偏轴改变引起的像斑直径的影响，以保证此像斑直径及其变化率最小，将线阵CCD电荷耦合器件的光敏面倾斜放置，使其法线与接收系统的光轴成一定夹角，以便提高仪器的测量精度和测量范围;为减小由仪器振动造成的各部件间的相对位移，各部件都牢固地固定在强度较高的金属台上，以保证测量数据的稳定性、准确性。

本发明所提供的激光测厚仪与现有技术相比，具有如下优点：测量精度高、测量范围宽、可对高速运动的物体进行测量、可对任何材料构成的物体进行厚度测量、允许被测物表面处于较高的温度，该激光测厚仪不需复杂的校准装置。

该激光测厚仪的主要技术指标是：

测量范围：0～5mm    0～60mm    0～1000mm

测量精度：0.5μmm±0.3%H    0.1mm±0.3%H    0.2mm±0.5%H

测量频率：50～500c/s    100～1000c/s    100～1000c/s

测量温度：0～40℃    0～900℃    0～1100℃

其中H为被测物体的厚度。

结合附图说明如下：

图1-激光束偏转法光路系统原理图

图2-探测器位移法光路系统原理图

图3-激光测厚仪电信号流程图

图4-电荷耦合器件驱动器电原理框图

图5-激光测厚仪上光路系统轴向剖视图

图6-脉冲信号波形图

图7-激光测厚仪光路系统原理图

其中：激光器1、光电二极管2、偏转器3、被测物上表面4、被测物下表面5、假想零平面6、激光光束压缩器7、线阵CCD电荷耦合器件系统8、光学透镜9、组合式光电二极管10、精密丝杠11、视频信号处理器13、电荷耦合器件驱动器14、微机处理系统15、被测物16。

图6中（a）尺度方波-线阵CCD电荷耦合器件输出整形后的脉冲，（b）同步脉冲-光电荷转移脉冲，（c）填充计数后的尺度方波，n1、n2为填充脉冲数，（d）填充计数后同步脉冲与尺度方波的时间间隔：N＝n1+n2/2

（N相应于被测物体表面到假想零平面的距离）。

如图5所示，线阵CCD电荷耦合器件系统8与被测物表面之间的距离为50～2000mm，接收系统的光轴和激光光束成45°～50°的角度;线阵CCD电荷耦合器件光敏单元的光敏面的法线与接收系统光轴之间的夹角为5°～20°范围。

图4中的电荷耦合器件驱动器主要由石英晶体振荡器20、分频器 21、编码器24和驱动级26组成，其中还配有与非门22、方波发生器23和直流稳压电源27。

石英晶体振荡器20产生的主振时钟脉冲经分频器21、编码器24处理得到所需各种形式的脉冲信号，同时保证各种脉冲之间所需的同步关系;驱动级的作用是将逻辑门电路（TTL）17的电平转换到所需要的量值，将所产生的各种脉冲信号进行最佳电平选择，其中一路脉冲经过隔离级分成二路同步地驱动上、下光路系统中的线阵CCD电荷耦合器件25，以保持上、下光路系统光电转换在时间上的一致性，实现同点同步测量;另一脉冲信号送至视频信号处理器;再一脉冲信号作为基准时钟信号送至微机处理系统，作同步信号。

如图4所示R-送至视频信号处理器的采样脉冲，SH-送至微机处理系统的同步信号;图3中的视频信号处理器由采样保持器、运算放大器、低通滤波器和浮动电压比较器组成;视频信号处理器对激光束点照射产生的电信号，取包络、放大、平滑处理，经浮动切割，形成形状整齐、具有一定宽度的脉冲信号，如图6（a）所示;微机处理系统将这个脉冲信号及其与图6（b）所示的同步脉冲信号的时间间隔，用一定频率的脉冲信号分别填充计数，得到计数值N，如图6（c、d）所示。按这种方式逐次检测出相应于被测物上、下表面位置的上、下光点中心在上、下（CCD）电荷耦和器件光敏面上相对应的位置，分别用N1、N2表示，其数值由下述方式确定。

在使用本发明的激光测厚仪时，首先在测量范围内确定一个假想零平面（该平面一般是在仪器安装时就被确定），并用标准块规确定一系列与假想零平面间距（d1、d2）已知的上、下平面;分别测得相应的计数值N1、N2，然后建立N1～d1、N2～d2形式的数据表，存入微机的EPROM中。实际测量时，将一定时间内所测得 的N11、N12……N1n和N21、N22……N2n值，根据上述数据表，分别进行查表、内插计算，求得被测物体上下表面与假想零平面的间距：d11、d12……d1n和d21、d22……d2n，二者之代数和就是被测物体各点的厚度，即Di＝d1i+d2i，被测物体的平均厚度：

$\mathrm{D\; =\; 1\; /\; n}\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{D\; i}$

Claims (2)

1、一种对物体厚度进行非接触测量的激光测厚仪，它有两个光路系统、两个视频信号处理器和一个微机处理系统；光路系统包括两个激光器和两个光电转换装置；激光信号由激光器发出，垂直入射到被测物体表面，部分反射光经光电转换装置接收并转换成电信号，再由微机处理系统进行运算得出被测物体厚度；

其特征在于：

该装置还有电荷耦合器件驱动器14，采取线阵CCD电荷耦合器件作光电转换装置，它由电荷耦合器件驱动器驱动；

经被测物表面反射的激光经线阵CCD电荷耦合器件接收并转换成所需要的电信号，经视频信号处理器进行包络、放大、平滑处理，经浮动切割形成具有一定宽度的脉冲信号；微机处理系统将此脉冲信号用一定频率的脉冲信号填冲计数，得到相应于物体厚度的数值；

线阵CCD电荷耦合器件的光敏面倾斜放置，使其法线与接收系统的光轴成一定夹角；

线阵CCD电荷耦合器件的光敏单元处在激光光束和接收系统的光轴构成的平面内，接收系统的光轴和激光束之间的夹角为45°～50°；

电荷耦合器件与被测物表面之间的距离为：50-2000mm。

2、根据权利要求1所述的激光测厚仪，其特征在于：

电荷耦合器件驱动器主要由石英晶体振荡器20、分频器21、编码器24和驱动级26组成，其中还配有与非门22、方波发生器23和直流稳压电源27;石英晶体振荡器产生主振时钟脉冲经分频器、编码器处理得到所需的各种不同频率和脉宽的脉冲信号;驱动级26将各种脉冲信号进行最佳电平选择，这些脉冲信号中：

a.一种脉冲信号经过隔离级分成二路，同步地驱动上、下光路系统中的CCD电荷耦合器件，

b.一种脉冲信号送到视频信号处理器作采样脉冲;

c.一种脉冲信号送至微机处理系统作同步信号;

视频信号处理器由采样保持器、运算放大器、低通滤波器和浮动电压比较器组成;视频信号处理器对由激光束点照射产生的电信号，取包络、放大、平滑处理，经浮动切割，形成形状整齐、具有一定宽度的脉冲信号;

线阵CCD电荷耦合器件的光敏面的法线与接收系统的光轴间的夹角为5-20°。

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