CN101750023A - 非接触式厚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触式厚度测量装置，其包括主体、控制器和人机界面，还包括测试台、第一步进放大器、第一步进电机、传动机构、测试臂和光电传感器；测试台包括水平测试面和第一透光孔；水平测试面位于测试台的上方用于支撑被测对象；控制器经第一步进放大器控制第一步进电机的转动；第一步进电机与传动机构相连，传动机构带着测试臂竖直移动；光电传感器包括光电传感器发送端和光电传感器接收端；光电传感器发送端与光电传感器接收端的连线为水平状态。有益效果是：采用本测量装置，其对机加工精度有一定要求，然后由控制器分析、处理光电传感器检测的信号，得出被测对象的厚度，实现高精度厚度值输出。

Description

非接触式厚度测量装置

【技术领域】

本发明涉及物品尺寸测量技术领域，特别是一种非接触式厚度测量装置。

【背景技术】

目前，非接触的测试仪器，有基于光电传感器的，有基于射线传感器的，整体来看其测量精度参差不齐，例如：一设备其设定测量精度为10微米，而实际上其测量精度却远远达不到该要求，一般只能达到100微米；不仅如此，该设备的成本还非常之高，大多需要5万元以上。

传统的测量设备，其依赖于组成该设备的各元器件的制造精度，若设备设计的测量精度高，则要求各元器件的制造精度更高，否则会严重影响该设备使用时的测试精度。但是，高精度的机加工难度很大，就势必造成制造成本的增加，同时，提高安装调试的难度。

【发明内容】

为了解决现有的技术问题，本发明提供一种降低制造精度要求同时提高测量精度的非接触式厚度测量装置。

本发明解决现有的技术问题，提供一种非接触式厚度测量装置，其包括主体、控制器和人机界面，所述控制器与所述人机界面均设置于所述主体上，所述控制器与所述人机界面相连；其特征在于：本测量装置还包括测试台、第一步进放大器、第一步进电机、传动机构、测试臂和光电传感器；所述测试台包括水平测试面和具有第一水平面、第二水平面的第一透光孔；所述水平测试面位于所述测试台的上方用于支撑被测对象；所述第一水平面、所述第二水平面分别为该第一透光孔的内壁上侧与内壁下侧；所述控制器经所述第一步进放大器控制所述第一步进电机的转动；所述第一步进电机与所述传动机构相连，所述传动机构与所述测试臂连接，所述测试臂跟随所述传动机构竖直移动；所述测试臂包括第一测试臂与第二测试臂，所述第一测试臂与所述第二测试臂分别位于所述第一透光孔的两外侧；所述光电传感器包括光电传感器发送端和光电传感器接收端，所述光电传感器发送端设置于所述第一测试臂上，所述光电传感器接收端设置于所述第二测试臂上；所述光电传感器发送端与所述光电传感器接收端的连线为水平状态，且所述光电传感器发送端、所述光电传感器接收端与所述控制器相连。

本发明更进一步的改进是：

所述传动机构包括丝杠与丝杠螺母；所述丝杠竖直设置，该丝杠与所述第一步进电机的输出轴相连；所述丝杠螺母套设于所述丝杠上，所述丝杠的转动带着所述丝杠螺母竖直移动，同时，所述第一测试臂与所述第二测试臂均固定于所述丝杠螺母上。

与所述第一测试臂、所述第二测试臂配合设置第一导向机构和第二导向机构；在所述第一导向机构或者所述第二导向机构上设置位置传感器和限位开关，所述位置传感器、所述限位开关与所述控制器连接。

所述位置传感器包括上限位置传感器和下限位置传感器；所述限位开关包括上限位置开关和下限位置开关。

在所述测试台的上方并与所述测试台正对设置一上平台，所述上平台包括具有第三水平面、第四水平面的第二透光孔，所述第三水平面与所述第四水平面分别为该第二透光孔的内壁上侧与内壁下侧。

所述第一透光孔与所述第二透光孔设置的方向一致。

所述测试台为自动调节式或手动调节式。

所述主体包括用于支撑所述测试台的底面；所述测试台固定于调整平台上，所述调整平台包括固定机构和摆动机构，所述固定机构和摆动机构经转轴相连，所述固定机构与底面相连，所述摆动机构与所述测试台相连；本测量装置包括第二步进放大器、第二步进电机和调节机构；所述控制器经所述第二步进放大器控制所述第二步进电机的转动；所述第二步进电机经所述调节机构改变所述摆动机构与所述固定机构的夹角。

所述调节机构包括一偏心轴；所述偏心轴设置于所述摆动机构与所述固定机构之间，且平行于所述转轴设置；所述第二步进电机控制所述偏心轴的转角。

在所述调整平台的周边设置多个连接于所述底面或所述固定机构的挡板，在该挡板与所述摆动机构之间设置一弹簧，该弹簧的轴心线为竖直方向。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：采用本测量装置，其对机加工精度有一定要求，如0.1毫米即可，然后由控制器分析、处理光电传感器检测的信号，得出被测对象的厚度，实现高精度厚度值输出；本测量装置可广泛用于各类零件、导线、软性材料、纸张以及不可接触对象的测量。

【附图说明】

图1为本发明非接触式厚度测量装置的后面示意图；

图2为本测量装置的侧面示意图；

图3为本测量装置的正面示意图；

图4为自动调节式测试台的结构示意图；

图5为本测量装置电控部分的原理示意图；

图6为本测量装置的工作原理示意图；

图7为本测量装置又一工作原理示意图；

图8为所述测试台调试状态对比示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图8所示，一种非接触式厚度测量装置，其包括主体11、控制器12和人机界面13，所述控制器12与所述人机界面13均设置于所述主体11上，所述控制器12与所述人机界面13相连；本测量装置还包括测试台14、第一步进放大器15、第一步进电机16、传动机构(该传动机构包括丝杠171和丝杠螺母172)、测试臂(该测试臂包括第一测试臂181和第二测试臂182)和光电传感器(该光电传感器包括光电传感器发送端191和光电传感器接收端192)；所述测试台14包括水平测试面141和具有第一水平面142、第二水平面143的第一透光孔144；所述水平测试面141位于所述测试台14的上方用于支撑被测对象28；所述第一水平面142、所述第二水平面143分别为该第一透光孔144的内壁上侧与内壁下侧；所述控制器12经所述第一步进放大器15控制所述第一步进电机16的转动；所述第一步进电机16与所述传动机构相连，所述传动机构带着所述测试臂竖直移动；所述测试臂包括第一测试臂181与第二测试臂182，所述第一测试臂181与所述第二测试臂182分设所述第一透光孔144的两外侧；所述光电传感器包括光电传感器发送端191和光电传感器接收端192，所述光电传感器发送端191设置于所述第一测试臂181上，所述光电传感器接收端192设置于所述第二测试臂182上；所述光电传感器发送端191与所述光电传感器接收端192的连线为水平状态，且所述光电传感器发送端191、所述光电传感器接收端192与所述控制器12相连。

光电传感器发送端191与光电传感器接收端192顺着测试臂竖直方向上下移动，用于检测移动时第一透光孔144、第一透光孔144上方的测试台14部分、被测对象28的光信号通过或阻挡信号，并将该信号传输至控制器12。由于本测量装置在制造的时候，测试台14的结构尺寸为已知量，从而根据光信号的通过或阻挡即可判断被测对象28的厚度值。

在本发明中：

主体1为本测量装置的外壳或支架结构，主要用于作为各个部件直接或间接的安装基础，所以其强度要适当，以免强度不够，造成各元器件之间的相对尺寸不稳定，影响被测对象的厚度值。另外，也起防护作用，以免杂质等破坏影响各元器件的洁净度，从而造成精度下降。

人机界面13即工业人机界面，其是具有控制器的智能终端，实现人和本测量装置之间的信息交互，包括文字、图形显示以及输入等功能。

控制器12是按厚度测试目的而产生控制信息的核心部分，其接受来自光电传感器的测量信号，然后按照一定的控制规律产生控制信号推动第一步进电机工作。

第一步进放大器15用于将第一步进电机16提供脉冲电流。第一步进电机16接收自第一步进放大器15的电脉冲信号并将其变换成角位移以控制转子转动，每接收一个脉冲信号，第一步进电机16前进一步。

本发明的所述传动机构其采用机械传动实现了将第一步进电机16的转动变换成光电传感器的上下移动，该传动机构包括丝杠171与丝杠螺母172的配合，也可采用悉知的其它机械结构实现该功能。如图1所示，所述丝杠171竖直设置，该丝杠171与所述第一步进电机16的输出轴相连，第一步进电机16转动时带着丝杠171相应的转动；所述丝杠螺母172套设于所述丝杠171上，所述丝杠171转动时带着套设其上的所述丝杠螺母172顺着丝杠171竖直移动，同时，所述第一测试臂181与所述第二测试臂182均固定于所述丝杠螺母172上，从而实现了第一测试臂181与所述第二测试臂182同步移动，同理，亦实现了光电传感器发送端191与所述光电传感器接收端192的同步移动，即保持该两光电传感器能够正对配合工作。

光电传感器接收端采用光电元件作为检测元件，其首先把被测量对象造成的光线通过或光线阻挡变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器发送端与光电传感器接收端，其一侧为光源，一侧为接收光信号。光电传感器发送端或光电传感器接收端，采用红外对射式光纤传感器或激光对射传感器，当测量物体时，通过检测光线的通过或阻挡，来确定物体的高度位置。

与所述第一测试臂181、所述第二测试臂182配合设置第一导向机构261和第二导向机构262，且该第一导向机构261与第二导向机构262均竖直设置，第一测试臂181上下移动顺着第一导向机构261的竖直延伸方向，同理，第二测试臂182上下移动顺着第二导向机构262的竖直延伸方向。所述第一测试臂181、所述第二测试臂182设置在丝杠两侧并与丝杠平行，确保测量臂移动时不发生偏移，使其在垂直方向运动。

本发明，当第一导向机构与第二导向机构相较光电传感器发送端和光电传感器接收端靠近于所述测试台时，在第一导向机构和第二导向机构上设置对射孔263，用于光线通过。若相反的，光电传感器发送端和光电传感器接收端相较于第一导向机构和第二导向机构靠近于所述测试台，则无需增设对射孔。

在所述第一导向机构261上设置位置传感器(该位置传感器包括上限位传感器201和下限位传感器202)和限位开关(该限位开关包括上限位置开关211和下限位置开关212)，所述位置传感器、所述限位开关与所述控制器连接，位置传感器用于检测测试臂的位置状态，当位置传感器检测出测试臂到达预定位置时，发送位置信号至控制器12，从而改变对第一步进电机16的输出指令，例如换向；为了进一步提高安全，在位置传感器的外侧设置了限位开关，所以即使控制器还未发出换向指令，测试臂也因接触限位开关而自动换向或是停止。本发明优选将上限位置传感器和下限位置传感器分设于第一导向机构的上下两端，且上限位置开关和下限位置开关分设上限位置传感器和下限位置传感器的外侧。

根据用户需要，上述位置传感器和限位开关能够同理设置在所述第二导向机构上。

本发明在所述测试台14的上方并与所述测试台14正对设置一上平台22，所述上平台22包括具有第三水平面221、第四水平面222的第二透光孔223，所述第三水平面221与所述第四水平面222分别为该第二透光孔223的内壁上侧与内壁下侧。由于设置了上平台22，所以本发明的光电传感器即可以由下向上移动检测信号，亦可由上向下移动检测信号，从而扩大本发明测量装置的使用方案。

所述第一透光孔144与所述第二透光孔223设置的方向一致。优选将第一透光孔144和第二透光孔223均设置成方形透光孔，该两透光孔中心线相互平行。

本发明的所述测试台为自动调节式或手动调节式。

优选采用自动调节式，此时，所述主体11包括用于支撑所述测试台14的底面111；所述测试台14固定于一调整平台112上，所述调整平台112包括固定机构和摆动机构，该固定机构与摆动机构经一转轴113铰接在一起，固定机构与底面连接，摆动机构与测试台连接；本测量装置包括第二步进放大器23、第二步进电机24和调节机构(该调节机构包括偏心轴251)；所述控制器12经所述第二步进放大器23控制所述第二步进电机24的转动；所述第二步进电机24经所述调节机构改变所述固定机构与所述摆动机构之间的夹角，从而将水平测试面141严格调节成水平状态。

所述调节机构包括一偏心轴251；所述偏心轴251设置于所述摆动机构与所述固定机构之间，且平行于所述转轴113设置；所述第二步进电机24控制所述偏心轴251的转角。通过偏心轴来调整测试台与光电传感器发送端与光电传感器接收端对射光线的平行度。

在所述调整平台112的周边设置多个连接于所述底面111或所述固定机构上的挡板114，在该挡板114与所述调整平台112之间设置一弹簧27，该弹簧27的轴心线为竖直方向，保证调整平台112与底面111的稳定接触。

工作原理如下两种方式：

如图6所示，本测量装置在启动前，测试臂在第一透光孔的下方位置，光线被阻挡；测量时，测量臂经过第一透光孔向上移动，当移动过被测对象上端时，光线可以穿过，从第二水平面光线穿过到被测对象上方光线穿过可以得到一个移动的脉冲数据B，而第二水平面光线穿过到水平测试面的移动脉冲数据是一个常数B；B-A即为物体高度的脉冲数据，通过控制器将其还原为实际高度，单位为毫米或厘米。

如图7所示，本测量装置在启动前，测试臂位于第二透光孔的上方，光线被阻挡；测试时，测试臂经过第二透光孔往下移动，当移动过被测对象上端时，光线被阻挡，从第四水平面光线阻挡到被测对象上方光线阻挡可以得到一个移动的脉冲数据B，而第四水平面光线阻挡到水平测试面的移动脉冲数据是一个常数A，A-B即为物体高度的脉冲数据，通过控制器将其还原为实际高度，单位为毫米或厘米。

对射光与测试台的水平调整原理：

如图8所示，通过控制器得到第一透光孔下方的临界值和测试台上方的临界值，得到一个距离的脉冲数据，此数据应该是一个定值，当不同于定值时，则对射线与测试台不平行，如图8上图所示，检测到的脉冲数据B大于定值A，此时通过调整偏心轴的角度直到A＝B，如图8下图所示，调整的方法可以通过控制器控制第二步进电机进行调整，也可以通过手动方式进行调整，用自动调整的好处是可以自动计算调整的角度，手动调整需要较长时间的调节。

本发明为了提高测试精度：

首先，要确保光电传感器发送端与光电传感器接收端的对射光与丝杠垂直，在安装丝杠和测量臂时需考虑垂直，通过调节对射传感器实现，角度偏差不超过0.1°，如果超过此偏差范围，在控制器分析时需要进行补偿；

其次，对射光与测试台平行，通过调整偏心轴的角度调整其平行度；

然后，本测量装置采用红外对射式光纤传感器或激光对射传感器，通过检测光线阻挡和穿过时的临界脉冲数据来实现精度测量，但考虑到阻挡临界和穿过临界值不一样，所以在选择参考位置时，选择同样的临界点。

接下来，选择高性能的控制器，由于处理脉冲信号需要运算速度快的处理器，如果太慢，将会造成测量的误差；

最后，处理输入和输出可采用中断方式，使输入输出响应更具及时性，提高测量精度。

本测量装置采用光电技术和脉冲定位技术，能实现不接触准确测量物体厚度(高度)的功能，测量范围可达为0.1毫米以上物体，精度可以达到0.01毫米(10微米)以下。

该测量装置具有操作简单，有人机界面进行交互，测量快速，通过预估设定(人工估计物体的高度)，可以非常快速测量出被测物体的厚(高)度，该装置安全可靠，自动化程度高，测量结果可直接显示或上传电脑进行处理。

本装置的最大的特点通过传感器的移动来进行检测，并通过传感器临界点的检测实现高精度的测量。所有的检测过程均在控制器控制下运行，通过控制器自动校验测量精度，并进行自动补偿，使测量的精度更高(10微米)，使用该测量装置，通过控制器可以迅速找到测量点，提高测量效率和测量精度、降低劳动成本、在工业企业、科研院所、检测机构、实验室等有应用价值。

本测量装置制造成本很低，所需材料成本和机加工成本不超过8000元(2009年10月物价指数)。

本测量装置采用本测量装置，其对机加工精度有一定要求，如0.1毫米即可，然后由控制器分析、处理光电传感器检测的信号，得出被测对象的厚度，实现高精度厚度值输出；本测量装置可广泛用于各类零件、导线、软性材料、纸张以及不可接触对象的测量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非接触式厚度测量装置，其包括主体、控制器和人机界面，所述控制器与所述人机界面均设置于所述主体上，所述控制器与所述人机界面相连；其特征在于：

本测量装置还包括测试台、第一步进放大器、第一步进电机、传动机构、测试臂和光电传感器；

所述测试台包括水平测试面和具有第一水平面、第二水平面的第一透光孔；所述水平测试面位于所述测试台的上方用于支撑被测对象；所述第一水平面、所述第二水平面分别为该第一透光孔的内壁上侧与内壁下侧；

所述控制器经所述第一步进放大器控制所述第一步进电机的转动；所述第一步进电机与所述传动机构相连，所述传动机构与所述测试臂连接，所述测试臂跟随所述传动机构竖直移动；所述测试臂包括第一测试臂与第二测试臂，所述第一测试臂与所述第二测试臂分别位于所述第一透光孔的两外侧；

所述光电传感器包括光电传感器发送端和光电传感器接收端，所述光电传感器发送端设置于所述第一测试臂上，所述光电传感器接收端设置于所述第二测试臂上；所述光电传感器发送端与所述光电传感器接收端的连线为水平状态，且所述光电传感器发送端、所述光电传感器接收端与所述控制器相连。

2.根据权利要求1所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

所述传动机构包括丝杠与丝杠螺母；所述丝杠竖直设置，该丝杠与所述第一步进电机的输出轴相连；所述丝杠螺母套设于所述丝杠上，所述丝杠的转动带着所述丝杠螺母竖直移动，同时，所述第一测试臂与所述第二测试臂均固定于所述丝杠螺母上。

3.根据权利要求2所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

与所述第一测试臂、所述第二测试臂配合设置第一导向机构和第二导向机构；在所述第一导向机构或者所述第二导向机构上设置位置传感器和限位开关，所述位置传感器、所述限位开关与所述控制器连接。

4.根据权利要求3所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

所述位置传感器包括上限位置传感器和下限位置传感器；所述限位开关包括上限位置开关和下限位置开关。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

在所述测试台的上方并与所述测试台正对设置一上平台，所述上平台包括具有第三水平面、第四水平面的第二透光孔，所述第三水平面与所述第四水平面分别为该第二透光孔的内壁上侧与内壁下侧。

6.根据权利要求5所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

所述第一透光孔与所述第二透光孔设置的方向一致。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

所述测试台为自动调节式或手动调节式。

8.根据权利要求7所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

所述主体包括用于支撑所述测试台的底面；所述测试台固定于调整平台上，所述调整平台包括固定机构和摆动机构，所述固定机构和摆动机构经转轴相连，所述固定机构与底面相连，所述摆动机构与所述测试台相连；

本测量装置包括第二步进放大器、第二步进电机和调节机构；所述控制器经所述第二步进放大器控制所述第二步进电机的转动；所述第二步进电机经所述调节机构改变所述摆动机构与所述固定机构的夹角。

9.根据权利要求8所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

所述调节机构包括一偏心轴；所述偏心轴设置于所述摆动机构与所述固定机构之间，且平行于所述转轴设置；所述第二步进电机控制所述偏心轴的转角。

10.根据权利要求9所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：

在所述调整平台的周边设置多个连接于所述底面或所述固定机构的挡板，在该挡板与所述摆动机构之间设置一弹簧，该弹簧的轴心线为竖直方向。

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