CN101825438B - 一种板材厚度的激光测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板材厚度的激光测量装置，包括激光器、摄像机、黑屏和计算机。使用时，激光器和黑屏分别位于被测板的两侧，激光出光点S在被测板底面上方，激光器的出射光路上设置有挡板，挡板挡住约三分之一光斑直径的激光光束；摄像机与激光器位于被测板的同一侧，且摄像机的入射光孔T位于被测板的底面下方，摄像机的镜头前安装有滤光片，计算机与摄像机相连；本发明综合利用激光三角法和光学成像法原理，激光器倾斜照射到被测物体的侧面，形成“光带”，经滤光片滤除激光波长以外的杂散光后，成像于CCD靶面上，经图像处理得到被测物体厚度值。相对于目前工业现场采用的双激光三角测量激光测厚仪而言，安装方便，受被测物体高温热辐射影响大大减小。

Description

一种板材厚度的激光测量装置

技术领域

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装置，具体为一种板材厚度的激光测量装置。由于采用激光倾斜照明综合利用激光三角法和光学成像法的原理，因此安装方便，受被测对象高温热辐射的影响较小。本发明可以用于冶金工业等领域中的板厚测量。

背景技术

为了满足现代工业的高效、精确、实时在线的主动测量要求，各种非接触实时在线测量方法随之出现，对于板厚测量而言，目前国内外各种生产线上使用的非接触测厚方法主要包括射线法、涡流法、电容法、光学法等。其中涡流法、电容法在冶金工业中仅适用于冷轧生产线，而且测量环境要求高、测量精度受外界因素影响较大，相比之下射线法、光学法适合于各种生产线，因而广泛应用于现代板厚测量中。

射线法测量精度高，可以达到小于等于待测物厚度的±0.2％，能够实现快速非接触测量，但射线对操作人员有害而且污染环境。

目前工业现场测厚大都采用上下双激光三角测量法，两探头分别位于被测板的上下表面两侧，给安装带来了一定的困难，再者，对于高温工作场合，被测对象的大面积高温辐射，激光器、光学透镜及光敏器件都会受到影响，整个系统的测量精度难以保证甚至威胁到其正常运行，系统中的各个器件的使用寿命也将受到影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种板材厚度的激光测量装置，该装置具有实用性好、安全可靠、无辐射和测量精度高的特点。

本发明提供的一种板材厚度的激光测量装置，其特征在于：该装置包括激光器、摄像机、黑屏和计算机；

使用时，激光器和黑屏分别位于被测板的两侧，激光出光点S在被测板底面上方，激光器的出射光路上设置有挡板，挡板在水平方向挡住约三分之一光斑直径的激光光束；摄像机与激光器位于被测板的同一侧，且摄像机的入射光孔T位于被测板的底面下方，摄像机的镜头前安装有滤光片，计算机与摄像机相连；

被测板的迎光面底边上的一点记为D，直线C₁C₂表示经过D点的水平线，DC₂₂表示被测板绕D点的可能的最大顺时针倾斜位置，DC₂₁表示被测板绕D点的可能的最大逆时针倾斜位置，ω和-ω分别表示被测板可能的最大逆时针倾斜角和最大顺时针倾斜角；S与D的连线与水平线DC1在垂直面上的夹角β满足式I的要求，

ω＜β＜ω+1°    I

设挡板的底边上的一点为W，当被测板有横向位移时，在满足被测板的迎光面与SW的交点位于摄像机的视场内的前提下，SW与被测板的迎光面的夹角γ尽可能小；

摄像机视场的下光线记为MT，MT与水平线DC₁在垂直面上的夹角η满足式II的要求；

ω＜η＜ω+1°    II。

本发明提出的装置安装在距被测对象一定距离的侧面，因此该方法相对双激光三角测量法安装方便，受热辐射影响大大减小。该装置可以解决目前广泛应用于工业现场生产线的上下双激光三角测厚仪的安装困难及受被测对象的高温热辐射影响的问题。具体而言，本发明具有以下优点：

1.由于在被测板的侧面进行厚度的测量，因此，被测板的高温和钢屑的影响大大减弱；

2.由于在被测板的侧面进行厚度测量，因此，安装时不会对既有的轧钢生产线产生任何影响；

3.由于采用倾斜照明和倾斜成像，可以允许被测板的一定程度的翘曲；

4.由于采用倾斜照明和挡板产生定位光边缘，可以测量离焦量，因此，当被测板在轧机轨道上有横向位置偏移时，根据离焦量可以校正由于离焦所导致的像的放大率的变化。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置的主视图；

图3是本发明装置的俯视图；

图4是光带示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例为本发明作进一步详细的说明：

本发明的基本原理如图1所示，其工作过程如下：

对于红热状态的被测板2，采用绿光激光器1照射在被测板2的迎光面(本发明称被测板上靠近激光器的侧面为被测板2的迎光面)，产生一个“绿色光带”，经过滤光片3将热辐射和背景光等绿光以外的杂散光滤除后，被摄像机4的镜头成像于摄像机CCD靶面上，将采集到的图像传输到计算机7，经图像处理计算得出采集的成像光带的像高h，根据像高h与被测板2厚度d的对应函数关系，即可得到板厚数据d。

针对不同状态的被测板2，激光器1的激光波长也相应的变化，总的原则是，激光器1所发出的激光的颜色与被测板2本身发光的颜色或反射光的颜色不同就可以了。

由于在生产过程中，被测板本身形状有弯曲或扭曲，导致在测量点处被测板的底面与水平面不平行，被测板的底面的方向存在一定的不确定性，图中，设被测板2的前侧面的底边上的一点为D，直线C₁C₂表示经过D点的水平线，DC₂₂表示被测板2绕D点的可能的最大顺时针倾斜位置，DC₂₁表示被测板2绕D点的可能的最大逆时针倾斜位置，ω和-ω分别表示被测板2可能的最大逆时针倾斜角和最大顺时针倾斜角。

图2中主视图和图3中俯视图反映了激光器1、摄像机4及被测板2的位置关系，其主要特征为：

I)、在主视图-图2中，设激光出光点为S，则激光出光点S必须在被测板2底面的上方，且S与D的连线与水平线DC₁的夹角β必须略大于被测板2可能的最大逆时针倾斜角ω，从尽可能获得最大照明亮度出发，β又应尽可能小，实际中，β可按下式确定：

ω＜β＜ω+1°    (1)

满足(1)式，则激光器1所发出的光束，永远不可能照射到被测板2的下表面，所以被测板2的下表面虽然可以在摄像机4中成像，但由于无激光照射，下表面在摄像机中总是黑的；

II)、在主视图-图2中，摄像机的入射光孔T位于被测板2的底面下方，且视场的下光线MT与水平线DC₁的夹角η必须略大于被测板2可能的最大顺时针倾斜角ω，从尽可能正对被测板的迎光面出发，η又应尽可能小，实际中，η可按下式确定：

ω＜η＜ω+1°    (2)

满足(2)式，则在任何时候，被测板2的上表面由于被测板2侧面的阻挡，都不可能被摄像机成像，在摄像机中，被测板2的上边缘以上部分总是后面的黑屏6，因此，被测板2的上边缘以上部分在摄像机中总是黑的。

主视图-图2中，当被测板材有一定倾斜时，只要满足式(1)和式(2)条件，激光就照射不到被测板2的下表面，且摄像机拍摄不到被测板2的上表面，于是摄像机所拍摄到的光带，就只与被测板2的侧面对应，系统仍可以准确测量被测板2厚度。

III)、在俯视图-图3中，将挡板5的底边上的一点记为W，SW为S与W之间的连线，当被测板2有横向位移时，在被测板靠近激光器的侧面与SW的交点位于摄像机的视场内的前提下，SW与被测板靠近激光器的侧面的夹角γ尽可能小。

由于激光是倾斜照射到被测板2上，并且在靠近摄像机的一侧，有一块挡板5挡住约三分之一(具体按1/3±1％)光斑直径的激光光束，从而在被测板2的侧面光带上产生一个清晰的沿厚度方向的光边缘(图4中的UV)，当被测板2侧面在AB时，该光边缘为P1，当被测板2发生横移，侧面移到A1B1时，该光边缘为P2。计算机7与摄像机4相连，接收摄像机4提供的采集图像。计算机7可以应用激光三角测量的原理，根据图像中光边缘的位置x，来计算被测板2侧面的横向位置，即测量被测板2侧面到摄像机4的离焦程度。具体计算时，在图4的光带图像中，光边缘UV的位置x、光带像高h和板材厚度d的关系如下：

d＝[k+a×(x-x₀)]h    (3)

其中，k是摄像机的成像镜头的比例系数，x是存在离焦时光边缘的位置，x₀是不离焦时的光边缘位置，x₀在装置安装好后可以根据不离焦时图像中的光带边缘UV位置来确定，a是离焦校正系数。

k和a可以用标定的方法得到，即用两块已知厚度d的板材进行测量，根据图像得到x和h，带入(3)式，解出k和a。

计算机的处理流程：在采集到光带的图像后(图4)，利用图像处理中的边缘检测，先找到光带右下角的点V的横向位置x，再找到光带G的上下边缘并计算其高度差h，然后利用(3)式计算板材厚度d。

黑屏与摄像机分别处于被测板两侧，其的大小和位置要求覆盖整个摄像机视场。

实施例：

图2中，被测板2厚度量程＝120mm，激光器出射口距被测板2水平距离1500mm，距被测板2底面高度为210.6mm；β＝8°

在图3中，激光器主轴与摄像机光轴夹角26.5度；摄像机下视场光线与水平线夹角η＝8.05°。

板材底面倾角范围-8°＜ω＜8°

所用摄像机传感器CCD像元尺寸为：7.6μm×7.6μm，像元数量为1600×1200；

所用成像镜头的焦距＝75mm，镜头距被测板2水平距离1500mm，镜头光孔T在被测板2下表面以下距离240mm。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种板材厚度的激光测量装置，其特征在于：该装置包括激光器(1)、摄像机(4)、黑屏(6)和计算机(7)；

使用时，激光器(1)和黑屏(6)分别位于被测板(2)的两侧，激光出光点S在被测板(2)底面上方，激光器(1)的出射光路上设置有挡板(5)，挡板(5)在水平方向挡住约三分之一光斑直径的激光光束；摄像机(4)与激光器(1)位于被测板(2)的同一侧，且摄像机的入射光孔T位于被测板(2)的底面下方，摄像机(4)的镜头前安装有滤光片(3)，计算机(7)与摄像机(4)相连；

被测板上靠近激光器的侧面为被测板的迎光面；设被测板(2)的迎光面底边上的一点为D，直线C₁C₂表示经过D点的水平线，DC₂₂表示被测板(2)绕D点的可能的最大顺时针倾斜位置，DC₂₁表示被测板(2)绕D点的可能的最大逆时针倾斜位置，ω和-ω分别表示被测板(2)可能的最大逆时针倾斜角和最大顺时针倾斜角；S与D的连线与水平线DC₁在垂直面上的夹角β满足式I的要求，

ω＜β＜ω+1°                    式I

挡板(5)的底边上的一点记为W，当被测板(2)有横向位移时，在被测板的迎光面与SW的交点位于摄像机的视场内的前提下，SW与被测板的迎光面的夹角γ尽可能小；

摄像机(4)视场的下光线记为MT，MT与水平线DC₁在垂直面上的夹角η满足式II的要求；

ω＜η＜ω+1°                    式II。

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