CN101957177A - 带误差补偿的钢板凸度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及几何量计量领域，尤其涉及一种钢板凸度测量方法。一种带误差补偿的钢板凸度测量方法，用激光凸度测量系统测量标准量块，将所得的数据与量块标称值进行比较，获得误差补偿量，通过多次测量把多块不同的标准量块的非线性误差补偿量进行拟合，得到线性的误差补偿曲线，然后利用该误差补偿曲线对实际被测钢板的测量数据进行补偿，最终获得高精度的实际测量结果。本发明实现全量程范围内的误差补偿，比现有的测量方法在精度上提高了一个数量级，而且能保证测量不同厚度的钢板精度不变。能在工厂条件下实现1～30mm任意厚度钢板凸度的高精度测量，测量精度可达3μm，克服了现场环境干扰的影响，适合在各种环境复杂的钢铁生产线上推广使用。

Description

带误差补偿的钢板凸度测量方法

技术领域

本发明涉及几何量计量领域，尤其涉及一种钢板凸度测量方法。

背景技术

中国发明专利1031758A涉及了一种在线激光测厚装置，该专利采用激光光源和CCD器件组成光电转换装置，实现厚度测量，可用于高温环境。测量采用三角原理，如附图1所示，测量原理可表示为

$y=\frac{y^{\′}a\sin \mathrm{\β}}{b\sin \mathrm{\α}-y^{\′}\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$ (式一)

图中a和b分别为参考点处的物距和像距；α是漫反射光的接收角；β是成像角；y是物体的位移；y’是像点的位移。

系统灵敏度(也就是测量原理的微分)

$k=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δ}{y}^{\′}}=\frac{\mathrm{ab}\sin \mathrm{\α\β}\sin }{{[a\sin \mathrm{\β}+y^{\′}\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})]}^2}$ (式二)

从式二中可以看出，灵敏度k是随着被测厚度的不同而变化的，输出信号和被测厚度之间存在明显的非线性关系。该发明只简单介绍了其原理和应用特点，并没有就如何改进线性、提高测量精度的措施进行深入讨论，也没有给出系统能够达到的技术指标，有很多涉及测量精度和环境干扰的问题没有解决。现有的激光凸度测量系统，比如宝钢1580激光凸度仪是基于这一原理的离线测量仪器，系统采用上下双激光三角测头，实现差动测量，可以克服钢板运动过程中的跳动和翘曲对测量精度的影响，这在论文“热轧钢板离线激光凸度检测系统”(《宝钢技术》2006年第1期)中有所论述。但是实际使用中发现，测量过程中的环境干扰，尤其是振动，对测量结果影响很大，为此对系统机构进行了改进，并申请了两个实用新型专利，“稳固可调的精密测头固定架”和“精密测量滑台及控制机构”，使测头和机架固定为一体并且保证钢板在测量过程中的稳定，有效解决了现场振动对测量精度的影响问题，使用效果经过实验验证，相对改进之前有很大的提高。但是，这些方法都只是从一个侧面局部提高测量精度的措施，没有从根本上解决系统的非线性测量问题，也无法全面提高系统测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带误差补偿的钢板凸度测量方法，通过对多块标准量块的误差曲线进行拟和，得到线性的补偿曲线，然后用补偿曲线对实际检测数据进行补偿，提高测量精度，以解决现有技术中因环境干扰和振动导致的测量精度不够的缺陷。

一种带误差补偿的钢板凸度测量方法，用激光凸度测量系统测量标准量块，将所得的数据与量块标准值进行比较，获得误差补偿量，通过多次测量把多块不同的标准量块的非线性误差补偿量进行拟合，得到线性的误差补偿曲线，然后利用该误差补偿曲线对实际被测钢板的测量数据进行补偿，最终获得高精度的实际测量结果。

带误差补偿的钢板凸度测量方法，包括以下步骤：

1)用激光凸度检测系统检测多块标准量块；

2)用计算机系统将测得的数据和量块的标称值作比较分别获得每块标准量块的误差曲线；

3)对每块标准量块的误差曲线进行拟和，使最后的拟和残差小于1μm，得到补偿曲线；

4)用激光凸度检测系统测量实际被测钢板，把得到的测量数据送入计算机系统，计算机系统用拟和后的补偿曲线对测得的数据进行补偿，得到实际测量结果。

所述的激光凸度检测系统向计算机系统传输数据的过程中还包括一个将数据差分放大的步骤。

所述的标准量块至少3块。

所述的标准量块为3块，其标称值分别为2.000mm、3.994mm和6.040mm。

本发明通过用检测装置扫描标准量块构建补偿系统，采用参数处理的方法将测量误差线性化，实现全量程范围内的误差补偿，并最终实现微米量级的测量，与现有的测量方法相比，其测量精度提高一个数量级，而且能保证测量不同厚度的钢板精度不变，能在工厂条件下实现任意厚度钢板凸度的高精度测量，当测量厚度范围为1～30mm钢板时，测量精度可以达到3μm；如果更换大量程传感器，测量的钢板厚度可以进一步增加，测量精度能够达到钢板厚度的万分之一，克服了现场环境干扰的影响，适合在各种环境复杂的钢铁生产线上推广使用。

附图说明

图1为激光三角测厚原理图；

图2为本发明带误差补偿的钢板凸度测量方法的测量原理框图；

图3为拟和算法流程框图；

图4为实施例中对标准量块的测量结果图；

图5为标准量块的综合误差曲线图；

图6为系统误差曲线图；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图2所示，一种带误差补偿的钢板凸度测量方法包括以下步骤：

1)将经过检定的厚度分别为2.000mm、3.994mm和6.040mm的三块标准量块作为标准件，以5mm为间隔排列，用激光凸度检测系统分别测量每块标准量块在测头扫描的整个行程范围内不同位置的厚度值，测量结果如附图4所示；

2)激光凸度检测系统将所得到的测量结果经过差分放大后送入计算机系统，计算机系统将测量结果与量块的标称值作比较，分别获得三块样板的误差曲线，如附图5所示；然后将获得的这些误差曲线进行加权平均，得到最后的总的误差曲线，如附图6所示；

3)采用附图3所介绍的流程算法进行曲线拟和，使拟和残差小于1μm，得到最终的补偿曲线；

4)用激光凸度检测系统测量实际被测钢板，把得到的测量数据经过差分放大后送入计算机系统，计算机系统用拟和后的补偿曲线对测得的数据进行补偿，得到实际测量结果。

本发明的原理如下，

从测量原理可知，测量系统的误差输出和被测厚度之间存在明显的非线性关系，可以采用组合参数的方法将测量原理线性化。由于式一中的a，b，α和β是系统结构参数，因此可以将这几个参数组合起来，构成组合参数。a，b和α三个参数构成组合参数A、B，为：

$\left\{\begin{array}{c}A=\frac{b\·\sin \mathrm{\α}}{a}\\ B=\frac{\cos \mathrm{\α}}{a}\end{array}\right.$ (式三)

另外再设置两个辅助变量ξ、η

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ξ}=\frac{1}{y}\\ \mathrm{\η}=\frac{1}{y^{\′}}\end{array}\right.$ (式四)

则可将测量原理公式线性化处理为

ξ＝A·η+B    (式五)

这样测量的灵敏度就变为

$k=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δ}{y}^{\′}}=\frac{1}{A}=\frac{a}{b\sin \mathrm{\α}}$ (式六)

a，b和α均为常数，因此灵敏度k变为常数，因此实现了测量原理的线性化，从而降低全量程范围内测头的非线性误差，结合扫描方向的系统误差补偿方法，可以实现一次性误差修正。

本发明技术的系统误差补偿采用的方法是这样的：通过实验对标准量块进行测量，测得量块位于工作台不同位置的实际输出数据，该数据与实际值(标准量块的标称值)之间的偏差代表的就是实际的系统误差曲线。为了同时补偿系统的非线性误差，实验时采用量程范围内任意厚度的量块作为标准件，对测量结果进行加权平均，得到实际的系统误差曲线。修正算法的流程图如附图3所示。采用n次曲线对这些数据进行拟合，计算残差。然后判断残差是否小于1μm，如果大于1μm，则将曲线的阶次加1，重复上述步骤，直到得到的残差小于1μm。此时，用获得的n阶多项式作为系统误差的表达式，然后计算该n阶曲线在每个位置对应的函数值，作为误差补偿值，对原始数据进行补偿，将组合补偿结果作为最后的误差值，得到最终的补偿曲线；

当拟和阶次达到n＝20时，拟和残差小于1μm，因此采用20阶多项式(系数见表一)作为系统误差的表达式。根据测量时采样点的位置，用该20阶曲线计算对应每个位置的函数值，将该值作为补偿值对每个位置的测量结果进行补偿，得到最后的测量结果，以曲线的形式输出，保证微米量级的测量精度。

表一多项式系数

阶次	系数
		20	2.3480e-56
19	-3.4356e-52
		18	2.3289e-48
17	-9.7005e-45
		16	2.7773e-41
15	-5.7930e-38
		14	9.1060e-35
13	-1.1011e-31
		12	1.0370e-28
11	-7.6585e-26
		10	4.4483e-23
9	-2.0315e-20
		8	7.2671e-18
7	-2.0180e-15
		6	4.2686e-13
5	-6.6289e-11
		4	7.0679e-9

3	-4.5961e-7
		2	1.4535e-5
1	-1.9350e-4
		0	4.0217

本发明通过用检测装置扫描标准量块构建补偿系统，采用参数处理的方法将测量误差线性化，实现全量程范围内的误差补偿，并最终实现微米量级的测量，与现有的测量方法相比，其测量精度提高一个数量级，而且能保证测量不同厚度的钢板精度不变，能在工厂条件下实现任意厚度钢板凸度的高精度测量，当测量厚度范围为1～30mm钢板时，测量精度可以达到3μm；如果更换大量程传感器，测量的钢板厚度可以进一步增加，测量精度能够达到钢板厚度的万分之一，克服了现场环境干扰的影响，适合在各种环境复杂的钢铁生产线上推广使用。

Claims (5)

1.一种带误差补偿的钢板凸度测量方法，其特征是：用激光凸度测量系统测量标准量块，将所得的数据与量块标称值进行比较，获得误差补偿量，通过多次测量把多块不同的标准量块的非线性误差补偿量进行拟合，得到线性的误差补偿曲线，然后利用该误差补偿曲线对实际被测钢板的测量数据进行补偿，最终获得高精度的实际测量结果。

2.如权利要求1所述的带误差补偿的钢板凸度测量方法，其特征是，包括以下步骤：

1)用激光凸度检测系统检测多块标准量块；

2)用计算机系统将测得的数据和量块的标称值作比较分别获得每块标准量块的误差曲线；

3)对每块标准量块的误差曲线进行拟和，使最后的拟和残差小于1μm，得到补偿曲线；

4)用激光凸度检测系统测量实际被测钢板，把得到的测量数据送入计算机系统，计算机系统用拟和后的补偿曲线对测得的数据进行补偿，得到实际测量结果。

3.如权利要求2所述的带误差补偿的钢板凸度测量方法，其特征是：所述的激光凸度检测系统向计算机系统传输数据的过程中还包括一个将数据差分放大的步骤。

4.如权利要求2或3所述的带误差补偿的钢板凸度测量方法，其特征是：所述的标准量块至少3块。

5.如权利要求4所述的带误差补偿的钢板凸度测量方法，其特征是：所述的标准量块为3块，其标称值分别为2.000mm、3.994mm和6.040mm。

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