CN102679892B - 一种单镜头激光三角法厚度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于几何尺寸测量技术领域，为一种单镜头激光三角法厚度测量仪，包括激光器、孔径光阑、平面玻璃、组合镜头、图像探测器、图像处理器以及一些辅助精细调节装置。工作时，同轴对准的上下激光器发出两束准直光线，由激光器前端透镜聚焦到被测物表面，被测物表面的漫反射光线经过孔径光阑、平面玻璃后由组合成像透镜汇聚到图像探测器上，再将图像数据传输至图像处理器进行图像处理，进而由两光斑之间的间距计算得出被测物的实际厚度，最后显示测量厚度。本发明秉承激光三角测厚法优点的同时通过改进光路结构，优化设计，较好的消除了双光路激光三角法测厚仪受被测物振动影响上下独立测量系统难以同步，精度难以保证的问题。

Description

一种单镜头激光三角法厚度测量仪

技术领域

本发明属于几何尺寸测量技术领域，具体涉及一种单镜头激光三角法厚度测量仪，尤其适用于非透明板材和薄膜如钢板、电池极片，牛毛毡等的厚度测量。

背景技术

超薄板材和薄膜如彩色钢板、聚乙烯膜、电池碳负极膜等在生产实际中应用十分广泛，随着加工技术的进步，材料加工的精度越来越高，这对生产线在线测厚设备的检测精度也提出了更高的要求。

非透明薄膜和板材的在线测厚能控制成品厚度，提高产品质量，提升成品率，减少原材料浪费，提高企业的市场竞争力。同时自动测量取代人工测量，能减小人力资本投入，提高了生产自动化程度，利于改造生产线扩大生产规模。

目前常用的在线测厚方法有激光测厚，射线测厚，超声测厚，电涡流测厚等。射线测厚成本高、有辐射危害，超声测厚需要在被测物表面涂耦合剂、受被测物表面粗糙度影响大、不适合较薄被测物，电涡流测厚只适合导电材料、检测结果易收到材料本身导电率和磁导率等因素的干扰，这些不足限制了此类测厚设备的在线使用。激光测厚法以其健康环保、无辐射、精度高、操作简单、实时性好的优点广泛应用于板材测厚行业。

传统激光测量仪测厚原理基于由上下两条独立光路组成的双光路激光三角法，如图1所示，系统组成包括两个激光器1和2，两个成像透镜3和4，以及两个图像探测器4和5。上下激光器1和2发出的光束经激光器内置镜头聚焦在被测物上下表面，漫反射光线分别通过成像透镜3和4汇聚到图像探测器5和6上面，被测物厚度不同时，图像探测器5和6上成像光斑位置也会随之移动。它们之间的函数关系式可由几何关系导出，假定上下光路对称平面为参考平面，在参考平面处放置一个厚度为h的标定物体，此时图像探测器5和6上各形成一个光斑，记下光斑位置。取走标定物体放入被测物，则被测物表面可视为相对参考物体上下分别移动距离H1和H2的两个平面，图像探测器4和5上光斑分别对应移动距离△H1和△H2，被测物厚度表达式即为：H=H1+H2+h。在图1中由几何关系可得：

$H1=\frac{d0\sin \mathrm{\α}}{(d1\sin \mathrm{\γ}-\mathrm{\ΔH}1\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}-\mathrm{\ΔH}1\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ})}\mathrm{\ΔH}1$

$H2=\frac{d0\sin \mathrm{\α}}{(d1\sin \mathrm{\γ}-\mathrm{\ΔH}2\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}-\mathrm{\ΔH}2\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ})}\mathrm{\Δ}{H}_2,$

此时，被测物厚度表达式为：

$H=\frac{d0\sin \mathrm{\α}}{(d1\sin \mathrm{\γ}-\mathrm{\ΔH}1\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}-\mathrm{\ΔH}1\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ})}\mathrm{\ΔH}1+\frac{d0\sin \mathrm{\α}}{(d1\sin \mathrm{\γ}-\mathrm{\ΔH}2\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}-\mathrm{\ΔH}2\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ})}\mathrm{\ΔH}2+h$

但这种双光路激光三角法测厚系统中上下两个独立的测量系统难以同步，使得被测物振动对测量的影响限制了该测厚方法精度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单镜头激光三角法厚度测量仪，该测量仪解决了双光路激光三角法上下两个独立测量系统难以同步的问题，较好的消除了被测物振动对测量的影响。

本发明提供的一种单镜头激光三角法厚度测量仪，其特征在于，该测量仪包括第一、第二激光器，成像透镜，图像探测器，光阑，第一、第二平面玻璃，图像处理器，以及显示装置；

第一、第二激光器的轴心线位于成像透镜的物方焦平面处，第一、第二激光器同轴对准，图像探测器位于成像透镜的像方焦平面处，用于接收成像透镜汇聚的光线；光阑位于第一、第二激光器的轴心线与成像透镜之间，第一、第二平面玻璃片位于孔径光阑和成像透镜之间，并相对成像透镜的光轴上下对称，且第一平面玻璃片与成像透镜的光轴之间的夹角，以及第二平面玻璃片与成像透镜的光轴之间的夹角均小于90度，图像处理器与图像探测器连接，用于处理图像探测器提供的数据，显示装置与图像处理器连接，用于显示图像处理器提供的数据。

本发明提供的测厚仪上下光路中被测物表面激光光斑通过同一片透镜成像在单个图像探测器上，被测物上下振动时，图像探测器同时抓取上下光斑图像并送入图像处理器实时处理，保证了上下光路中图像采集和处理的同步性，很好的解决了双光路激光三角法上下两个独立测量系统难以同步的问题，较好的消除了被测物振动对测量的影响。本发明具有已有激光三角法厚度测量仪健康环保，实时性好，适合在线测量，精度高，操作简单方便的优点外，光路结构的改进使系统尺寸减小、设备重量减轻，便于携带和多地点测量，突破了设备固定位置测量的局限性，提高了测量的灵活性和通用性，提升了设备投资的经济性。

附图说明

图1是现有技术中双光路激光三角法的示意图，其中，1和2是激光器，3和4是成像透镜，5和6是图像探测器；

图2是本发明的单镜头激光三角法厚度测量仪的光路结构示意图，其中，1和2是激光器，3是成像透镜，5是图像探测器，7是孔径光阑，8和9是平面玻璃；

图3本发明单镜头激光三角法厚度测量仪系统组成示意图，其中，1和2是激光器，3是成像透镜，5是图像探测器，7是孔径光阑，8和9是平面玻璃，10是图像处理器，11是显示设备；

图4辅助说明本发明测厚原理的理想光学系统成像示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图2、图3所示，本发明提供的厚度测量仪包括第一、第二激光器1、2，成像透镜3，图像探测器5，光阑7，第一、第二平面玻璃8、9，图像处理器10，以及显示装置11。

第一、第二激光器1、2的轴心线位于成像透镜3的物方焦平面处，第一、第二激光器1、2要求同轴对准，减小因物面倾斜带来的测量误差。图像探测器5位于成像透镜3的像方焦平面处，用于接收成像透镜3汇聚的光线。光阑7位于第一、第二激光器1、2的轴心线与成像透镜3之间，光阑7的孔径角和通光孔直径用于限制入射光线的角度和通光量。第一、第二平面玻璃片8、9位于孔径光阑7和成像透镜3之间，并相对成像透镜3的光轴上下对称，且第一平面玻璃片8与成像透镜3的光轴之间的夹角，以及第二平面玻璃片9与成像透镜3的光轴之间的夹角均小于90度，第一、第二平面玻璃片8、9的像移特性会使图像探测器5上的两光斑相对远离，从而对超薄的被测物也能很好的得到两个彼此分离的光斑。图像处理器10与图像探测器5连接，用于处理图像探测器提供的数据，显示装置11与图像处理器10连接，用于显示图像处理器提供的数据。图像处理器10及显示装置11则可通过数据线连接至操作车间。

测量时，将厚度为△h的被测物放置于第一、第二激光器1、2之间，且位于图像探测器5的视场内。第一、第二激光器1、2发出的光线聚焦至被测物上、下表面，漫反射的光线分别经过孔径光阑7、平面玻璃片8和9后由成像透镜3汇聚到图像探测器5上，形成两个光斑，再通过USB数据接口将两个光斑的图像数据传到图像处理器10后，计算两光斑的重心得到两光斑间距值h，然后由标定方程将间距值h转化为被测物厚度值，最后显示在显示装置11上。

标定方程由标定实验得到，标定实验是取一系列已知厚度的量块，放置于测厚仪的测量范围内任意一个位置，得到相应的光斑间距值，然后拟合出光板间距—被测物厚度函数关系式作为标定方程。参与标定的量块数量越多，标定的精度越高，故标定时应取尽可能多的量块，通常应大于20组。

图4为辅助说明本发明测厚原理的理想光学系统成像示意图。在图4中，将经过成像透镜3的光轴且与图像探测器5感光面垂直的平面设定为参考平面，被测物上下表面的光斑可分别视为相对于参考平面上方和下方高度为△h 1和△h 2的两个物体，在成像透镜后方所成像的像高分别为h1和h2，由几何光学知识可知：h1=βΔh1，h2=βΔh2，于是有：(h1+h2)=β(Δh1+Δh2)，式中β为成像透镜的垂轴放大率，(△h1+△h2)为被测物的实际厚度，(h1+h2)为当图像探测器5上两光斑的距离。对系统进行标定后即可通过光斑间距计算得到被测物测量厚度。

为保证测量精度，图像探测器5的感光面所在平面应与成像透镜3的光轴垂直。同时激光器1和2必须同轴对准，当二者相互偏离时，偏离的角度越大，被测物倾斜时对测量造成的误差也越大。

为减小像差，本发明的成像透镜3可以采用一片正透镜和一片负透镜组成组合透镜的方式，用组合透镜作为成像透镜时焦距计算公式为：F=F1·F2(F1+F2-D)，F1、F2为两透镜焦距，D为透镜间距，调节正、负透镜的间距可以调节最佳成像面的位置。成像透镜3还可以采用非球面透镜的方式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种单镜头激光三角法厚度测量仪，其特征在于，该测量仪包括第一、第二激光器，成像透镜，图像探测器，光阑，第一、第二平面玻璃，图像处理器，以及显示装置；

第一、第二激光器的轴心线位于成像透镜的物方焦平面处，第一、第二激光器同轴对准，图像探测器位于成像透镜的像方焦平面处，用于接收成像透镜汇聚的光线，且图像探测器的感光面所在平面与成像透镜的光轴垂直；光阑位于第一、第二激光器的轴心线与成像透镜之间，第一、第二平面玻璃片位于光阑和成像透镜之间，并相对成像透镜的光轴上下对称，且第一平面玻璃片与成像透镜的光轴之间的夹角，以及第二平面玻璃片与成像透镜的光轴之间的夹角均小于90度，图像处理器与图像探测器连接，用于处理图像探测器提供的数据，显示装置与图像处理器连接，用于显示图像处理器提供的数据；

所述测量仪进行测量时，将被测物放置于第一、第二激光器之间，且位于图像探测器的视场内；测厚仪上下光路中被测物表面激光光斑通过同一片透镜成像在单个图像探测器上，被测物上下振动时，图像探测器同时抓取上下光斑图像并送入图像处理器实时处理，以保证上下光路中图像采集和处理的同步性。