CN1031758A - 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，涉及一种物体厚度测量仪器，称谓激光测厚仪。该发明适用于任何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测量物体厚度的方法有以下几种：

1.放射性射线法，该方法是利用对钢板有穿透能力的放射性射线，如α、β等射线，利用其对钢板的透射率和钢板厚度间的定量关系，确定钢板的厚度。

2.激光束偏转法，该方法是利用二个光路系统，使激光束匀速偏转，通过测量激光束从零点（它是予先由激光束某一入射角α和光接收系统光轴方向所确定的点O）偏转到由像轴在被测物表面上定出的测量点E所需的时间，根据公式：

d＝ASinγ（t）Cosβ/Sin[α+β+γ（t）]Cosα

求出被测物体上（或下）表面到假想零平的距离d，由此可计算出被测物体的厚度;式中α为激光束入射角，β为表征光接收系统像轴位置的角度，γ（t）为激光束从零点扫描到测量点时偏转的角度，A为激光束偏转器到假想零平面的距离。

3.探测器位移法，此方法也是利用上、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;激光光束垂直向被测物体入射，通过测量激光光束和物体表面交点相对于激光光束通过假想零平面的点之间的距离，即被测物体上或下表面到假想零平面的距离d，根据公式：d＝x/cosα得出d的数置，由此可计算出物体的厚度;式中x为相应于两光点O、B，接收装置中两个光电二极管之间的距离，α为激光光束和接收装置之间的夹角，该方法是利用精密丝杠调节和确定x数值的;这种方法虽是一种利用光电转换方法的测厚系统，但它是用机械装置定位的，难以避免机械装置带来的缺欠。

以上方法都存在一定缺点，放射性射线法只能对所用射线可穿透的物体进行测量，另外放射性射线对人体有一定危害性;激光束偏转法的缺点是仪器结构较复杂，可靠性差;探测器位移法由于精密丝杠长期使用容易磨损，造成较大的测量误差，降低了测量精度。

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、对被测物的构成材料无限制的激光测厚仪。

本发明提供的激光测厚仪有两个光路系统，采取激光束垂直入射于被测物表面的方式;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、一个微机终端处理系统。为了适应高速运动物体的测量，要求较高的测试频率，本发明采取线阵电荷耦合器件（CCD）摄像系统作光电转换装置，被测物表面上的激光光点和其它所需光点成像至线阵电荷耦合器件（CCD）的光敏面上，并将其转换成所需要的电信号;视频信号处理器将从摄像系统得到的电信号，取包络，经放大、平滑处理，经浮动切割形成具有一定宽度的脉冲信号;微机终端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

电荷耦合器件驱动器由石英晶体振荡器、分频器、编码器和驱动器组成;视频信号处理器由采样保持器、放大器、低通虑波器和浮动电压比较器组成。

摄像系统放置的方式：使线阵电荷耦合器件（CCD）光敏单元处于激光光束和摄像系统的光轴构成的平面内;摄像系统的光轴和激光光束成之间的夹角范围为45°～50°。

为消除被测物上下起伏带来的影响，本发明对上、下光路系统中的摄像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，将线阵电荷耦合器件（CCD）的光敏面倾斜放置，使其法线与摄像系统的光轴成一定夹角，此角度为5°～20°，从而提高了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。该激光测厚仪的主要技术指标是：

测量范围：0～5mm    0～60mm    0～1000mm

测量精度：0.5μm±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℃    0～900℃

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-线型驱动器电原理框图

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]、线阵电荷耦合器件（CCD）摄像系统[8]、摄像系统光学透镜[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]、微机终端处理系统[15]、被测物[16]，图6中（a）尺度方波-线阵电荷耦合器件（CCD）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，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，n1为填充脉冲数，N＝n1+n2/2（N相应于被测物体表面到假想零平面间的距离）。

如图5所示，其中线阵电荷耦合器件（CCD）摄像系统[8]与激光器[1]之间的距离为50～2000mm;摄像系统的光轴和激光光束成45°～50°的角度;线阵电荷耦合器件光敏单元的光敏面的法线与摄像系统光轴之间的夹角为5°～20°范围;图4的电荷耦合器件驱动器主要由石英晶体振荡器、分频器、编码器和驱动器组成;石英晶体振荡器产生的主振时钟脉冲经分频器、编码器得到所需的各种形式的脉冲，同时保证各脉冲之间所需的同步关系，并将其中一路脉冲经过隔离级分成二路分别经过二个驱动器同步地驱动上、下光路系统中的线阵电荷耦合器件（CCD），以保持上、下光路系统光电转换在时间上的一致性;驱动器的作用是将逻辑门电路（TTL）[17]的电平转换到所需要的量值;其中主振级[20]、分频级[21]、与非门[22]、方波发生器[23]、编码器[24]、驱动器[26]、线阵电荷耦合器件（CCD）[25]、直流稳压电源[27];图中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;视频信号处理器对光束点像照射产生的电信号，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;微机终端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、下电荷耦和器件（CCD）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：

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

Claims (8)

1、一种用于测量物体厚度的激光测厚仪，它有两个光路系统，包括两个激光器，两个光电转换装置，其特征在于：它有一个电荷耦合器件驱动器、两个视频信号处理器、一个微机终端处理系统。

2、根据权利要求1所述的激光测厚仪，其特征在于：光电转换装置是线阵电荷耦合器件（CCD）摄像系统。

3、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由石英晶体振荡器、分频器、编码器和驱动器组成。

4、根据权利要求1所述的激光测厚仪，其特征在于：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。

5、根据权利要求2所述的激光测厚仪，其特征在于：线阵电荷耦合器件光敏单元在激光光束和摄像系统光轴构成的平面内;摄像系统的光轴和激光光束之间的夹角为45°～50°。

6、根据权利要求5所述的激光测厚仪，其特征在于：线阵电荷耦合器件光敏单元的光敏面的法线和摄像系统光轴构成一个角度。

7、根据权利要求6所述的激光测厚仪，其特征在于：线阵电荷耦合器件光敏单元的光敏面的法线和摄像系统光轴之间的夹角为5°～20°。

8、根据权利要求2所述的激光测厚仪，其特征在于：线阵电荷耦合器件（CCD）摄像系统与激光器之间的距离为50～2000mm。

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