CN104729435A - 基于激光超声的板材厚度在线测量系统 - Google Patents

Abstract

基于激光超声的板材厚度在线测量系统，包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、数据处理系统集成，所述光路系统集成包括U型接地架、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜，数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方第一距离处，数据处理系统集成将峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波、横波前两次到达板材底面对心处的时间进而计算板材的厚度。本发明优点：适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度、厚度测量准确、误差小。

Description

基于激光超声的板材厚度在线测量系统

技术领域

本发明涉及无损测量技术领域，尤其涉及一种对板材进行激光超声在线测厚的系统，该系统适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度。

背景技术

实际工业生产过程中，板材厚度的均匀性是一项重要指标，直接关系到后续加工量大小，影响产品最终成材率及整体加工成本。能否快速、精确的在线测量板材厚度值、能否及时根据测量结果对工艺流程做出调整，对于板材的厚度均匀性而言非常重要。由于工业生产用板材往往为表面粗糙、高低不平、温度不定的情况，且工作环境通常为高温、强腐蚀、高辐射等极端环境，一般的测厚装置由于不适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下工作，所以一般的测厚装置并不适用于工业板材的厚度在线测量，因此研究一种适合工业用板材的厚度在线测量系统很有必要。

国内外现有板材测厚方式大体分为两类：接触式测量与非接触式测量。接触式测量因为对板材有一定损伤、在线测量难度大等劣势基本已被非接触式测量所取代，接触式测量对板材有一定损伤是因为：(1)传感器在板材表面直接接触作用可能损伤板材表面，(2)耦合剂为有机物质，可能对塑料等有机被测对象产生腐蚀等作用。目前常用的非接触式测量方法主要有：超声测厚、放射性射线测厚、激光测厚等。其中，放射性射线测厚因为对环境、人体具有较大损伤已逐步淡出企业视野。当前用的较多的是超声测厚以及激光测厚方法。然而，由于在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下，超声测厚所使用的耦合剂会出现失效问题，因而导致超声测厚仪无法在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下使用，于是，激光测厚方法慢慢进入企业选用范围。激光测厚也分为两种模式：利用光学原理测厚以及利用激光超声学原理测厚。

公告号CN 2349537Y，名称“激光在线测厚仪”，公告号CN 203203562U，名称“激光测厚装置”，公布号CN 203605912 U，名称“一种激光测厚装置”等为代表的是利用光学原理测厚。其主要原理是板材厚度变化引起反射激光角度发生偏转，通过激光接收器、信号转换器等装置将位移变化转换为厚度变化从而实现对板材厚度的测量。无疑，利用光学原理测厚，理论上讲其精度很高，在板材表面绝对平整情况下理想测量厚度值甚至可以达到微米级，然而，工业生产板材往往都是表面极为粗糙、高低不平、温度不定的情况，所以，入射激光在板材表面往往遵循漫反射定律而不是反射定律，此类情况下，激光反射角度几乎就是在一定角度内随机分布，而不是遵循类似光滑表面时反射角等于入射角的Snell规律。此类情况下，利用激光接收器、信号转换器等寻找反射激光角的偏差值从而获取板材厚度值变化就存在较大误差，或许该方法在光学元件测厚领域适用，但由于工业生产板材往往都是表面粗糙、高低不平、温度不定的情况，因此该方法对于工业生产板材测厚而言误差较大，因此不是合理选择。而且，该类装置基本组成部分包含激光发射器、激光接收器、光电信号转化器等设备，该三种设备成本都比较高，整体设备造价也是不容乐观。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供一种利用激光超声学原理测厚、适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度、厚度测量准确、误差小、整体造价不高的基于激光超声的板材厚度在线测量系统，该板材厚度在线测量系统还具有数据处理系统，能将峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波和横波的波峰到达板材底面对应的时间值以准确计算板材的厚度。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

基于激光超声的板材厚度在线测量系统，包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成；

所述光路系统集成包括U型接地架、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜，所述三维移动平台包括Z向移动台、X向移动台、Y向移动台，所述控制柜通过螺栓固接在Z向移动台的第一移动平台上，Z向移动台通过螺栓固接在X向移动台的第二移动平台上方，X向移动台通过螺栓固接在Y向移动台的第三移动平台上方，由此可实现控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动；所述Y向移动台固定在所述U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，板材由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；所述光路调节系统包括分光镜、凸透镜、反射镜，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜向下垂直射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜水平射出并射入凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而提高数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该聚焦后的激光光斑分辨率与下述高速数据采集卡的100MHZ采样频率对应，经过凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为垂直向下，使得第二激光束直接入射到板材顶面，第二激光束在板材顶面激发激光超声波，该激光超声波包括在板材顶面传播的表面波、以及透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，从板材顶面垂直入射到板材底面对心处的纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射，纵波的传播速度大于横波的传播速度，当纵波和横波到达板材底面对心处时，板材底面对心处因为波的作用而产生上下位移变化，当纵波和横波反射离开板材底面对心处时，板材底面对心处恢复初始状态，纵波和横波在板材内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材底面对心处时，其所携带的能量最大，可激发板材底面对心处的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材底面对心处的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波的前两次到达板材底面对心处的时间计算 板材的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射过程中，板材的厚度不发生变化；

所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方第一距离处，板材水平地经过下方的电容式位移传感器，因此可实时测量板材对应电容式位移传感器的各处厚度值以衡量板材的厚度均匀性；板材构成电容式位移传感器的第一极板，电容式位移传感器的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成因此可在极端环境下正常工作，当纵波和横波到达板材的底面时，板材底面对心处产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对心处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对心处的电容发生变化并使得对心处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集电容式位移传感器的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHZ。采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用实现了板材厚度的非接触式测量；

所述数据处理系统集成包括数据处理系统和显示屏，由于高速数据采集卡采集的数据为峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号，数据处理系统用于对高速数据采集卡采集的双极性信号依次进行一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理，以使峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波第一次到达板材底面对心处、横波第一次到达板材底面对心处、纵波第二次到达板材底面对心处、横波第二次到达板材底面对心处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波第一次到达板材底面对心处产生纵波的第一次波峰，之后是横波第一次到达板材底面对心 处产生横波的第一次波峰，之后纵波和横波分别垂直地反射至板材顶面，再由板材顶面垂直地反射回板材底面对心处，所以之后是纵波第二次到达板材底面对心处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材底面对心处产生横波的第二次波峰，纵波的第一次波峰和横波的第一次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T₁，纵波的第一次波峰和纵波的第二次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₂，横波的第一次波峰和横波的第二次波峰的时间间隔为横波第一次到达板材底面对心处和横波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₃，所述高温检测计设置在板材的上方用于测量板材的温度，根据板材的材料属性以及测量温度值，可以查得纵波在板材内的传播速度V_p以及横波在板材内的传播速度V_s，于是板材的厚度h有以下三种计算方法：

方法一，利用纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T₁计算板材的厚度h，时间间隔T₁的起点是纵波第一次到达板材底面对心处的时刻，时间间隔T₁的终点是横波第一次到达板材底面对心处的时刻，假设板材的厚度为h，则纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔为 于是当纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔为T₁时，由 得到板材的厚度  $h=\frac{T_1}{\frac{1}{V_s}-\frac{1}{V_p}};$

方法二，利用纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₂计算板材的厚度h，时间间隔T₂内纵波从板材底面对心处垂直地反射回顶面并继续由顶面垂直地反射回底面对心处，因此时间间隔T₂内纵波经过了板材厚度的两倍，于是板材的厚度h为纵波第一次和第二次到达板 材底面对心处的时间间隔T₂乘以纵波在板材内的传播速度V_p再除以2，也即  $h=\frac{1}{2}{T}_2{V}_p;$

方法三，利用横波第一次到达板材底面对心处和横波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₃计算板材的厚度h，时间间隔T₃内横波从板材底面对心处垂直地反射回顶面并继续由顶面垂直地反射回底面对心处，因此时间间隔T₃内横波经过了板材厚度的两倍，于是板材的厚度h为横波第一次和第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₃乘以横波在板材内的传播速度V_s再除以2，也即  $h=\frac{1}{2}{T}_3{V}_s;$

所述显示屏用于显示经过一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理之后得到的单极性信号的图形，以及经计算之后得到的板材的厚度值，显示屏所显示的单极性信号图形的横坐标为时间，纵坐标为经数据处理系统处理后的电容式位移传感器的输出电压，另外工作人员还可在显示屏上直接查看板材的实时厚度值，根据该实时厚度值可以做出后续处理意见以调整板材生产线的参数值，从而保证板材的厚度均匀性。

进一步，所述Z向移动台包括竖向设置的第一移动基座和第一移动平台，第一移动基座的纵向设置有两根第一丝杆，第一丝杆与所述第一移动平台内的两个第一螺纹孔啮合，第一丝杆的两端通过轴承可转动地设置在第一移动基座的上侧壁和下侧壁上，第一移动基座的上侧设置有可驱动两根第一丝杆同时正转或反转的第一电机、以及可调节两根第一丝杆同时正转或反转的第一手动旋钮，第一电机位于第一电机安装室内，第一手动旋钮位于第一电机安装室外部，工作时，通过第一电机或者第一手动旋钮的转动使两根第一丝杆同时正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖向的上下移动；所述第一移动平台通过螺栓与所述控制柜固定连接以实现控制柜沿竖向的移动；

所述X向移动台包括沿X向设置的第二移动基座和第二移动平台，第二移 动基座的中部设置有沿X向布置的第二丝杆，第二丝杆两侧各设置一根沿X向布置的第二导向杆，第二丝杆与所述第二移动平台中部的第二螺纹孔啮合，第二移动平台内于第二螺纹孔的两侧设置有与所述第二导向杆配合的第二导向孔，第二丝杆的两端通过轴承可转动地设置在第二移动基座的侧壁上，所述第二移动基座的一侧设置有可驱动第二丝杆正转或反转的第二电机、以及可调节第二丝杆正转或反转的第二手动旋钮，第二电机位于第二电机安装室内，第二手动旋钮位于第二电机安装室外部，工作时，通过第二电机或者第二手动旋钮的转动使第二丝杆正转或反转，第二移动平台由于第二螺纹孔与第二丝杆的啮合实现X方向的左右移动，第二移动基座上的两根第二导向杆使第二移动平台能够更加平稳地移动；所述第二移动平台与所述Z向移动台的第一移动基座通过螺栓固定连接，以实现第一移动基座沿X向的移动，进而实现控制柜沿X向的移动；

所述Y向移动台包括沿Y向设置的第三移动基座和第三移动平台，第三移动基座的中部设置有沿Y向布置的第三丝杆，第三丝杆两侧各设置一根沿Y向布置的第三导向杆，第三丝杆与所述第三移动平台中部的第三螺纹孔啮合，第三移动平台内于第三螺纹孔的两侧设置有与所述第三导向杆配合的第三导向孔，第三丝杆的两端通过轴承可转动地设置在第三移动基座的侧壁上，所述第三移动基座的一侧还设置有可驱动第三丝杆正转或反转的第三电机、以及可调节第三丝杆正转或反转的第三手动旋钮，第三电机位于第三电机安装室内，第三手动旋钮位于第三电机安装室外部，工作时，通过第三电机或者第三手动旋钮的转动使第三丝杆正转或反转，第三移动平台由于第三螺纹孔与第三丝杆的啮合实现Y方向的左右移动，第三移动基座上的两根第三导向杆使第三移动平台能够更加平稳地移动；所述第三移动平台与所述X向移动台的第二移动基座通过螺栓固定连接，以实现第二移动基座沿Y向的移动，进而实现控制柜沿Y向的移动；

设计第一丝杆、第二丝杆、以及第三丝杆的螺距，使得控制柜在Z向移动台上的移动精度为0.1mm，Z向移动台在X向移动台上的移动精度为0.1mm，X向移动台在Y向移动台上的移动精度为0.1mm，这样，控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动精度均可以达到0.1mm，因此控制柜的移动精度高。

进一步，所述激光发射器为Nd：YAG激光发射器。

进一步，所述电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方20mm处。

进一步，所述Nd：YAG激光发射器的发射激光脉冲波长为1064nm。

本发明的有益效果是：(1)板材在电容式位移传感器上方水平移动经过，水平移动状态为板材的工业生产实际状态，因此本系统能实现板材厚度的实时在线无损检测，同时采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用还实现了板材厚度的非接触式测量，并且由于电容式位移传感器的振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成，因此本系统能在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下正常工作，采用的高温检测计也可适应高温环境下的非接触式温度测量；(2)由于采用激光超声原理测量板材厚度，对板材表面光洁度、平整度没有要求，反而板材表面越粗糙，本系统输出的单极性信号的图形越清晰，测量的板材的厚度值准确度越高，因此该激光超声测厚方法很适合表面粗糙不平的板材的测厚；(3)光路调节系统与激光发生器一起集成在控制柜内，控制柜设置在三维位移台上，三维移动台固定在U型接地架上，U型接地架平放在地面或其他支撑物上，因此控制柜内的光路固定稳固，因此能有效避免振动对光路产生的影响；(4)高速数据采集卡的输出端连接数据处理系统集成，本数据处理系统集成能够将高速数据采集卡采集的峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确提取纵波、横波前两次到达板材底面的峰值时间，从而实现对板材厚度的精确计算，板材的厚度误差在2％以内；(5)数据处理系统处理后的单极性信号的图形以及计算之后的板材的厚度值可在显示屏上实时显示，有助于操作人员 及时了解板材的实时厚度，并根据该实时厚度做出处理意见以调整板材生产线的参数值，从而保证板材生产的厚度均匀性；(6)本系统能够对多种材料的板材厚度作出测量，如铁、钢、铝等金属类板材以及橡胶、木炭等非金属板材，只要板材不是透明材质，能够吸收激光即可，因此本系统的应用范围广。

附图说明

图1为本发明基于激光超声的板材厚度测量系统的整体结构示意图；

图2为本发明基于激光超声的板材厚度测量系统的三维结构示意图；

图3为本发明的基于激光超声的板材厚度测量系统的光路结构图；

图4为本发明的X向移动台和Y向移动台的结构示意图；

图5为本发明的高速数据采集卡所采集的电压信号图；

图6为本发明的数据处理系统的实际信号处理过程图；

附图标号：1-高温检测计、2-U型接地架、3-控制柜、4-Z向移动台、41-第一丝杆、42-第一电机安装室、5-X向移动台、51-第二移动平台、52-第二移动基座、521-第二丝杆、522-第二导向杆、53-第二手动旋钮、54-第二电机安装室、6-Y向移动台、61-第三移动平台、62-第三移动基座、621-第三丝杆、622-第三导向杆、63-第三手动旋钮、64-第三电机安装室、7-板材、8-分光镜、9-凸透镜、10-反射镜、11-电容式位移传感器、12-数据处理系统、13-显示屏。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述：

参照图1-6：基于激光超声的板材厚度在线测量系统，包括光路系统集成、高温检测计1、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成；

所述光路系统集成包括U型接地架2、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜3，所述三维移动平台包括Z向移动台4、X向移动台5、Y向移动台6，所述控制柜3通过螺栓固接在Z向移动台4的第一移动平台上，Z向移动台4通过螺栓固接在X向移动台5的第二移动平台51上方， X向移动台5通过螺栓固接在Y向移动台6的第三移动平台61上方，由此可实现控制柜3在Z、X、Y三个空间方向的移动；所述Y向移动台6固定在所述U型接地架2上方，U型接地架2的开口水平布置，板材7由输送机构输送水平地通过U型接地架2的开口；所述光路调节系统包括分光镜8、凸透镜9、反射镜10，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜8分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜8向下垂直射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜8水平射出并射入凸透镜9的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而提高数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜9聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该聚焦后的激光光斑分辨率与下述高速数据采集卡的100MHZ采样频率对应，经过凸透镜8聚焦后的第二激光束射向反射镜10，反射镜10将第二激光束运动方向自水平改为垂直向下，使得第二激光束直接入射到板材顶面，第二激光束在板材7顶面激发激光超声波，该激光超声波包括在板材7顶面传播的表面波、以及透射入板材7内以球面波形式传播的纵波和横波，从板材7顶面垂直入射到板材7底面对心处的纵波和横波在板材7底面对心处和顶面之间垂直地来回反射，纵波的传播速度大于横波的传播速度，当纵波和横波到达板材7底面对心处时，板材7底面对心处因为波的作用而产生上下位移变化，当纵波和横波反射离开板材7底面对心处时，板材7底面对心处恢复初始状态，纵波和横波在板材7内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材7底面对心处时，其所携带的能量最大，可激发板材7底面对心处的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材7底面对心处的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波的前两次到达板材7底面对心处的时间计算板材7的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；纵波和横波在板材7底面对心处和顶面之间垂直地来回反射过程中，板材的厚度不发生变化；

所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器11、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器11设置在板材7的底面对心处下方第一距离处，第一距离应不大于30mm，本实施例中，电容式位移传感器11设置在板材7的底面对心处下方20mm处，板材7水平地经过下方的电容式位移传感器11，因此可实时测量板材7对应电容式位移传感器11的各处厚度值以衡量板材7的厚度均匀性；板材7构成电容式位移传感器11的第一极板，电容式位移传感器11的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成因此可在极端环境下正常工作，当纵波和横波到达板材7的底面时，板材7的底面对心处产生上下位移变化，电容式位移传感器11的第一极板和第二极板在对心处的距离发生变化，因此电容式位移传感器11在对心处的电容发生变化并使得对心处的输出电压发生变化；电容式位移传感器11的输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器11的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集电容式位移传感器11的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHZ；采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器11的搭配使用实现了板材厚度的非接触式测量；

所述数据处理系统集成包括数据处理系统12和显示屏13，由于高速数据采集卡采集的数据为峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号，数据处理系统12用于对高速数据采集卡采集的双极性信号依次进行一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理，以使峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波第一次到达板材7底面对心处的时间、横波第一次到达板材7底面对心处的时间、纵波第二次到达板材7底面对心处的时间、以及横波第二次到达板材7底面对心处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波第一次到达板材7底面对心处产生纵波的第一 次波峰，之后是横波第一次到达板材7底面对心处产生横波的第一次波峰，之后纵波和横波分别垂直地反射至板材7顶面，再由板材7顶面垂直地反射回板材7底面对心处，所以之后是纵波第二次到达板材7底面对心处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材7底面对心处产生横波的第二次波峰，纵波的第一次波峰和横波的第一次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T₁，纵波的第一次波峰和纵波的第二次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₂，横波的第一次波峰和横波的第二次波峰的时间间隔为横波第一次到达板材底面对心处和横波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₃，所述高温检测计1设置在板材7的上方用于测量板材7的温度，根据板材7的材料属性以及测量温度值，可以查得纵波在板材7内的传播速度V_p以及横波在板材7内的传播速度V_s，于是板材的厚度h有以下三种计算方法：

方法一，利用纵波第一次到达板材7底面对心处和横波第一次到达板材7底面对心处的时间间隔T₁计算板材7的厚度h，时间间隔T₁的起点是纵波第一次到达板材7底面对心处的时刻，时间间隔T₁的终点是横波第一次到达板材7底面对心处的时刻，假设板材的厚度为h，则纵波第一次到达板材7底面对心处和横波第一次到达板材7底面对心处的时间间隔为 于是当纵波第一次到达板材7底面对心处和横波第一次到达板材7底面对心处的时间间隔为T₁时，由  $\frac{h}{V_s}-\frac{h}{V_p}=T_1,$ 得到板材的厚度  $h=\frac{T_1}{\frac{1}{V_s}-\frac{1}{V_p}};$

方法二，利用纵波第一次到达板材7底面对心处和纵波第二次到达板材7底面对心处的时间间隔T₂计算板材的厚度h，时间间隔T₂内纵波从板材7底面对心处垂直地反射回顶面并继续由顶面垂直地反射回底面对心处，因此时间间隔T₂内纵波经过了板材7厚度的两倍，于是板材的厚度h为纵波第一次和第二次到达板材7底面对心处的时间间隔T₂乘以纵波在板材7内的传播速度V_p再除 以2，也即  $h=\frac{1}{2}{T}_2{V}_p;$

方法三，利用横波第一次到达板材7底面对心处和横波第二次到达板材7底面对心处的时间间隔T₃计算板材的厚度h，时间间隔T₃内横波从板材7底面对心处垂直地反射回顶面并继续由顶面垂直地反射回底面对心处，因此时间间隔T₃内横波经过了板材7厚度的两倍，于是板材的厚度h为横波第一次和第二次到达板材7底面对心处的时间间隔T₃乘以横波在板材7内的传播速度V_s再除以2，也即  $h=\frac{1}{2}{T}_3{V}_s;$

所述显示屏13用于显示经过一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理之后得到的单极性信号的图形，以及经计算之后得到的板材7的厚度值，显示屏13所显示的单极性信号图形的横坐标为时间，纵坐标为经数据处理系统12处理后的高速数据采集卡的输出电压，另外工作人员还可在显示屏13上直接查看板材7的实时厚度值，根据该实时厚度值可以做出后续处理意见以调整板材生产线的参数值，从而保证板材7的厚度均匀性。

上述三种板材的测厚方法中，由于方法一有三个测量参数T₁、V_s、V_p，方法二只有两个测量参数T₂、V_p，方法三也只有两个测量参数T₃、V_s，而测量参数毕竟是有误差的，测量参数越少测厚误差越小，因此以上三种测厚方法中优选方法二和方法三，由于方法二是通过纵波的前两次到达板材7底面对心处的时间间隔计算板材7厚度，纵波的强度比横波的强度更大因而引起板材7底面对心处的位移变化更大，并且纵波前两次到达板材7底面对心处的时间间隔比横波前两次到达板材7底面对心处的时间间隔要短，因此采用方法二的测厚误差比方法三的测厚误差要小，因此方法二和方法三中又优选方法二。

三维移动平台能实现控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动，其工作原理是：所述Z向移动台4包括竖向设置的第一移动基座和第一移动平台，第一移动基座的纵向设置有两根第一丝杆41，第一丝杆41与所述第一移动平台内的两 个第一螺纹孔啮合，第一丝杆41的两端通过轴承可转动地设置在第一移动基座的上侧壁和下侧壁上，第一移动基座的上侧设置有可驱动两根第一丝杆41同时正转或反转的第一电机、以及可调节两根第一丝杆41同时正转或反转的第一手动旋钮，第一电机位于第一电机安装室42内，第一手动旋钮位于第一电机安装室42外部，工作时，通过第一电机或者第一手动旋钮的转动使两根第一丝杆41同时正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖向的上下移动；所述第一移动平台通过螺栓与所述控制柜3固定连接以实现控制柜3沿竖向的移动；

所述X向移动台5包括沿X向设置的第二移动基座52和第二移动平台51，第二移动基座的中部设置有沿X向布置的第二丝杆521，第二丝杆521两侧各设置一根沿X向布置的第二导向杆522，第二丝杆521与所述第二移动平台51中部的第二螺纹孔啮合，第二移动平台51内于第二螺纹孔的两侧设置有与所述第二导向杆522配合的第二导向孔，第二丝杆521的两端通过轴承可转动地设置在第二移动基座52的侧壁上，所述第二移动基座52的一侧设置有可驱动第二丝杆521正转或反转的第二电机、以及可调节第二丝杆521正转或反转的第二手动旋钮53，第二电机位于第二电机安装室54内，第二手动旋钮53位于第二电机安装室54外部，工作时，通过第二电机或者第二手动旋钮53的转动使第二丝杆521正转或反转，第二移动平台51由于第二螺纹孔与第二丝杆521的啮合实现X方向的左右移动，第二移动基座52上的两根第二导向杆522使第二移动平台51能够更加平稳地移动；所述第二移动平台51与所述Z向移动台4的第一移动基座通过螺栓固定连接，以实现第一移动基座沿X向的移动，进而实现控制柜3沿X向的移动；

所述Y向移动台6包括沿Y向设置的第三移动基座62和第三移动平台61，第三移动基座62的中部设置有沿Y向布置的第三丝杆621，第三丝杆621两侧各设置一根沿Y向布置的第三导向杆622，第三丝杆621与所述第三移动平台 61中部的第三螺纹孔啮合，第三移动平台61内于第三螺纹孔的两侧设置有与所述第三导向杆622配合的第三导向孔，第三丝杆621的两端通过轴承可转动地设置在第三移动基座62的侧壁上，所述第三移动基座62的一侧还设置有可驱动第三丝杆621正转或反转的第三电机、以及可调节第三丝杆621正转或反转的第三手动旋钮63，第三电机位于第三电机安装室64内，第三手动旋钮63位于第三电机安装室64外部，工作时，通过第三电机或者第三手动旋钮63的转动使第三丝杆621正转或反转，第三移动平台61由于第三螺纹孔与第三丝杆621的啮合实现Y方向的左右移动，第三移动基座62上的两根第三导向杆622使第三移动平台61能够更加平稳地移动；所述第三移动平台61与所述X向移动台5的第二移动基座52通过螺栓固定连接，以实现第二移动基座52沿Y向的移动，进而实现控制柜3沿Y向的移动；

设计第一丝杆、第二丝杆521、以及第三丝杆621的螺距，使得控制柜3在Z向移动台4上的移动精度为0.1mm，Z向移动台4在X向移动台5上的移动精度为0.1mm，X向移动台5在Y向移动台6上的移动精度为0.1mm，这样，控制柜3在Z、X、Y三个空间方向的移动精度均可以达到0.1mm，因此控制柜3的移动精度高。

本实施例中，所述激光发射器为Nd：YAG激光发射器，Nd：YAG激光发射器的发射激光脉冲波长为1064nm。

本实施例的测厚原理：第二激光束在板材7顶面激发激光超声波，该激光超声波包括在板材7顶面传播的表面波、以及透射入板材7内以球面波形式传播的纵波和横波，在本专利中我们只需考虑从板材7顶面垂直入射到板材7底面对心处的横波和纵波，以计算板材的厚度。该横波和纵波从板材7顶面垂直入射到板材底面对心处，并在板材7底面对心处和顶面之间垂直地来回反射，取纵波和横波前两次到达板材7底面对心处的时间计算板材的厚度，当纵波和横波到达板材7底面对心处时，板材7底面对心处因波的作用会发生上下位移 变化，而纵波和横波离开板材5底面对心处时，板材7底面对心处恢复初始状态。由于纵波和横波到达板材底面对心处时，板材底面对心处会产生上下位移变化，于是电容式位移传感11器的第一极板和第二极板在对心处的间距发生变化，因此电容式位移传感器11在对心处的电容发生变化，电容式位移传感器11在对心处的输出电压因此发生变化，电容式位移传感器11在对心处的输出电压经过前置放大器送入高速数据采集卡中。图5为高速数据采集卡所采集的电压信号图，可见，高速数据采集卡所采集的原始信号为峰值混叠的双极性信号，图5中的四个箭头代表纵波和横波前两次到达板材7底面对心处产生的四个波峰的大致中心时间，依次是T_P1、T_S1、T_P1、T_S2。四个波峰按时间轴自左向右的顺序，首先是纵波第一次到达板材7底面对心处产生纵波的第一次波峰，之后是横波第一次到达板材底面7对心处产生横波的第一次波峰，再之后是纵波第二次到达板材7底面对心处产生纵波的第二次波峰，最后是横波第二次到达板材7底面对心处产生横波的第二次波峰；从图5中可以看出，虽然在箭头指向处有一处峰值存在，但是在箭头所指峰值附近处依然有其他混叠的、双极性的次峰值存在，且次峰值的峰值大小接近于箭头所指峰值大小，这是波与板材的底面边界发生了复杂作用后的结果(属于边界效应的理论范围)，从而导致我们无法从该信号图中直接提取纵波和横波的前两次波峰到达的准确时间。因此我们不但需要对图5所示的原始信号图进行降噪，而且需要通过更优的数据处理过程将原双极性、峰值混叠的信号进行处理最终得到单极性的、单峰值信号，从而准确的提取四个主波峰对应的纵波第一次到达板材7底面对心处、横波第一次到达板材7底面对心处、纵波第二次到达板材7底面对心处、横波第二次到达板材7底面对心处的时间，这样就能准确获得纵波第一次到达板材7底面对心处和横波第一次到达板材7底面对心处的时间间隔T₁，纵波第一次到达板材7底面对心处和纵波第二次到达板材7底面对心处的时间间隔T₂，横波第一次到达板材7底面对心处和横波第二次到达板材7底面对心处的时间间隔T₃， 进而根据方法一、或方法二、或方法三计算出板材的厚度值。

以纵波第一次到达板材7底面对心处产生的纵波的第一次波峰为例说明数据处理系统的数据处理过程，数据处理系统的数据处理过程如图6所示，6(a)为高速数据采集卡所采集的原始信号图，可以发现图中峰值信号为双极性、且峰值混叠，背景噪声异常复杂，我们无法准确获取纵波、横波到达时间；6(b)为对数据进行一次降噪后结果；6(c)中为对数据进行单边包络处理后结果；6(d)为对6(c)中数据进行二次降噪、平滑处理后获得的单极性信号。从图6中我们可以看出，原本峰值混叠、背景噪声异常复杂的双极性信号(包含了正电压和负电压)变成了峰值到达时间清晰的单峰值(去除了次波峰)、单极性信号(只包含正电压)，从时间轴上我们可以准确得到峰值到达时间值。通过如上数据处理过程，可以准确得到纵波第一次到达板材7底面对心处、横波第一次到达板材7底面对心处、纵波第二次到达板材7底面对心处、横波第二次到达板材7底面对心处的时间，从而准确获得所述时间间隔T₁、T₂、T₃，进而根据方法一、或方法二、或方法三计算出板材的厚度值。

本实施例中，三维移动平台的存在使得控制柜3的空间三维位置可调，从而激光射向板材7的位置可调。另外，板材7是水平移动的在线状态，这是工业生产中板材7的实际工作状态，因此本发明可实现板材7的在线检测。U型接地架2用于固定三维移动平台，U型接地架2可以平放在地面或其他支撑物上，设计成U型接地架2的目的是让工业在线输送的板材7通过其开口，根据板材7的长、宽、高不同，U型接地架2的尺寸可以对应做出调整。另外，本着系统整体体积尽量小的原则，控制柜3放置在板材7上方300mm处。

本申请人选用厚度为1mm、3mm、10mm、20mm、28mm铝板分别采用本系统分别进行厚度测量计算，可知，本系统的板材厚度计算误差在2％以内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (5)

1.基于激光超声的板材厚度在线测量系统，其特征在于：包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成；

所述光路系统集成包括U型接地架、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜，所述三维移动平台包括Z向移动台、X向移动台、Y向移动台，所述控制柜通过螺栓固接在Z向移动台的第一移动平台上，Z向移动台通过螺栓固接在X向移动台的第二移动平台上方，X向移动台通过螺栓固接在Y向移动台的第三移动平台上方，由此可实现控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动；所述Y向移动台固定在所述U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，板材由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；所述光路调节系统包括分光镜、凸透镜、反射镜，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜向下垂直射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜水平射出并射入凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而提高数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该聚焦后的激光光斑分辨率与下述高速数据采集卡的100MHZ采样频率对应，经过凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为垂直向下，使得第二激光束直接入射到板材顶面，第二激光束在板材顶面激发激光超声波，该激光超声波包括在板材顶面传播的表面波、以及透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，从板材顶面垂直入射到板材底面对心处的纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射，纵波的传播速度大于横波的传播速度，当纵波和横波到达板材底面对心处时，板材底面对心处因为波的作用而产生上下位移变化，当纵波和横波反射离开板材底面对心处时，板材底面对心处恢复初始状态，纵波和横波在板材内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材底面对心处时，其所携带的能量最大，可激发板材底面对心处的位移最大，因 此利用纵波和横波前两次到达板材底面对心处的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波的前两次到达板材底面对心处的时间计算板材的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射过程中，板材的厚度不发生变化；

所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方第一距离处，板材水平地经过下方的电容式位移传感器，因此可实时测量板材对应电容式位移传感器的各处厚度值以衡量板材的厚度均匀性；板材构成电容式位移传感器的第一极板，电容式位移传感器的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成因此可在极端环境下正常工作，当纵波和横波到达板材的底面时，板材底面对心处产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对心处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对心处的电容发生变化并使得对心处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集电容式位移传感器的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHZ。采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用实现了板材厚度的非接触式测量；

所述数据处理系统集成包括数据处理系统和显示屏，由于高速数据采集卡采集的数据为峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号，数据处理系统用于对高速数据采集卡采集的双极性信号依次进行一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理，以使峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波第一次到达板材底面对心处、横波第一次到达板材底面对心处、纵波第二次到达板材底面对心处、横波第二次到达板 材底面对心处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波第一次到达板材底面对心处产生纵波的第一次波峰，之后是横波第一次到达板材底面对心处产生横波的第一次波峰，之后纵波和横波分别垂直地反射至板材顶面，再由板材顶面垂直地反射回板材底面对心处，所以之后是纵波第二次到达板材底面对心处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材底面对心处产生横波的第二次波峰，纵波的第一次波峰和横波的第一次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T₁，纵波的第一次波峰和纵波的第二次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₂，横波的第一次波峰和横波的第二次波峰的时间间隔为横波第一次到达板材底面对心处和横波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₃，所述高温检测计设置在板材的上方用于测量板材的温度，根据板材的材料属性以及测量温度值，可以查得纵波在板材内的传播速度V_p以及横波在板材内的传播速度V_s，于是板材的厚度h有以下三种计算方法：

方法一，利用纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T₁计算板材的厚度h，时间间隔T₁的起点是纵波第一次到达板材底面对心处的时刻，时间间隔T₁的终点是横波第一次到达板材底面对心处的时刻，假设板材的厚度为h，则纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔为                                                  于是当纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔为T₁时，由   得到板材的厚度   

方法二，利用纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₂计算板材的厚度h，时间间隔T₂内纵波从板材底面对心处 垂直地反射回顶面并继续由顶面垂直地反射回底面对心处，因此时间间隔T₂内纵波经过了板材厚度的两倍，于是板材的厚度h为纵波第一次和第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₂乘以纵波在板材内的传播速度V_p再除以2，也即    

方法三，利用横波第一次到达板材底面对心处和横波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₃计算板材的厚度h，时间间隔T₃内横波从板材底面对心处垂直地反射回顶面并继续由顶面垂直地反射回底面对心处，因此时间间隔T₃内横波经过了板材厚度的两倍，于是板材的厚度h为横波第一次和第二次到达板材底面对心处的时间间隔T₃乘以横波在板材内的传播速度V_s再除以2，也即    

所述显示屏用于显示经过一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理之后得到的单极性信号的图形，以及经计算之后得到的板材的厚度值，显示屏所显示的单极性信号图形的横坐标为时间，纵坐标为经数据处理系统处理后的电容式位移传感器的输出电压，另外工作人员还可在显示屏上直接查看板材的实时厚度值，根据该实时厚度值可以做出后续处理意见以调整板材生产线的参数值，从而保证板材的厚度均匀性。

2.如权利要求1所述的基于激光超声的板材厚度在线测量系统，其特征在于：所述Z向移动台包括竖向设置的第一移动基座和第一移动平台，第一移动基座的纵向设置有两根第一丝杆，第一丝杆与所述第一移动平台内的两个第一螺纹孔啮合，第一丝杆的两端通过轴承可转动地设置在第一移动基座的上侧壁和下侧壁上，第一移动基座的上侧设置有可驱动两根第一丝杆同时正转或反转的第一电机、以及可调节两根第一丝杆同时正转或反转的第一手动旋钮，第一电机位于第一电机安装室内，第一手动旋钮位于第一电机安装室外部，工作时，通过第一电机或者第一手动旋钮的转动使两根第一丝杆同时正转或反转，第一 移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖向的上下移动；所述第一移动平台通过螺栓与所述控制柜固定连接以实现控制柜沿竖向的移动；

所述X向移动台包括沿X向设置的第二移动基座和第二移动平台，第二移动基座的中部设置有沿X向布置的第二丝杆，第二丝杆两侧各设置一根沿X向布置的第二导向杆，第二丝杆与所述第二移动平台中部的第二螺纹孔啮合，第二移动平台内于第二螺纹孔的两侧设置有与所述第二导向杆配合的第二导向孔，第二丝杆的两端通过轴承可转动地设置在第二移动基座的侧壁上，所述第二移动基座的一侧设置有可驱动第二丝杆正转或反转的第二电机、以及可调节第二丝杆正转或反转的第二手动旋钮，第二电机位于第二电机安装室内，第二手动旋钮位于第二电机安装室外部，工作时，通过第二电机或者第二手动旋钮的转动使第二丝杆正转或反转，第二移动平台由于第二螺纹孔与第二丝杆的啮合实现X方向的左右移动，第二移动基座上的两根第二导向杆使第二移动平台能够更加平稳地移动；所述第二移动平台与所述Z向移动台的第一移动基座通过螺栓固定连接，以实现第一移动基座沿X向的移动，进而实现控制柜沿X向的移动；

所述Y向移动台包括沿Y向设置的第三移动基座和第三移动平台，第三移动基座的中部设置有沿Y向布置的第三丝杆，第三丝杆两侧各设置一根沿Y向布置的第三导向杆，第三丝杆与所述第三移动平台中部的第三螺纹孔啮合，第三移动平台内于第三螺纹孔的两侧设置有与所述第三导向杆配合的第三导向孔，第三丝杆的两端通过轴承可转动地设置在第三移动基座的侧壁上，所述第三移动基座的一侧还设置有可驱动第三丝杆正转或反转的第三电机、以及可调节第三丝杆正转或反转的第三手动旋钮，第三电机位于第三电机安装室内，第三手动旋钮位于第三电机安装室外部，工作时，通过第三电机或者第三手动旋钮的转动使第三丝杆正转或反转，第三移动平台由于第三螺纹孔与第三丝杆的啮合实现Y方向的左右移动，第三移动基座上的两根第三导向杆使第三移动平 台能够更加平稳地移动；所述第三移动平台与所述X向移动台的第二移动基座通过螺栓固定连接，以实现第二移动基座沿Y向的移动，进而实现控制柜沿Y向的移动；

设计第一丝杆、第二丝杆、以及第三丝杆的螺距，使得控制柜在Z向移动台上的移动精度为0.1mm，Z向移动台在X向移动台上的移动精度为0.1mm，X向移动台在Y向移动台上的移动精度为0.1mm，这样，控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动精度均可以达到0.1mm，因此控制柜的移动精度高。

3.如权利要求1或2所述的基于激光超声的板材厚度在线测量系统，其特征在于：所述激光发射器为Nd：YAG激光发射器。

4.如权利要求1或2所述的基于激光超声的板材厚度在线测量系统，其特征在于：所述电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方20mm处。

5.如权利要求3所述的基于激光超声的板材厚度在线测量系统，其特征在于：所述Nd：YAG激光发射器的发射激光脉冲波长为1064nm。