CN104792285B - 一种基于激光超声的板材厚度在线测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种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、竖向移动台、以及集成有激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜，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上表面上方第一距离处，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上表面O点处的时间以计算板材的厚度。本发明优点：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。
Description
技术领域
本发明涉及无损测量技术领域，尤其涉及一种对工业生产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。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
一种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、竖向移动台、以及集成有激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜，所述控制柜通过螺栓固接在竖向移动台的移动平台上以实现控制柜沿竖向的移动，所述竖向移动台通过螺栓固接在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竖直向下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使得激发出的激光超声波频率满足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竖直向下，使得第二激光束直接入射到扫描振镜的中心位置，扫描振镜控制第二激光束以一定速度在板材上表面一定范围内进行扫描入射，扫描入射的第二激光束在板材上表面激发激光超声波，该激光超声波包括只能在板材上表面传播的表面波、以及可以透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，与扫描振镜中心的水平距离为L处的电容式位移传感器的正下方对应板材上表面的O点，因为纵波速度大于表面波速度，表面波速度大于横波速度，因此首先会因为从板材上表面直接传播到O点的纵波、表面波、横波的依次作用而使得O点产生三次上下位移变化，其次，以球面波形式在板材内部传播的纵波、横波会首先以一定角度入射到板材下表面，之后从板材下表面反射回板材上表面，其中，一定入射角度的纵波和横波会经下表面一次反射再次传播到板材上表面的O点，而引起O点位移上下变化，因为板材内部的纵波和横波是以球面形式传播，所以不仅有上述经过下表面一次反射到达O点的纵波和横波，还有经过下表面和上表面之间的多次反射也即经过下表面两次、三次等多次反射才到达O点的纵波和横波，这些到达O点的纵波和横波使得O点位移发生上下变化；当作用的激光超声波离开O点时，板材上表面O点恢复初始状态，在激光超声波传播过程中，板材的厚度不发生变化；由于激光超声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上表面O点时所携带的能量最大，可激发O点的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材上表面O点的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波前两次到达板材上表面O点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；
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上表面上方第一距离处与板材为非接触式测量关系，如前所述，电容式位移传感器的中心点距离所述扫描振镜的水平距离为L，该L是已知量，可以在扫描振镜及电容式位移传感器放置好后直接测量得到，板材水平地在电容式位移传感器下方经过，因此可实时测量板材与电容式位移传感器对应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高温、强腐蚀、高辐射的极端环境下正常工作，当激光超声波到达板材上表面O点时，O点因为波的作用产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对应O点处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对应O点处的电容发生变化并使得电容式位移传感器在对应O点处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的电压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前置放大器的输出电压信号，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，从而分别准确获得纵波、表面波、横波第一次到达板材上表面O点处的时间以及纵波、横波经过板材下表面一次反射到达板材上表面O点处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生纵波的第一次波峰，之后是表面波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生表面波的第一次波峰，之后是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生横波的第一次波峰，因为表面波速度与横波速度几乎相同，因此当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较小时表面波和横波的波峰因为时间差过小而混叠为一个波峰，当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较大时表面波和横波的波峰将因时间差变大而区分开，在纵波、表面波、横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处之后，透射入板材内的纵波和横波以一定入射角分别入射至板材下表面，再由板材下表面反射至板材上表面O点处，所以之后是纵波第二次到达板材上表面O点处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材上表面O点处产生横波的第二次波峰，再之后则依次是纵波和横波经过板材下表面的一次反射到达板材上表面，再由板材上表面反射至板材下表面，并由板材下表面二次反射后第三次到达板材上表面O点处产生的第三次波峰，纵波和横波到达板材上表面O点处产生的第四次及第四次以上的波峰以此类推，这里我们只关注纵波、横波前两次到达板材上表面O点处产生的波峰，纵波的第一次波峰与第二次波峰的时间间隔为纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T1，横波的第一次波峰与第二次波峰的时间间隔为横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T2，所述高温检测计设置在板材的上方用于测量板材的温度，根据板材的板材属性以及高温检测计的测量温度值，可以查得纵波在板材内的传播速度Vp以及横波在板材内的传播速度Vs，于是板材的厚度h主要有以下两种计算方法：
方法一，利用纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T1计算板材的厚度h，时间间隔T1的起点是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的时刻，时间间隔T1的终点是纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时刻，假设板材的厚度为h，则纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的路径长度为L，传播时间为而纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的路径长度为传播时间为于是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为于是当纵波第一次到达板材上表面O点处和纵波第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为T1时，由得到板材的厚度
方法二，利用横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T2计算板材的厚度h，时间间隔T2的起点是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的时刻，时间间隔T2的终点是横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时刻，假设板材的厚度为h，则横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的路径长度为L，传播时间为而横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的路径长度为传播时间为于是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为于是当横波第一次到达板材上表面O点处和横波第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为T2时，由得到板材的厚度
上述两种板材厚度计算方法中，因为当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较小时，第一次到达板材上表面O点处的表面波及横波是混叠在一起的，不利于横波到达时间的甄别，其次因为纵波第一次和第二次到达板材上表面O点处的时间相对横波更短，因此利用方法一来计算板材厚度所记录数据量更小、且时间间隔短、误差小，因此方法一与方法二中优选方法一计算板材的厚度值；
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前置放大器的输出电压，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，所述竖向移动台包括竖向设置的基座以及可竖向滑移地设置在基座上的移动平台，基座的纵向设置有两根第一丝杆，移动平台内设置有两个与第一丝杆啮合的螺纹孔，第一丝杆的两端通过轴承可转动地设置在基座的上侧壁和下侧壁上，基座的上侧设置有可同时驱动两根第一丝杆正转或反转的电机、以及可同时调节两根第一丝杆正转或反转的手动旋钮，电机位于电机安装室内，手动旋钮位于电机安装室外部，工作时，通过电机或者手动旋钮的转动使两根第一丝杆同时正转或同时反转，移动平台由于螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖向的上下移动，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；设计第一丝杆的螺距，使得控制柜在竖向移动台上的移动精度为0.1mm，这样可满足控制柜在竖向的移动精度要求。
进一步，所述扫描振镜的内部镜片以一定速率在20°角的空间范围内自由偏转，从而控制第二激光束以一定速度在大小为500*500mm的方框内任意入射。
进一步，所述电容式位移传感器螺纹套接在第二丝杆上，第二丝杆通过轴承可转动地连接在控制柜下端，通过第二丝杆的转动，实现电容式位移传感器的竖向位置的调节。
进一步，所述电容式位移传感器设置在板材上表面O点处上方20mm处。
进一步，所述激光发射器为Nd：YAG激光发射器，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)控制柜作为激光超声波的激发装置与作为接收装置的电容式位移传感器位于板材的同一侧，方便电容式位移传感器的安装、定位，同时控制柜与电容式位移传感器位于同一侧也使得整个系统的空间紧凑，方便将整个系统集成为便携式测量系统；(3)高速数据采集卡的输出端连接数据处理系统集成，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上表面O点处的峰值时间，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；(4)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；(5)激光发射器、光路调节系统、扫描振镜一起集成在控制柜内，控制柜设置在竖向移动台上，竖向移动台固定在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；(6)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材料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材料的实时厚度，并根据该实时厚度做出处理意见以调整材料生产线的参数值，从而保证材料生产的厚度均匀性；(7)本系统能够对多种材料的板材厚度做出测量，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为本发明一种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为本发明一种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为本发明一种基于激光超声的板材厚度测量系统的光路结构图；
图4为本发明的竖向移动台的移动平台的结构示意图；
图5为本发明通过方法一计算板材厚度的几何原理图；
图6为本发明的高速数据采集卡所采集的电压信号图；
图7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-控制柜、2-竖向位移台、21-第一丝杆、22-电机安装室、23-移动平台、231-螺纹孔、3-U型接地架、4-高温检测计、5-板材、6-第二丝杆、7-电容式位移传感器、8-前置放大器、9-数据处理系统、10-显示屏、11-扫描振镜、12-分光镜、13-凸透镜、14-反射镜。
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1-7：一种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3、竖向移动台2、以及集成有激光发射器、光路调节系统和扫描振镜11的控制柜1，所述控制柜1通过螺栓固接在竖向移动台2的移动平台23上以实现控制柜1沿竖向的移动，所述竖向移动台2通过螺栓固接在U型接地架3上方，U型接地架3的开口水平布置，板材5由输送机构输送水平地通过U型接地架3的开口；所述光路调节系统包括分光镜12、凸透镜13、反射镜14，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜12分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜12竖直向下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12水平射出并射入凸透镜13的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而使得激发出的激光超声波频率满足数据采集系统集成的电容式位移传感器7对应的位移采集精度，经过凸透镜13聚焦后的第二激光束射向反射镜14，反射镜14将第二激光束运动方向自水平改为竖直向下，使得第二激光束直接入射到扫描振镜11的中心位置，扫描振镜11控制第二激光束以一定速度在板材5上表面一定范围内进行扫描入射，扫描入射的第二激光束在板材5上表面激发激光超声波，该激光超声波包括只能在板材5上表面传播的表面波、以及可以透射入板材5内以球面波形式传播的纵波和横波，与扫描振镜11中心的水平距离为L处的电容式位移传感器7的正下方对应板材5上表面的O点，因为纵波速度大于表面波速度，表面波速度大于横波速度，因此首先会因为从板材上表面直接传播到O点的纵波、表面波、横波的依次作用而使得O点产生三次上下位移变化，其次，以球面波形式在板材内部传播的纵波、横波会首先以一定角度入射到板材下表面，之后从板材下表面反射回板材上表面，其中，一定入射角度的纵波和横波会经下表面一次反射再次传播到板材上表面的O点，而引起O点位移上下变化，因为板材内部的纵波和横波是以球面形式传播，所以不仅有上述经过下表面一次反射到达O点的纵波和横波，还有经过下表面和上表面之间的多次反射也即经过下表面两次、三次等多次反射才到达O点的纵波和横波，这些到达O点的纵波和横波使得O点位移发生上下变化；当作用的激光超声波离开O点时，板材上表面O点恢复初始状态，在激光超声波传播过程中，板材5的厚度不发生变化；由于激光超声波在板材5内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材上表面O点时所携带的能量最大，可激发O点的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材上表面O点的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波前两次到达板材上表面O点的时间计算板材5的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；
所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器7、前置放大器8、高速数据采集卡，电容式位移传感器7设置在板材上表面上方第一距离处与板材为非接触式测量关系，如前所述，电容式位移传感器7的中心点距离所述扫描振镜11的水平距离为L，该L是已知量，可以在扫描振镜11及电容式位移传感器7放置好后直接测量得到，板材5水平地在电容式位移传感器7下方经过，因此可实时测量板材5与电容式位移传感器7对应的各处厚度值以衡量板材的厚度均匀性；板材5构成电容式位移传感器7的第一极板，电容式位移传感器7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高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下正常工作，当激光超声波到达板材上表面O点时，O点因为波的作用产生上下位移变化，电容式位移传感器7的第一极板和第二极板在对应O点处的距离发生变化，因此电容式位移传感器7在对应O点处的电容发生变化并使得电容式位移传感器7在对应O点处的输出电压发生变化；电容式位移传感器7的电压输出端通过数据线连接前置放大器8，前置放大器8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7的输出电压信号通过前置放大器8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前置放大器8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7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9和显示屏10，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9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，从而分别准确获得纵波、表面波、横波第一次到达板材上表面O点处的时间以及纵波、横波经过板材下表面一次反射到达板材上表面O点处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生纵波的第一次波峰，之后是表面波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生表面波的第一次波峰，之后是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生横波的第一次波峰，因为表面波速度与横波速度几乎相同(如，在铝中表面波速度与横波速度分别为3120m/s与2980m/s)，因此当电容式位移传感器7的中心点与扫描振镜11的水平距离L较小时表面波和横波的波峰因为时间差过小而混叠为一个波峰，当电容式位移传感器7的中心点与扫描振镜11的水平距离L较大时表面波和横波的波峰将因时间差变大而区分开，在纵波、表面波、横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处之后，透射入板材5内的纵波和横波以一定入射角分别入射至板材下表面，再由板材下表面反射至板材上表面O点处，所以之后是纵波第二次到达板材上表面O点处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材上表面O点处产生横波的第二次波峰，再之后则依次是纵波和横波经过板材下表面的一次反射到达板材上表面，再由板材上表面反射至板材下表面，并由板材下表面二次反射后第三次到达板材上表面O点处产生的第三次波峰，纵波和横波到达板材上表面O点处产生的第四次及第四次以上的波峰以此类推，这里我们只关注纵波、横波前两次到达板材上表面O点处产生的波峰，纵波的第一次波峰与第二次波峰的时间间隔为纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T1，横波的第一次波峰与第二次波峰的时间间隔为横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T2，所述高温检测计4设置在板材的上方用于测量板材5的温度，根据板材的板材属性以及高温检测计4的测量温度值，可以查得纵波在板材5内的传播速度Vp以及横波在板材5内的传播速度Vs，于是板材的厚度h主要有以下两种计算方法：
方法一，利用纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T1计算板材的厚度h，时间间隔T1的起点是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的时刻，时间间隔T1的终点是纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时刻，假设板材的厚度为h，则纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为于是当纵波第一次到达板材上表面O点处和纵波第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为T1时，由得到板材的厚度
图5为通过方法一计算板材厚度的几何原理图，其中，电容式位移传感器7的中心点与扫描振镜11的水平距离为L，板材上表面和下表面的距离为h，纵波从板材上表面传播第一次到达板材上表面O点的传播路径为AO，传播所需时间为而纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处，其传播路径为AB+BO，在直角三角形ACB、BCO中可以计算得到AB、BO长度均为则纵波第二次传播到O点的总路径长度为传播所需时间为于是，纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为当该时间间隔为T1时，由得到板材的厚度
方法二，利用横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T2计算板材的厚度h，时间间隔T2的起点是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的时刻，时间间隔T2的终点是横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时刻，假设板材的厚度为h，则横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为于是当横波第一次到达板材上表面O点处和横波第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为T2时，由得到板材的厚度通过方法二计算板材厚度的几何原理与方法一类似；
上述两种板材厚度计算方法中，因为当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较小时，第一次到达板材上表面O点处的表面波及横波是混叠在一起的，不利于横波到达时间的甄别，其次因为纵波第一次和第二次到达板材上表面O点处的时间相对横波更短，因此利用方法一来计算板材厚度所记录数据量更小、且时间间隔短、误差小，因此方法一与方法二中优选方法一计算板材的厚度值；
所述显示屏10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5的厚度值，显示屏10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9处理后的前置放大器8的输出电压，另外工作人员还可在显示屏10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。
所述竖向移动台2包括竖向设置的基座以及可竖向滑移地设置在基座上的移动平台23，基座的纵向设置有两根第一丝杆21，移动平台23内设置有两个与第一丝杆21啮合的螺纹孔231，第一丝杆21的两端通过轴承可转动地设置在基座的上侧壁和下侧壁上，基座的上侧设置有可同时驱动两根第一丝杆21正转或反转的电机、以及可同时调节两根第一丝杆21正转或反转的手动旋钮，电机位于电机安装室22内，手动旋钮位于电机安装室22外部，工作时，通过电机或者手动旋钮的转动使两根第一丝杆21同时正转或同时反转，移动平台23由于螺纹孔与第一丝杆21的啮合实现竖向的上下移动，移动平台23通过螺栓与所述控制柜1固定连接以实现控制柜1沿竖向的移动；设计第一丝杆21的螺距，使得控制柜1在竖向移动台2上的移动精度为0.1mm，这样可满足控制柜1在竖向的移动精度要求。
本实施例中，经过凸透镜聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该尺寸的激光光斑激发激光超声波的频率满足数据采集系统集成的电容式位移传感器7对应的位移采集精度，也即该尺寸的激光光斑激发激光超声波的频率与高速数据采集卡的100MHZ采样频率对应。
本实施例中，所述扫描振镜11的内部镜片以一定速率在20°角的空间范围内自由偏转，从而控制第二激光束以一定速度在大小为500*500mm的方框内任意入射。
本实施例中，所述电容式位移传感器7设置在板材上表面O点上方20mm处，电容式位移传感器7螺纹套接在第二丝杆6上，第二丝杆6通过轴承可转动地连接在控制柜1下端，通过第二丝杆6的转动，实现电容式位移传感器7的竖向位置的调节。
本实施例中，所述激光发射器为Nd：YAG激光发射器，激光发射器的发射激光脉冲波长为1064nm。
图6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6中的四个箭头代表纵波和横波前两次到达板材上表面O点产生的四个波峰的大致中心时间，依次是TP1、TS1、TP2、TS2。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上表面O点产生纵波的第一次波峰，之后是横波第一次到达板材上表面O点产生横波的第一次波峰，再之后是纵波第二次到达板材上表面O点产生纵波的第二次波峰，最后是横波第二次到达板材上表面O点产生横波的第二次波峰。从图6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6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始的双极性、峰值混叠的信号进行处理最终得到单极性、单峰值信号，从而准确的提取箭头处四个波峰对应的纵波第一次到达板材上表面O点、横波第一次到达板材上表面O点、纵波第二次到达板材上表面O点、横波第二次到达板材上表面O点的时间，这样就能准确获得纵波第一次、第二次到达板材上表面O点的时间间隔T1和横波第一次、第二次到达板材上表面O点时间间隔T2，进而根据方法一或方法二计算出板材的厚度值。
以横波第一次到达板材上表面O点产生的横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7所示，7(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，我们无法准确获取横波到达板材上表面O点的时间；7(b)为对数据进行一次降噪后结果；7(c)中为对数据进行单边包络处理后结果；7(d)为对7(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7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获得横波第一次到达板材上表面O点产生横波的第一次峰值的时间。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上表面O点、横波第一次到达板材上表面O点、纵波第二次到达板材上表面O点、横波第二次到达板材上表面O点的时间，从而准确获得所述时间间隔T1、T2，进而根据方法一或方法二计算出板材的厚度值。
本实施例中，竖向移动台2、扫描振镜11的存在使得激光射向板材的位置可调。另外，板材是水平移动的在线状态，这是工业生产中板材的实际工作状态，因此本发明可实现板材的厚度在线检测。U型接地架3用于固定竖向移动台2，U型接地架3可以平放在地面或其他支撑物上，设计成U型接地架3的目的是让工业在线输送的板材通过其开口，根据板材的长、宽、高不同，U型接地架3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1放置在板材上表面上方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 (6)
1.一种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、竖向移动台、以及集成有激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜，所述控制柜通过螺栓固接在竖向移动台的移动平台上以实现控制柜沿竖向的移动，所述竖向移动台通过螺栓固接在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竖直向下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使得激发出的激光超声波频率满足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竖直向下，使得第二激光束直接入射到扫描振镜的中心位置，扫描振镜控制第二激光束以一定速度在板材上表面一定范围内进行扫描入射，扫描入射的第二激光束在板材上表面激发激光超声波，该激光超声波包括只能在板材上表面传播的表面波、以及可以透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，与扫描振镜中心的水平距离为L处的电容式位移传感器的正下方对应板材上表面的O点，因为纵波速度大于表面波速度，表面波速度大于横波速度，因此首先会因为从板材上表面直接传播到O点的纵波、表面波、横波的依次作用而使得O点产生三次上下位移变化，其次，以球面波形式在板材内部传播的纵波、横波会首先以一定角度入射到板材下表面，之后从板材下表面反射回板材上表面，其中，一定入射角度的纵波和横波会经下表面一次反射再次传播到板材上表面的O点，而引起O点位移上下变化，因为板材内部的纵波和横波是以球面形式传播，所以不仅有上述经过下表面一次反射到达O点的纵波和横波，还有经过下表面和上表面之间的多次反射也即经过下表面两次、三次等多次反射才到达O点的纵波和横波，这些到达O点的纵波和横波使得O点位移发生上下变化；当作用的激光超声波离开O点时，板材上表面O点恢复初始状态，在激光超声波传播过程中，板材的厚度不发生变化；由于激光超声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上表面O点时所携带的能量最大，可激发O点的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材上表面O点的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波前两次到达板材上表面O点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；
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上表面上方第一距离处与板材为非接触式测量关系，如前所述，电容式位移传感器的中心点距离所述扫描振镜的水平距离为L，该L是已知量，可以在扫描振镜及电容式位移传感器放置好后直接测量得到，板材水平地在电容式位移传感器下方经过，因此可实时测量板材与电容式位移传感器对应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高温、强腐蚀、高辐射的极端环境下正常工作，当激光超声波到达板材上表面O点时，O点因为波的作用产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对应O点处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对应O点处的电容发生变化并使得电容式位移传感器在对应O点处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的电压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前置放大器的输出电压信号，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，从而分别准确获得纵波、表面波、横波第一次到达板材上表面O点处的时间以及纵波、横波经过板材下表面一次反射到达板材上表面O点处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生纵波的第一次波峰，之后是表面波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生表面波的第一次波峰，之后是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生横波的第一次波峰，因为表面波速度与横波速度几乎相同，因此当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较小时表面波和横波的波峰因为时间差过小而混叠为一个波峰，当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较大时表面波和横波的波峰将因时间差变大而区分开，在纵波、表面波、横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处之后，透射入板材内的纵波和横波以一定入射角分别入射至板材下表面，再由板材下表面反射至板材上表面O点处，所以之后是纵波第二次到达板材上表面O点处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材上表面O点处产生横波的第二次波峰，再之后则依次是纵波和横波经过板材下表面的一次反射到达板材上表面，再由板材上表面反射至板材下表面，并由板材下表面二次反射后第三次到达板材上表面O点处产生的第三次波峰，纵波和横波到达板材上表面O点处产生的第四次及第四次以上的波峰以此类推，这里我们只关注纵波、横波前两次到达板材上表面O点处产生的波峰，纵波的第一次波峰与第二次波峰的时间间隔为纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T1，横波的第一次波峰与第二次波峰的时间间隔为横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T2，所述高温检测计设置在板材的上方用于测量板材的温度，根据板材的板材属性以及高温检测计的测量温度值，可以查得纵波在板材内的传播速度Vp以及横波在板材内的传播速度Vs，于是板材的厚度h有以下两种计算方法：
方法一，利用纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T1计算板材的厚度h，时间间隔T1的起点是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的时刻，时间间隔T1的终点是纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时刻，假设板材的厚度为h，则纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的路径长度为L，传播时间为而纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的路径长度为传播时间为于是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为于是当纵波第一次到达板材上表面O点处和纵波第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为T1时，由得到板材的厚度
方法二，利用横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T2计算板材的厚度h，时间间隔T2的起点是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的时刻，时间间隔T2的终点是横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时刻，假设板材的厚度为h，则横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的路径长度为L，传播时间为而横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的路径长度为传播时间为于是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为于是当横波第一次到达板材上表面O点处和横波第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为T2时，由得到板材的厚度
上述两种板材厚度计算方法中，因为当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较小时，第一次到达板材上表面O点处的表面波及横波是混叠在一起的，不利于横波到达时间的甄别，其次因为纵波第一次和第二次到达板材上表面O点处的时间相对横波更短，因此利用方法一来计算板材厚度所记录数据量更小、且时间间隔短、误差小；
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前置放大器的输出电压，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：所述竖向移动台包括竖向设置的基座以及可竖向滑移地设置在基座上的移动平台，基座的纵向设置有两根第一丝杆，移动平台内设置有两个与第一丝杆啮合的螺纹孔，第一丝杆的两端通过轴承可转动地设置在基座的上侧壁和下侧壁上，基座的上侧设置有可同时驱动两根第一丝杆正转或反转的电机、以及可同时调节两根第一丝杆正转或反转的手动旋钮，电机位于电机安装室内，手动旋钮位于电机安装室外部，工作时，通过电机或者手动旋钮的转动使两根第一丝杆同时正转或同时反转，移动平台由于螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖向的上下移动，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；设计第一丝杆的螺距，使得控制柜在竖向移动台上的移动精度为0.1mm，这样可满足控制柜在竖向的移动精度要求。
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：所述扫描振镜的内部镜片以一定速率在20°角的空间范围内自由偏转，从而控制第二激光束以一定速度在大小为500*500mm的方框内任意入射。
4.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：所述电容式位移传感器螺纹套接在第二丝杆上，第二丝杆通过轴承可转动地连接在控制柜下端，通过第二丝杆的转动，实现电容式位移传感器的竖向位置的调节。
5.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：所述电容式位移传感器设置在板材上表面O点处上方20mm处。
6.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：所述激光发射器为Nd：YAG激光发射器，激光发射器的发射激光脉冲波长为1064nm。
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