CN106152952A - 一种可多点修正的差动式在线激光测厚系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于带材非接触在线测厚相关领域，并公开了一种可多点修正的差动式在线激光测厚系统，该系统包括整体呈矩形框架的结构件、以及配套的激光控制器、运动控制卡和中央处理单元，其中整体呈矩形框架的结构件上分布安装有两个激光位移传感器，这两个激光位移传感器沿着同一垂直轴线相对设置且保持同步横向移动，由此实现来回扫描测量厚度。本发明还公开了相应的测量方法，其中在测厚之前可通过标准片逐点标定每个扫描位置的上下两激光头之间的距离值，在执行扫描测厚时通过每个位置的距离值计算该位置测得的待测带材的厚度值。通过本发明，能够在提供更好的结构稳定性和抗震性的同时，还可以为整个扫描测厚过程中的每个测量位置提供偏差校正。

Description

一种可多点修正的差动式在线激光测厚系统及其测量方法

技术领域

本发明属于带材非接触在线测厚相关领域，更具体地，涉及一种可多点修正的差动式在线激光测厚系统及其测量方法。

背景技术

在锂电池极片涂布、金属箔材生产线等工业生产中，带材厚度的稳定与否决定着最终产品的质量，因此需要大量用到在线测厚装置。对于锂电池涂布极片、金属箔材这类非透明薄膜的厚度测量而言,目前使用最多的是射线测厚和激光测厚，其中射线测厚虽然精度很高，但由于存在射线辐射，有安全问题，且设备昂贵，故障率高，对环境敏感，因此不是理想的选择；激光高频高分辨的特性使其在在线薄膜厚度测量领域具有巨大优势，因此得到了广泛的应用。

目前最主流的在线测厚方式是上下差动式激光三角测量法，即用上下激光头分别测量上下激光头到薄膜上下表面的距离，用上下激光头之间的距离减去该距离即得到所测薄膜的厚度，这其中上下两激光头之间的距离的稳定性对测量结果的准确性有重要影响。针对上述激光测量方式，现有技术中已经提出了一些相关设备及工艺。例如，CN1031758A中公开了一种激光测厚仪，并详细介绍了上下差动式激光三角测量法的基本原理；又如，CN103063151B、CN102175165A和CN102519372A等都公开了一种基于C形架的激光测量装置。

然而，进一步的研究表明，上述现有设备中的激光测厚装置通常基于C形架扫描式测厚设计的测厚形式，这种C形架虽然获得了广泛应用，但在实际测量过程中，由于机械振动、环境温度等的影响，可能会出现轻微的变形，并使得上下激光头之间的距离不稳定，导致对于微米级的厚度测量会造成较大偏差，因此需要经常校准C形架两激光头之间的距离以修正偏差。此外，在C形架扫描测厚的过程中，各个不同区域对C形架的影响程度不一样，因此造成的偏差也会有大有小，如果校准时只设定一个固定的厚度偏差修正值，事实上往往并不能完全满足扫描过程中所有位置的厚度偏差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可多点修正的差动式在线激光测厚系统及其测量方法，其中通过结合锂电池极片或金属箔材之类产品在线测厚及输送的工艺特点，对测厚系统的整体构架形式/关键组件的结构和设置方式、以及测量关键工序等多个方面重新作出针对性设计，相应能够在提供更好的结构稳定性和抗震性的同时，还可以为整个扫描测厚过程中的每个测量位置提供偏差校正，由此与现有技术相比可进一步提高测量精度和操作效率，因而尤其适用于微米级及以下的高精度激光测厚应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可多点修正的差动式在线激光测厚系统，其特征在于，该系统包括整体呈矩形框架的结构件、以及配套的激光控制器、运动控制卡和中央处理单元，其中：

所述整体呈矩形框架的结构件由横向设置且彼此平行的上直线导轨、下直线导轨，以及纵向设置且彼此平行的左传动轴和右传动轴共同组成；平行于所述上直线导轨、下直线导轨各自设置有上时规皮带、下时规皮带，并通过配套的驱动电机实现所述传动轴和所述时规皮带的同步传动，作为待测对象的带材则保持表面水平地横向输送穿过该结构件；此外，所述上时规皮带的下侧采用上滑块安装有上激光位移传感器，所述下时规皮带的上侧采用下滑块安装有下激光位移传感器，这两个激光位移传感器沿着同一垂直轴线相对设置且保持同步横向移动，并分别用于将激光束发射至带材的上表面和下表面，同时将漫反射回的激光通过透镜聚焦后成像，由此基于成像位置来获得各激光头至带材表面之间的距离；

所述激光控制器同时与所述上激光位移传感器、所述下激光位移传感器和所述中央处理单元信号相连，并用于将各个激光位移传感器所测得的距离数据实时传输给该中央处理单元；

所述运动控制卡同时与所述驱动电机和所述中央处理单元信号相连，并用于从此驱动电机上获取反映带材在整个横向输送过程中每个测量位置的坐标值；

所述中央处理单元基于来自所述上激光位移传感器、下激光位移传感器的距离数据、以及来自所述运动控制卡的坐标值，相应计算输出带材的厚度结果。

作为进一步优选地，所述上激光位移传感器、所述下激光位移传感器优选采用激光三角位移法执行距离数据的感测。

作为进一步优选地，所述带材优选为锂电池极片或者金属箔材,并且其厚度为微米量级。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

(a)激光位移传感器的间距标定操作

(a1)当上述测厚系统未放入待测带料的情况下，首先在所述左传动轴上沿着横向安装其右端固定有上标准片的上齿条，并使得该上标准片正好位于所述上激光位移传感器和下激光位移传感器两者的垂直线上；接着，启动所述驱动电机带动所述上齿条以及上时规皮带、下时规皮带同步运动，相应使得所述上标准片以及上激光位移传感器、下激光位移传感器以相同速度向右运动；在此运动过程中，两个所述激光位移传感器感测其与所述上标准片各表面之间的距离数据，并基于这些距离数据来对两个所述激光位移传感器之间的真实间距执行计算和标定处理；

(a2)而当上述测厚系统已经放有待测带料的情况下，首先将待测的带料保持表面水平地放在所述左传动轴上，然后在所述左传动轴上位于所述上齿条的下侧，继续沿着横向安装其右端固定有下标准片的下齿条，并使得该下标准片同样正好位于所述上激光位移传感器和下激光位移传感器两者的垂直线上；接着，启动所述驱动电机带动所述上齿条、下齿条以及上时规皮带、下时规皮带同步运动，相应使得所述上标准片、下标准片以及上激光位移传感器、下激光位移传感器以相同速度向右运动；在此运动过程中，两个所述激光位移传感器分别感测其与所述上标准片的上表面和下标准片的下表面之间的距离数据，并基于这些距离数据来对两个所述激光位移传感器之间的真实间距执行计算和标定处理；

(b)对待测带料的厚度扫描和实时计算

拆除所述上齿条、下齿条、上标准片和下标准片，然后启动所述驱动电机带动所述上时规皮带、下时规皮带同步运动，相应使得所述上激光位移传感器和下激光位移传感器以相同速度向右运动；在此运动过程中，两个所述激光位移传感器感测其与待测带材各表面之间的距离数据，所述运动控制卡获取反映带材在整个横向输送过程中每个测量位置的坐标值，所述中央处理单元则分别获取这些距离数据和坐标值，并相应计算得出待测带料的厚度结果。

作为进一步优选地，在上述(a1)步骤中，优选采用以下公式来计算两个所述激光位移传感器之间的真实间距H(i)：

H(i)＝X1(i)+X2(i)+m

其中，X1(i)表示所述上激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述上标准片的上表面之间的距离，X2(i)表示所述下激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述上标准片的下表面之间的距离，m表示所述上标准片自身的厚度。

作为进一步优选地，在上述(a2)步骤中，优选采用以下公式来计算两个所述激光位移传感器之间的真实间距H(i)：

H(i)＝Y1(i)+Y2(i)+n

其中，Y1(i)表示所述上激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述上标准片的上表面之间的距离，Y2(i)表示所述下激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述下标准片的下表面之间的距离，n表示所述上标准片的上表面到所述下标准片的下表面之间的距离。

作为进一步优选地，在上述(b)步骤中，优选采用以下公式来计算待测带料的厚度h(i)：

h(i)＝H(i)-Z1(i)+Z2(i)

其中，H(i)表示在步骤(a)中所计算获得的两个所述激光位移传感器之间的真实间距；Z1(i)表示在此步骤(b)中，所述上激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述上标准片的上表面之间的距离；Z2(i)表示在此步骤(b)中，所述下激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述下标准片的下表面之间的距离。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过对测厚系统的整体构架形式/关键组件的结构和设置方式重新进行设计，与现有设备相比可提供更好的结构稳定性和抗震性，并可显著提高测量精度和操作便利性；此外，通过对关键工艺的研究设计，还可以为整个扫描测厚过程中的每个测量位置提供偏差校正，由此与现有工艺相比可进一步提高测量精度和操作效率，因而尤其适用于微米级及以下的高精度激光测厚应用场合。

附图说明

图1是按照本发明所构建的在线激光测厚系统的整体结构示意图；

图2是用于示范性说明本发明的在线激光测厚系统的控制原理示意图；

图3a是当未置入待测对象时、对上下两激光头之间距离执行校正的结构示意图；

图3b是当置入待测对象后、对上下两激光头之间距离执行校正的结构示意图；

图3c是完成校正后对待测对象执行在线激光测厚的结构示意图；

图4是按照本发明所构建的在线激光测厚方法的工艺流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电动机、2-上时规皮带、3-下时规皮带、4-上直线导轨、5-下直线导轨、6-上滑块、7-下滑块、8-上激光位移传感器、9-下激光位移传感器、10-传动轴、11-齿轮、12-上齿条、13-下齿条、14-待测对象、15-上标准片、16-下标准片、17-激光控制器、18-运动控制卡、19-中央处理单元

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的在线激光测厚系统的整体结构示意图,图2是用于示范性说明本发明的在线激光测厚系统的控制原理示意图。如图1和图2中所示，该在线激光测厚系统主要包括整体呈矩形框架的结构件、以及配套的激光控制器17、运动控制卡18和中央处理单元19等功能部件，下面将对这些关键部件逐一进行具体解释说明。

所述结构件在本发明中专门被设计为整体呈矩形框架，并且具体如图所示，是由横向设置且彼此平行的上直线导轨4、下直线导轨5，以及纵向设置且彼此平行的左传动轴10和右传动轴20共同组成；平行于所述上直线导轨、下直线导轨各自设置有上时规皮带2、下时规皮带3，然后通过配套的驱动电机1实现所述传动轴和所述时规皮带的同步传动，同时带动作为待测对象的带材保持表面水平地横向输送穿过该结构件；此外，所述上时规皮带的下侧譬如可采用上滑块6安装有上激光位移传感器8，所述下时规皮带的上侧譬如可采用下滑块7安装有下激光位移传感器9，这两个激光位移传感器沿着同一垂直轴线相对设置且保持同步横向移动，并分别用于将激光束发射至带材的上表面和下表面，同时将漫反射回的激光通过透镜聚焦后成像，由此基于成像位置来获得各激光头至带材表面之间的距离。

更具体而言，一对可同步移动的激光位移传感器，在同一垂直轴线上相对设置，分别固定在上滑块6和下滑块7上。这两个滑块分别连接在时规皮带2和3上，并能由时规皮带带动着在上直线导轨4和下直线导轨5上水平滑动。作为本领域所熟知的，激光位移传感器优选可采用激光三角位移法测量距离，其原理是通过发射激光束至待测物体表面，激光束在物体表面产生漫反射，漫反射回来的激光通过透镜聚焦后在CCD上成像，不同距离的待测物反射回来的激光的通过透镜的角度不同，在CCD上的成像位置不同，因此根据成像位置得到激光头至待测表面的距离。

此外，齿轮11固定在左传动轴10上，上齿条12和下齿条13与齿轮11啮合并平行地设置在被测带材的两侧，可在驱动电机1通过左传动轴10的驱动作用下水平运动，上标准片15与下标准片16分别固定在上齿条12和下齿条13的末端(图中显示为右端)。

如图2中所示，激光控制器17同时与上激光位移传感器8、下激光位移传感器9和中央处理单元19信号相连，并用于将各个激光位移传感器所测得的距离数据实时传输给该中央处理单元19；运动控制卡18同时与驱动电机1和中央处理单元19信号相连，并用于譬如从此驱动电机上获取反映带材在整个横向输送过程中每个测量位置的坐标值。

此外，譬如为计算机的中央处理单元19用于基于来自所述上激光位移传感器、下激光位移传感器的距离数据、以及来自所述运动控制卡的坐标值，相应计算输出带材的厚度结果。

下面将参照图3a、3b和3c更为具体地说明按照本发明的测量操作过程。

首先，如图3a所示，在所测带材还未放入待测区域的情况下，可以首先将上齿条12和上标准片15安装在上述矩形框架上，使得上标准片15正好位于上激光位移传感器8和下激光位移传感器9的垂直线上(下齿条13不安装)这样激光位移传感器能分别测量其到标准片15的上、下表面的距离。开始测量时，两个激光位移传感器以及上标准片15譬如都位于导轨的最左边位置，启动驱动电机1，带动上齿条12、上时规皮带2和下时规皮带3运动，使得上标准片15、两个激光位移传感器以相同速度同步向右运动。运动过程中，中央处理单元19可通过运动控制卡18记录每一个位置的坐标值i，两个激光位移传感器则分别测量在每个测量位置时其与标准片15上/下表面的距离值X1(i)和X2(i)，并将x1(i)和x2(i)通过激光控制器17传输给中央处理单元19。

按照本发明的一个优选实施例，设上标准片15的厚度为m，则中央处理单元19计算从左至右每个位置的两激光头距离为H(i)＝X1(i)+X2(i)+m。本实施例中，m譬如优选为1mm，然后可根据该计算结果来执行两个激光位移传感器之间距离的标定操作，进而确保后续正式测量过程中的精确度。

其次，如图3b所示，在所测带材已放入待测区域时，将上齿条12、下齿条13、上标准片15和下标准片16都安装在矩形框架上，使得上标准片15和下标准片16正好位于上激光位移传感器8和下激光位移传感器9的垂直线上，这样两个激光位移传感器分布测量其到上标准片15的上表面、以及其到下标准片16的下表面的距离。开始测量时，两个激光位移传感器以及两个标准片譬如都位于导轨的最左边位置，启动驱动电机1，带动上齿条12、下齿条13、上时规皮带2和下时规皮带3运动，使得上标准片15、下标准片16、上激光位移传感器8和下激光位移传感器9以相同速度同步向右运动。运动过程中，中央处理单元19可通过运动控制卡18记录每一个位置的坐标值i，分别测量在每个测量位置时上激光位移传感器到上标准片15的上表面的距离Y1(i)、以及下激光位移传感器9到下标准片16的下表面的距离Y2(i)，并将Y1(i)和Y2(i)通过激光控制器17传输给中央处理单元19。

此外，按照本发明的一个优选实施例，设上标准片15上表面到下标准片16下表面的距离为n，则中央处理单元19优选可计算从左至右每个位置的两激光头距离为H(i)＝Y1(i)+Y2(i)+n。本实施例中，n譬如优选为5mm，然后可根据该计算结果来执行两个激光位移传感器之间距离的标定操作，进而确保后续正式测量过程中的精确度。

最后，是待测物厚度扫描和实时计算操作步骤。如图3c所示，此时不安装上齿条12、下齿条13、上标准片15和下标准片16。启动驱动电机1，上激光位移传感器8和下激光位移传感器9以相同速度同步运动(在到达左右极限位置时电机可反向转动，相应使得两个激光位移传感器反向运动)。运动过程中，中央处理单元19可通过运动控制卡18读取每一个位置的坐标值i，分别测量在每个位置时上激光位移传感器8到待测带材的上表面的距离Z1(i)和下激光位移传感器9到待测带材的下表面的距离Z2(i)，并将Z1(i)和Z2(i)通过激光控制器17传输给中央处理单元19。

按照本发明的另一优选实施例，此时中央处理单元19可计算每个位置处的带材厚度为h(i)＝H(i)-Z1(i)+Z2(i)。此外，该步骤进行较长时间后，如果需要重新标定两激光头距离，则可以转入以上两种标定操作步骤。

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 (7)

1.一种可多点修正的差动式在线激光测厚系统，其特征在于，该系统包括整体呈矩形框架的结构件、以及配套的激光控制器(17)、运动控制卡(18)和中央处理单元(19)，其中：

所述整体呈矩形框架的结构件由横向设置且彼此平行的上直线导轨(4)、下直线导轨(5)，以及纵向设置且彼此平行的左传动轴(10)和右传动轴(20)共同组成；平行于所述上直线导轨、下直线导轨各自设置有上时规皮带(2)、下时规皮带(3)，并通过配套的驱动电机(1)实现所述传动轴和所述时规皮带的同步传动，作为待测对象的带材则保持表面水平地横向输送穿过该结构件；此外，所述上时规皮带的下侧采用上滑块(6)安装有上激光位移传感器(8)，所述下时规皮带的上侧采用下滑块(7)安装有下激光位移传感器(9)，这两个激光位移传感器沿着同一垂直轴线相对设置且保持同步横向移动，并分别用于将激光束发射至带材的上表面和下表面，同时将漫反射回的激光通过透镜聚焦后成像，由此基于成像位置来获得各激光头至带材表面之间的距离；

所述激光控制器(17)同时与所述上激光位移传感器(8)、所述下激光位移传感器(9)和所述中央处理单元(19)信号相连，并用于将各个激光位移传感器所测得的距离数据实时传输给该中央处理单元(19)；

所述运动控制卡(18)同时与所述驱动电机(1)和所述中央处理单元(19)信号相连，并用于从此驱动电机上获取反映带材在整个横向输送过程中每个测量位置的坐标值；

所述中央处理单元(19)基于来自所述上激光位移传感器、下激光位移传感器的距离数据、以及来自所述运动控制卡的坐标值，相应计算输出带材的厚度结果。

2.如权利要求1所述的可多点修正的差动式在线激光测厚系统，其特征在于，所述上激光位移传感器(8)、所述下激光位移传感器(9)优选采用激光三角位移法执行距离数据的感测。

3.如权利要求1或2所述的可多点修正的差动式在线激光测厚系统，其特征在于，所述带材优选为锂电池极片或者金属箔材,并且其厚度为微米量级。

4.一种采用如权利要求1-3任意一项所述的系统对带料执行在线激光测厚的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)激光位移传感器的间距标定操作

(a1)当上述测厚系统未放入待测带料的情况下，首先在所述左传动轴(10)上沿着横向安装其右端固定有上标准片(15)的上齿条(12)，并使得该上标准片(15)正好位于所述上激光位移传感器(8)和下激光位移传感器(9)两者的垂直线上；接着，启动所述驱动电机(1)带动所述上齿条(12)以及上时规皮带(2)、下时规皮带(3)同步运动，相应使得所述上标准片(15)以及上激光位移传感器(8)、下激光位移传感器(9)以相同速度向右运动；在此运动过程中，两个所述激光位移传感器感测其与所述上标准片(15)各表面之间的距离数据，并基于这些距离数据来对两个所述激光位移传感器之间的真实间距执行计算和标定处理；

(a2)而当上述测厚系统已经放有待测带料的情况下，首先将待测的带料保持表面水平地放在所述左传动轴(10)上，然后在所述左传动轴(10)上位于所述上齿条的下侧，继续沿着横向安装其右端固定有下标准片(16)的下齿条(13)，并使得该下标准片(16)同样正好位于所述上激光位移传感器(8)和下激光位移传感器(9)两者的垂直线上；接着，启动所述驱动电机(1)带动所述上齿条(12)、下齿条(13)以及上时规皮带(2)、下时规皮带(3)同步运动，相应使得所述上标准片(15)、下标准片(16)以及上激光位移传感器(8)、下激光位移传感器(9)以相同速度向右运动；在此运动过程中，两个所述激光位移传感器分别感测其与所述上标准片(15)上表面和下标准片(16)下表面之间的距离数据，并基于这些距离数据来对两个所述激光位移传感器之间的真实间距执行计算和标定处理；

(b)对待测带料的厚度扫描和实时计算

拆除所述上齿条、下齿条、上标准片和下标准片，然后启动所述驱动电机(1)带动所述上时规皮带(2)、下时规皮带(3)同步运动，相应使得所述上激光位移传感器(8)和下激光位移传感器(9)以相同速度向右运动；在此运动过程中，两个所述激光位移传感器感测其与待测带材各表面之间的距离数据，所述运动控制卡(18)获取反映带材在整个横向输送过程中每个测量位置的坐标值，所述中央处理单元(19)则分别获取这些距离数据和坐标值，并相应计算得出待测带料的厚度结果。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在上述(a1)步骤中，优选采用以下公式来计算两个所述激光位移传感器之间的真实间距H(i)：

H(i)＝X1(i)+X2(i)+m

其中，X1(i)表示所述上激光位移传感器(8)在每个测量位置所感测到的与所述上标准片的上表面之间的距离，X2(i)表示所述下激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述上标准片的下表面之间的距离，m表示所述上标准片自身的厚度。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在上述(a2)步骤中，优选采用以下公式来计算两个所述激光位移传感器之间的真实间距H(i)：

H(i)＝Y1(i)+Y2(i)+n

其中，Y1(i)表示所述上激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述上标准片的上表面之间的距离，Y2(i)表示所述下激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述下标准片的下表面之间的距离，n表示所述上标准片的上表面到所述下标准片的下表面之间的距离。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在上述(b)步骤中，优选采用以下公式来计算待测带料的厚度h(i)：

h(i)＝H(i)-Z1(i)+Z2(i)

其中，H(i)表示在步骤(a)中所计算获得的两个所述激光位移传感器之间的真实间距；Z1(i)表示在此步骤(b)中，所述上激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述上标准片的上表面之间的距离；Z2(i)表示在此步骤(b)中，所述下激光位移传感器在每个测量位置所感测到的与所述下标准片的下表面之间的距离。