CN107796317A - 一种薄膜在线激光测厚系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非接触式在线测厚领域，并具体公开了一种薄膜在线激光测厚系统及方法，包括大理石框架和设于大理石框架内部的C形架，大理石框架内顶部及底部设置有钢片和导轨；C形架具有上梁和下梁，上、下梁之间放置待测薄膜，上梁上下端部设置第一、第二激光位移传感器，第一、第二激光位移传感器分别用于测量各自发射点到钢片及待测薄膜上表面的距离，下梁上下端部设置第三激光位移传感器和滑块，第三激光位移传感器用于测量待测薄膜下表面到其发射点的距离，滑块与导轨滑动配合，并可沿导轨做来回水平直线运动。所述方法采用所述测厚系统进行厚度测量。本发明可消除测量偏差，提高测量精度，适用于微米级及以下的高精度激光测厚应用场合。

Description

一种薄膜在线激光测厚系统及方法

技术领域

本发明属于非接触式在线测厚领域，更具体地，涉及一种薄膜在线激光测厚系统及方法。

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，带材厚度的均匀性决定着最终产品的质量，因此带材的在线厚度检测至关重要。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,目前比较常用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存在的问题，现有技术中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。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C形架来回扫描过程中存在较大的机械振动，会造成C形架上下梁的振动甚至出现微小变形，从而使得上下激光头之间的距离不稳定，对于微米级的厚度测量会造成较大偏差。CN106152952A中公开了一种可多点修正的差动式在线激光测厚系统，虽然解决了上下激光头之间的距离不稳定带来的测量偏差，但其两个激光位移传感器分别在不同的轨道上运动，要做到精确同步运动比较困难。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新的薄膜在线激光测厚系统及测量方法，其采用三个激光位移传感器分别测量C形架下梁到带材下表面的距离、C形架上梁到带材上表面的距离、C形架到大理石框架顶部的距离，通过三个测量结果计算出带材的厚度，由此与现有技术相比可以消除C形架扫描运动使得上下梁之间距离不稳定而带来的测量偏差，提高测量精度，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，提出了一种薄膜在线激光测厚系统，其包括大理石框架和设于该大理石框架内部的C形架，其中：

所述大理石框架的内顶部设置有钢片，内底部设置有导轨，该钢片表面抛光并紧贴于大理石框架的内顶部，该导轨沿大理石框架的长度方向设置；

所述C形架具有上梁和下梁，并且上梁和下梁之间的区域用于放置待测薄膜，所述上梁的上、下端部分别设置有第一激光位移传感器和第二激光位移传感器，该第一激光位移传感器用于发射激光束至钢片表面以测量钢片到第一激光位移传感器的发射点的距离，该第二激光位移传感器用于发射激光束至待测薄膜的上表面，以测量待测薄膜上表面到第二激光位移传感器的发射点的距离，所述下梁的上、下端部分别设置有第三激光位移传感器和滑块，该第三激光位移传感器用于发射激光束至待测薄膜的下表面，以测量待测薄膜下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离，该滑块与所述导轨滑动配合，并在驱动源的作用下沿导轨做来回水平直线运动。

作为进一步优选的，所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器和第三激光位移传感器发射的激光光束在同一条直线上。

作为进一步优选的，所述大理石框架的一侧设置有矩形通孔，该矩形通孔的尺寸大于C形架的尺寸，以便于C形架沿导轨来回运动。

作为进一步优选的，所述激光测厚系统还设置有数据处理模块，该数据处理模块包括激光控制器、运动控制卡和中央处理单元，所述激光控制器同时与所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器和第三激光位移传感器以及中央处理单元相连，以用于将各个激光位移传感器测得的距离数据实时传输给中央处理单元；所述运动控制卡同时与所述驱动源和所述中央处理单元相连，以用于从驱动源上获取反映待测薄膜在水平直线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第一激光位移传感器、第二激光位移传感器和第三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，计算待测薄膜的厚度。

作为进一步优选的，所述驱动源优选为驱动电机，所述待测薄膜优选为带材，进一步优选为厚度为微米量级的锂电池极片或者金属箔材。

按照本发明的另一方面，提供了一种薄膜在线激光测厚方法，其包括如下步骤：

(1)C形架在驱动源的作用下沿导轨来回运动，每运动至一个位置，第一激光位移传感器发射激光束至钢片表面，测量钢片到第一激光位移传感器的发射点的距离，第二激光位移传感器发射激光束至待测薄膜的上表面，测量待测薄膜上表面到第二激光位移传感器的发射点的距离，第三激光位移传感器发射激光束至待测薄膜的下表面，测量待测薄膜下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离；

(2)根据测量获得的钢片到第一激光位移传感器的发射点的距离、待测薄膜上表面到第二激光位移传感器的发射点的距离、待测薄膜下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离以及预测参数计算获得待测薄膜的厚度。

作为进一步优选的，所述预测参数具体为大理石框架内框的上下间距H(i)，其具体采用如下方式获得：

首先，将标准片安装在C形架的上、下梁之间，使得该标准片正好位于所述第二激光位移传感器和第三激光位移传感器两者的连线上；接着，启动驱动源带动滑块运动，进而带动标准片以及第一激光位移传感器、第二激光位移传感器和第三激光位移传感器运动；在运动过程中，在滑块经过的每一个横向位置i，第一激光位移传感器测得其发射点到钢片的距离X₁(i)，第二激光位移传感器测得其发射点到标准片上表面的距离X₂(i)，第三激光位移传感器测得其发射点到标准片下表面的距离X₃(i)，则对于每一个横向位置i均可获得大理石框架内框的上下间距为H(i)：

H(i)＝X₁(i)+X₂(i)+X₃(i)+m+C₁+C₂

其中，m表示标准片的厚度，C₁表示第一激光位移传感器的发射点到第二激光位移传感器的发射点之间的竖直距离，C₂表示第三激光位移传感器的发射点到大理石框架内框底面的竖直距离。

作为进一步优选的，所述标准片的厚度优选为5mm。

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，本发明在原有上下差动式测厚的基础上创新性地加入了第三个激光位移传感器，配合稳定的矩形大理石框架结构能够有效地补偿由C形架扫描运动过程中悬臂梁的振动带来的测量偏差，由此与现有工艺相比可进一步提高测量精度和抗振动能力，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一种薄膜在线激光测厚系统的结构示意图；

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3是进行大理石框架内框上下间距标定时的结构示意图；

图4是大理石框架的结构示意图。

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-大理石框架、2-钢片、3-C形架、4-第一激光位移传感器、5-第二激光位移传感器、6-待测薄膜、7-第三激光位移传感器、8-滑块、9-导轨、10-标准片、11-激光控制器、12-驱动电机、13-运动控制卡、14-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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种薄膜在线激光测厚系统，其包括呈矩形的大理石框架1和设于该大理石框架1内部的C形架3，其中，大理石框架具体为矩形框架，其内顶部(即内框顶部)设置有钢片2，该钢片2表面抛光并紧贴于大理石框架的内顶部，大理石框架的内底部(即内框底部)设置有导轨9，该导轨9沿大理石框架的长度方向设置；C形架3具有开口端和封闭端，其由上梁和下梁组成，该上梁和下梁之间的开口区域(即C形架的开口端)用于放置待测薄膜6，其中，上梁的上端部设置有第一激光位移传感器4，上梁的下端部设置有第二激光位移传感器5，该第一激光位移传感器4用于发射激光束至钢片2的下表面以测量钢片下表面到第一激光位移传感器的发射点的距离，该第二激光位移传感器5用于发射激光束至待测薄膜6的上表面，以测量待测薄膜6上表面到第二激光位移传感器的发射点的距离，所述下梁的上端部设置有第三激光位移传感器7，下梁的下端部设置有滑块8，该第三激光位移传感器7用于发射激光束至待测薄膜6的下表面，以测量待测薄膜6下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离，该滑块8与导轨9滑动配合，并在驱动源的作用下沿导轨做来回水平直线运动。

优选的，第一激光位移传感器4、第二激光位移传感器5和第三激光位移传感器7发射的激光光束在同一条直线上。

进一步的，如图4所示，大理石框架1的一侧(图4右侧)设置有矩形通孔，该矩形通孔的尺寸大于C形架3(具体是C形架的封闭端)的尺寸，以使得C形架3沿导轨来回运动的过程中，其封闭端能够通过该矩形通孔，以此一方面可以便于C形架的运动，另一方面可以减小大理石框架的整体尺寸。

更为具体的，如图2所示，为了便于测量数据的处理，本发明的激光测厚系统还设置有数据处理模块，该数据处理模块包括激光控制器11、运动控制卡13和中央处理单元14，其中，激光控制器11同时与第一激光位移传感器4、第二激光位移传感器5和第三激光位移传感器7以及中央处理单元14相连，以用于将各个激光位移传感器测得的距离数据实时传输给中央处理单元14；运动控制卡13同时与驱动源和中央处理单元14相连，以用于从驱动源上获取反映待测薄膜在水平直线输送过程中每个测量位置的坐标值；中央处理单元14基于来自第一激光位移传感器4、第二激光位移传感器5和第三激光位移传感器7的距离数据以及来自运动控制卡13的坐标值，计算待测薄膜的厚度。其中，驱动源优选为驱动电机12，驱动电机经由传动机构带动滑块在轨道上做来回直线运动，传动机构优选为滚珠丝杆机构。

作为进一步优选地，第一激光位移传感器4、第二激光位移传感器5、第三激光位移传感器7优选采用激光三角位移法执行距离数据的感测。进一步的，待测薄膜优选为带材，进一步优选为锂电池极片或者金属箔材,并且其厚度为微米量级。

下面对采用本发明测厚系统进行厚度测量的具体过程进行说明。

在测量之前，需要进行大理石框架内框上下间距的标定，上述测厚系统还未放入待测带材，如图3所示，将标准片10安装在C形架3上下梁之间，具体通过一个固定板安装固定在C形架下梁端部，使得该标准片10正好位于第二激光位移传感器5和第三激光位移传感器7两者的连线上；接着，启动驱动电机12带动滑块8运动，相应使得标准片10以及第一激光位移传感器4、第二激光位移传感器5、第三激光位移传感器7向右运动；在此运动过程中，在滑块8经过的每一个横向位置i，第一激光位移传感器4测得其发射点到钢片2的距离X₁(i)，第二激光位移传感器5测得其发射点到标准片10的上表面的距离X₂(i)，第三激光位移传感器7测得其发射点到标准片10的下表面的距离X₃(i)，则对于大理石框架的每一个横向位置i，其内框上下间距为H(i)：

H(i)＝X₁(i)+X₂(i)+X₃(i)+m+C₁+C₂

其中，X₁(i)、X₂(i)、X₃(i)分别为上述激光位移传感器的测量距离值，m表示标准片厚度，本实例优选为5mm，C₁、C₂是两个固定的常数值，C₁表示第一激光位移传感器4的出射点到第二激光位移传感器5的出射点之间的竖直距离，C₂表示第三激光位移传感器7的出射点到大理石框架内框底面的竖直距离。

记T(i)＝H(i)-C₁-C₂＝X₁(i)+X₂(i)+X₃(i)+m，扫描一次之后可以得到各个横向位置i的T(i)值。

然后可以进行带材的厚度扫描和实时计算，实际测量时，C形架3的空隙中有带材通过，带材由自身机械设备张紧并通过C形架的缺口区域，启动驱动电机12带动滑块8的运动，相应使得第一激光位移传感器4、第二激光位移传感器5、第三激光位移传感器7以相同速度作左右来回运动；在此运动过程中，在滑块8经过的每一个横向位置i(该位置与标定过程中对应的位置相同)，第一激光位移传感器4测得其发射点到钢片2的距离Y₁(i)，第二激光位移传感器5测得其发射点到被测带材的上表面的距离Y₂(i)，第三激光位移传感器7测得其发射点到被测带材的下表面的距离Y₃(i)。则在扫描到任意横向位置i时，该处带材厚度的计算公式为：

h(i)＝H(i)-C₁-C₂-Y₁(i)-Y₂(i)-Y₃(i)

即：

h(i)＝T(i)-Y₁(i)-Y₂(i)-Y₃(i)

其中，T(i)为标定过程中获得的已知值。

本发明在测厚之前通过标准片逐点标定每个扫描位置的上下框架之间的距离值，在执行扫描测厚时通过每个位置的上下框架之间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，能够为整个扫描测厚过程中的每个测量位置提供偏差校正，得到精确的厚度测量结果，测量精度高。

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 (8)

1.一种薄膜在线激光测厚系统，其特征在于，包括大理石框架(1)和设于该大理石框架(1)内部的C形架(3)，其中：

所述大理石框架(1)的内顶部设置有钢片(2)，内底部设置有导轨(9)，该钢片(2)表面抛光并紧贴于大理石框架的内顶部，该导轨(9)沿大理石框架的长度方向设置；

所述C形架(3)具有上梁和下梁，并且上梁和下梁之间的区域用于放置待测薄膜(6)，所述上梁的上、下端部分别设置有第一激光位移传感器(4)和第二激光位移传感器(5)，该第一激光位移传感器(4)用于发射激光束至钢片(2)表面以测量钢片到第一激光位移传感器的发射点的距离，该第二激光位移传感器(5)用于发射激光束至待测薄膜(6)的上表面，以测量待测薄膜(6)上表面到第二激光位移传感器的发射点的距离，所述下梁的上、下端部分别设置有第三激光位移传感器(7)和滑块(8)，该第三激光位移传感器(7)用于发射激光束至待测薄膜(6)的下表面，以测量待测薄膜(6)下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离，该滑块(8)与所述导轨(9)滑动配合，并在驱动源的作用下沿导轨做来回水平直线运动。

2.如权利要求1所述的薄膜在线激光测厚系统，其特征在于，所述第一激光位移传感器(4)、第二激光位移传感器(5)和第三激光位移传感器(7)发射的激光光束在同一条直线上。

3.如权利要求1或2所述的薄膜在线激光测厚系统，其特征在于，所述大理石框架(1)的一侧设置有矩形通孔，该矩形通孔的尺寸大于C形架(3)的尺寸，以便于C形架(3)沿导轨来回运动。

4.如权利要求1所述的薄膜在线激光测厚系统，其特征在于，所述激光测厚系统还设置有数据处理模块，该数据处理模块包括激光控制器(11)、运动控制卡(13)和中央处理单元(14)，所述激光控制器(11)同时与所述第一激光位移传感器(4)、第二激光位移传感器(5)和第三激光位移传感器(7)以及中央处理单元(14)相连，以用于将各个激光位移传感器测得的距离数据实时传输给中央处理单元(14)；所述运动控制卡(13)同时与所述驱动源和所述中央处理单元(14)相连，以用于从驱动源上获取反映待测薄膜在水平直线输送过程中每个测量位置的坐标值；所述中央处理单元(14)基于来自所述第一激光位移传感器(4)、第二激光位移传感器(5)和第三激光位移传感器(7)的距离数据以及来自所述运动控制卡(13)的坐标值，计算待测薄膜的厚度。

5.如权利要求1-4任一项所述的薄膜在线激光测厚系统，其特征在于，所述驱动源优选为驱动电机，所述待测薄膜优选为带材，进一步优选为厚度为微米量级的锂电池极片或者金属箔材。

6.一种薄膜在线激光测厚方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)C形架(3)在驱动源的作用下沿导轨来回运动，每运动至一个位置，第一激光位移传感器(4)发射激光束至钢片(2)表面，测量钢片到第一激光位移传感器的发射点的距离，第二激光位移传感器(5)发射激光束至待测薄膜(6)的上表面，测量待测薄膜(6)上表面到第二激光位移传感器的发射点的距离，第三激光位移传感器(7)发射激光束至待测薄膜(6)的下表面，测量待测薄膜(6)下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离；

(2)根据测量获得的钢片到第一激光位移传感器的发射点的距离、待测薄膜(6)上表面到第二激光位移传感器的发射点的距离、待测薄膜(6)下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离以及预测参数计算获得待测薄膜(6)的厚度。

7.如权利要求6所述的薄膜在线激光测厚方法，其特征在于，所述预测参数具体为大理石框架内框的上下间距H(i)，其具体采用如下方式获得：

首先，将标准片(10)安装在C形架(3)的上、下梁之间，使得该标准片(10)正好位于所述第二激光位移传感器(5)和第三激光位移传感器(7)两者的连线上；接着，启动驱动源带动滑块(8)运动，进而带动标准片(10)以及第一激光位移传感器(4)、第二激光位移传感器(5)和第三激光位移传感器(7)运动；在运动过程中，在滑块(8)经过的每一个横向位置i，第一激光位移传感器(4)测得其发射点到钢片(2)的距离X₁(i)，第二激光位移传感器(5)测得其发射点到标准片(10)上表面的距离X₂(i)，第三激光位移传感器(7)测得其发射点到标准片(10)下表面的距离X₃(i)，则对于每一个横向位置i均可获得大理石框架内框的上下间距为H(i)：

H(i)＝X₁(i)+X₂(i)+X₃(i)+m+C₁+C₂

其中，m表示标准片的厚度，C₁表示第一激光位移传感器的发射点到第二激光位移传感器的发射点之间的竖直距离，C₂表示第三激光位移传感器的发射点到大理石框架内框底面的竖直距离。

8.如权利要求7所述的薄膜在线激光测厚方法，其特征在于，所述标准片的厚度优选为5mm。