CN108981587A - 一种激光测厚系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种激光测厚系统及测量方法，在C型架上下梁的两端分别安装有一个激光位移传感器，在C型架的下梁内侧还安装有一个激光位移传感器；测厚之前通过标准片扫描测量上下两激光位移传感器之间的距离Y、内侧下梁激光位移传感器到上梁的距离X，经过多次测量后确定Y与X的一一对应关系，并进行函数关系拟合；在实际测量薄膜厚度的过程中，在任意扫描位置，C型架上下梁两端的激光位移传感器分别测量上激光位移传感器到薄膜上表面的距离A、下激光位移传感器到薄膜下表面的距离B，C型架下梁内侧的激光位移传感器测量其到上梁的距离X。通过以上步骤相当于在每一个扫描位置动态测量上下两激光位移传感器之间的距离，使得测量结果更加准确。

Description

一种激光测厚系统及测量方法

技术领域

本发明属于薄膜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，带材厚度的均匀性决定最终产品的质量，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，公开号CN1031758A的专利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激光测厚系统及测量方法，其采用C型架结构，在C型架上下梁的两端分别安装有一个激光位移传感器，用于来回扫描测量薄膜厚度，在C型架的下梁内侧还安装有一个激光位移传感器，用于测量该位置上下梁之间的距离，通过三个测量结果计算出带材的厚度。在测厚之前通过标准片逐点测量每个扫描位置的上下两激光头之间的距离Y、内侧下梁激光位移传感器到上梁的距离X，经过多次测量后确定Y与X的一一对应关系，并进行函数关系拟合得到Y与X的关系式，在实际测量薄膜厚度的过程中通过测量X的值来计算Y的值。通过以上步骤相当于在每一个扫描位置动态测量上下两激光位移传感器之间的距离，使得测量结果更加准确。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种激光测厚系统，包括C型架，C型架安装在水平导轨，可自由移动，实现扫描测量，其中：

所述C型架具有上梁和下梁，并且上梁和下梁之间的区域用于放置待测薄膜，所述上梁的下端部分设置有第一激光位移传感器，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一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二激光位移传感器，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二激光位移传感器的发射点的距离；所述下梁的上部内侧区域设置有第三激光位移传感器，用于发射激光束至上梁的下表面，以测量上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离；所述下梁的下部左右两端各设置有一个滑块，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发射的激光光束在同一条直线上且处于竖直方向。

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待测薄膜的上表面，测量待测薄膜上表面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下表面，测量待测薄膜下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上梁下表面，测量上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离；

(2)根据测量获得的待测薄膜上表面到第一激光位移传感器的发射点的距离、待测薄膜下表面到第二激光位移传感器的发射点的距离、上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离以及第一激光位移传感器的发射点到第二激光位移传感器发射点之间的距离与第三激光位移传感器发射点到上梁下表面之间的距离的拟合函数关系计算获得待测薄膜的厚度。

作为进一步优选的，所述拟合函数为Y＝f(X)，其中，Y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发射点之间的距离，X表示第三激光位移传感器发射点到上梁下表面之间的距离，f为Y与X之间的函数关系，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一激光位移传感器和第二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，第一激光位移传感器测量其发射点到标准片上表面的距离Y₁，第二激光位移传感器测量其发射点到标准片下表面的距离Y₂，第三激光位移传感器测量其发射点到上梁下表面的距离X，则第一激光位移传感器的发射点到第二激光位移传感器发射点之间的距离为：

Y＝Y₁+Y₂+m

其中，m表示标准片的厚度。由此可以得到一系列一一对应的X和Y的值，由此可以拟合出X与Y的函数关系Y＝f(X)，由于C型架下梁固定在滑块上，上梁处于悬臂梁状态，悬臂梁在受力变形时，梁上各点在竖直方向上的位移是单调变化的，即受力越大，变形越大，因此X与Y的值是一一对应的。

作为进一步优选的，所述标准片的厚度优选为5mm。

作为进一步优选的，所述拟合方法采用多项式拟合。

作为进一步优选的，所述测量X与Y的过程可以通过多次扫描得到更多的X与Y的值，提高拟合精度。

作为进一步优选的，所述待测薄膜的厚度通过下式计算得到：

H＝f(C)-A-B

其中，H为待测薄膜的厚度，A为实际测量过程中待测薄膜上表面到第一激光位移传感器的发射点的距离、B为待测薄膜下表面到第二激光位移传感器的发射点的距离、C为上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离

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，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，通过在实际测量之前得到C型架端部上下梁之间的距离和C型架内侧上下梁之间距离的拟合函数，在实际测量中由该拟合函数和第三个激光位移传感器测得的距离值计算出上下两个激光位移传感器的距离，并用于薄膜厚度的计算。该方法能够有效地补偿由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激光测厚系统的控制原理示意图；

图3是测量所述函数拟合所需数据时的结构示意图。

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-C形架、2-第一激光位移传感器、3-第二激光位移传感器、4-第三激光位移传感器、5-导轨、6、7-滑块、8-待测薄膜、9-标准片、10-激光控制器、11-驱动电机、12-运动控制卡、13-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激光测厚系统，其装置主体为C型架1，C型架1安装在水平布置的导轨5上。C型架1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8，上梁的下端部分设置有第一激光位移传感器2，用于发射激光束至待测薄膜8的上表面，以测量待测薄膜上表面到第一激光位移传感器的发射点的距离；下梁的上端部设置有第二激光位移传感器3，用于发射激光束至待测薄膜8的下表面，以测量待测薄膜下表面到第二激光位移传感器的发射点的距离；下梁的上部内侧区域设置有第三激光位移传感器4，用于发射激光束至上梁的下表面，以测量上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离；下梁的下部左右两端各设置有滑块6、7，滑块6、7与导轨5滑动配合，并在驱动源的作用下沿导轨5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2、第二激光位移传感器3发射的激光光束在同一条直线上且处于竖直方向。

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10、运动控制卡12和中央处理单元13，其中，激光控制器10同时与第一激光位移传感器2、第二激光位移传感器3和第三激光位移传感器4以及中央处理单元13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13；运动控制卡12同时与驱动源和中央处理单元13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13基于来自第一激光位移传感器2、第二激光位移传感器3和第三激光位移传感器4的距离数据以及来自运动控制卡12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11，驱动电机11经由传动机构带动滑块6、7在轨道5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2、第二激光位移传感器3、第三激光位移传感器4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。

下面对采用本发明激光测厚系统进行厚度测量的具体过程进行说明。

在测量之前，需要得到第一激光位移传感器2的发射点到第二激光位移传感器3的发射点之间的距离与第三激光位移传感器4的发射点到C型架上梁下表面之间的距离的拟合函数关系，方法如下：上述测厚系统还未放入待测带材时，如图3所示，将标准片9安装在C形架1的上下梁之间，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9正好位于第一激光位移传感器2和第二激光位移传感器3两者的连线上；接着，启动驱动电机11带动滑块6、滑块7运动，相应使得标准片9以及第一激光位移传感器2、第二激光位移传感器3、第三激光位移传感器4做左右扫描运动；在此运动过程中，第一激光位移传感器2测量其发射点到标准片上表面的距离Y₁，第二激光位移传感器3测量其发射点到标准片下表面的距离Y₂，第三激光位移传感器4测量其发射点到上梁下表面的距离X，则第一激光位移传感器2的发射点到第二激光位移传感器3发射点之间的距离为：

Y＝Y₁+Y₂+m

其中，m表示标准片的厚度，本实例优选为5mm。由此可以得到一系列一一对应的X和Y的值，由此可以拟合出X与Y的函数关系Y＝f(X)，拟合方法优选为多项式拟合。进一步优选的，本实施例通过多次扫描得到更多的X与Y的值，提高拟合精度。

然后可以进行薄膜的厚度扫描和实时计算，实际测量时，C形架1的空隙中有薄膜通过，薄膜由自身机械设备张紧并通过C形架1的缺口区域，启动驱动电机11带动滑块6、滑块7运动，相应使得第一激光位移传感器2、第二激光位移传感器3、第三激光位移传感器4以相同速度做左右来回运动；在此运动过程中，第一激光位移传感器2测得其发射点到被测薄膜8上表面的距离A，第二激光位移传感器3测得其发射点到被测薄膜下表面的距离B，第三激光位移传感器4测得其发射点到上梁下表面的距离C。则此时薄膜厚度H的计算公式为：

H＝f(C)-A-B

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，通过在实际测量之前得到C型架端部上下梁之间的距离和C型架内侧上下梁之间距离的拟合函数，在实际测量中由该拟合函数和第三个激光位移传感器测得的距离值计算出上下两个激光位移传感器的距离，并用于薄膜厚度的计算。该方法能够有效地补偿由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。

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 (10)

1.一种激光测厚系统，包括C型架，C型架安装在水平导轨上，可自由移动，实现扫描测量，其特征在于：

所述C型架具有上梁和下梁，并且上梁和下梁之间的区域用于放置待测薄膜，所述上梁的下端部分设置有第一激光位移传感器，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一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二激光位移传感器，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二激光位移传感器的发射点的距离；所述下梁的上部内侧区域设置有第三激光位移传感器，用于发射激光束至上梁的下表面，以测量上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离；所述下梁的下部左右两端各设置有一个滑块，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。

2.根据权利要求1所述的激光测厚系统，其特征在于：所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器发射的激光光束在同一条直线上且处于竖直方向。

3.根据权利要求1或2所述的激光测厚系统，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、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。

4.根据权利要求1或2所述的激光测厚系统，其特征在于：所述驱动源为驱动电机，所述待测薄膜为带材，带材的厚度为微米量级的锂电池极片或者金属箔材。

5.一种激光测厚方法，其特征在于：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待测薄膜的上表面，测量待测薄膜上表面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下表面，测量待测薄膜下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上梁下表面，测量上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离；

(2)根据测量获得的待测薄膜上表面到第一激光位移传感器的发射点的距离、待测薄膜下表面到第二激光位移传感器的发射点的距离、上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离以及第一激光位移传感器的发射点到第二激光位移传感器发射点之间的距离与第三激光位移传感器发射点到上梁下表面之间的距离的拟合函数关系计算获得待测薄膜的厚度。

6.根据权利要求5所述的激光测厚方法，其特征在于：所述拟合函数为Y＝f(X)，其中，Y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发射点之间的距离，X表示第三激光位移传感器发射点到上梁下表面之间的距离，f为Y与X之间的函数关系。

7.根据权利要求6或所述的激光测厚方法，其特征在于：所述拟合函数采用如下步骤获得：

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一激光位移传感器和第二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，第一激光位移传感器测量其发射点到标准片上表面的距离Y₁，第二激光位移传感器测量其发射点到标准片下表面的距离Y₂，第三激光位移传感器测量其发射点到上梁下表面的距离X，则第一激光位移传感器的发射点到第二激光位移传感器发射点之间的距离为：

Y＝Y₁+Y₂+m

其中，m表示标准片的厚度；由此得到一系列一一对应的X和Y的值，拟合出X与Y的函数关系Y＝f(X)，由于C型架下梁固定在滑块上，上梁处于悬臂梁状态，悬臂梁在受力变形时，梁上各点在竖直方向上的位移是单调变化的，即受力越大，变形越大，因此X与Y的值是一一对应的。

8.根据权利要求7或所述的激光测厚方法，其特征在于：所述标准片的厚度优选为5mm。

9.根据权利要求6－8中任何一项权利要求所述的激光测厚方法，其特征在于：所述测量X与Y的过程通过多次扫描得到更多的X与Y的值，提高拟合精度。

10.根据权利要求6－8中任何一项权利要求所述的激光测厚方法，其特征在于：所述待测薄膜的厚度通过下式计算得到：

H＝f(C)-A-B

其中，H为待测薄膜的厚度，A为实际测量过程中待测薄膜上表面到第一激光位移传感器的发射点的距离、B为待测薄膜下表面到第二激光位移传感器的发射点的距离、C为上梁下表面到第三激光位移传感器的发射点的距离。