CN110044280A - 一种侧焦线法激光三角测厚仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测厚领域，并公开了一种侧焦线法激光三角测厚仪及方法，其包括发射单元和接收单元，发射单元包括第一和第二发射组件，两者位于待测对象旁侧的上下方，且关于待测对象的中心平面对称，第一发射组件用于形成光线平面Ⅰ，该光线平面Ⅰ与待测对象的上表面相交形成第一直线光斑，并在待测对象的上表面发生漫反射，第二发射组件用于形成与光线平面Ⅰ共面的光线平面Ⅱ，该光线平面Ⅱ与待测对象下表面相交形成第二直线光斑并在其下表面发生漫反射；接收单元位于待测对象旁侧，其光轴与光线平面Ⅰ垂直，用于接收待测对象上下表面的漫反射光线，并根据接漫反射光线计算获得待测对象的厚度。本发明具有结构简单、测量精确等优点。

Description

一种侧焦线法激光三角测厚仪及方法

技术领域

本发明属于激光测厚领域，更具体地，涉及一种侧焦线法激光三角测厚仪及方法。

背景技术

一般来说，几何尺寸测量技术中的测厚方法可以分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量是通过刻度尺或螺旋测微器等量具或仪器直接接触被测目标而获取厚度、长度等测量信息的测量方法。而非接触式测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测目标表面的情况下获取测量信息。常见的非接触式测量方法有电量法，电解法，磁感应测厚法，金相显微镜法，射线测厚法，超声测厚法，光学测厚法等。其中，光学测厚法常见的有激光反射法，激光透射法，激光干涉法，白光干涉法等。激光三角法属于激光反射法，其具有精度高，结构简单，稳定性好，维护方便，受环境因素影响较小等优点，是近年来在工业生产线应用最为广泛的一种在线测量方式。

常见的激光三角测厚仪的结构为口字型和C字型两种，其中，口字型通常用于大尺寸工件的测量，生产线传送带从口字型架中间通过实现工件厚度的测量；对于小尺寸工件，通常选用C字型结构。然而，对于薄板而言，其在线测厚时一般都伴随着上下振动，并且面积较大的薄板在滚道上传输时由于张力的作用，会出现中间紧绷，边缘翘起的情况，在这种情况下，无论采用何种结构的三角测厚仪，均会存在薄板碰撞或剐蹭测厚仪的问题，这种碰撞和剐蹭不仅对薄板有损害，还对测厚仪有损害。

此外，目前还存在一些激光测厚仪，例如CN201273813Y公开的一种CCD光信反偏无损检测测厚仪，CN1031758A公开的激光测厚仪，CN103363911A公开的一种用激光作为光源的激光测厚仪，上述这些测厚仪均是利用激光发射至待测对象的上下表面实现厚度的测量。然而，上述这些测厚仪均存在以下问题：首先，用于执行测量的部件设于待测对象的上下表面，对于薄板而言仍然存在碰撞和剐蹭的风险；其次，均为激光点测量，存在测量误差大、测量结果不准确的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种侧焦线法激光三角测厚仪及方法，其通过对关键组件发射单元和接收单元的具体布置方式的研究与设计，以解决现有测厚仪结构容易被被测物碰撞和剐蹭的问题，同时通过形成直线光斑以实现线测量，解决现有点测量的测量误差大、测量不准确的问题，具有结构简单、测量精确等优点，尤其适用于薄板的厚度测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种侧焦线法激光三角测厚仪，其包括发射单元和接收单元，其中，所述发射单元包括第一发射组件和第二发射组件，测量时所述第一发射组件和第二发射组件分别位于待测对象旁侧的上方和下方，且两者关于待测对象的中心平面对称，所述第一发射组件用于发射光线并形成光线平面Ⅰ，该光线平面Ⅰ与待测对象的上表面相交形成第一直线光斑，并在待测对象的上表面发生漫反射形成漫反射光线，所述第二发射组件用于发射光线并形成与所述光线平面Ⅰ共面的光线平面Ⅱ，该光线平面Ⅱ与待测对象下表面相交形成第二直线光斑，并在待测对象的下表面发生漫反射形成漫反射光线；测量时所述接收单元位于待测对象的旁侧，其光轴与所述光线平面Ⅰ垂直，其用于接收待测对象上下表面的漫反射光线，并根据接收到的漫反射光线计算获得待测对象的厚度。

作为进一步优选的，所述第一发射组件包括第一激光器和第一柱面透镜，其中所述第一激光器用于发射光线，该光线经所述第一柱面透镜形成光线平面Ⅰ；所述第二发射组件包括第二激光器和第二柱面透镜，其中所述第二激光器用于发射光线，该光线经所述第二柱面透镜形成光线平面Ⅱ。

作为进一步优选的，所述接收单元包括依次设置的两个平面镜、成像透镜组和图像探测器，所述两个平面镜相对所述成像透镜组的光轴上下对称，用于分别接收待测对象上下表面的漫反射光线，并将漫反射光线送入成像透镜组中，最终汇聚在图像探测器上。

按照本发明的另一方面，提供了一种侧焦线法激光三角测厚方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1利用位于待测对象旁侧上方的第一发射组件发射光线并形成光线平面Ⅰ，该光线平面Ⅰ与待测对象的上表面相交形成第一直线光斑，并在待测对象的上表面发生漫反射形成漫反射光线；

S2利用位于待测对象旁侧下方的且与所述第一发射组件关于待测对象的中心平面对称的第二发射组件发射光线并形成光线平面Ⅱ，该光线平面Ⅱ与所述光线平面Ⅰ共面，且与待测对象下表面相交形成第二直线光斑，并在待测对象的下表面发生漫反射形成漫反射光线；

S3利用位于待测对象旁侧的且光轴与所述光线平面Ⅰ垂直的接收单元，接收待测对象上下表面的漫反射光线，并根据接收到的漫反射光线计算获得待测对象的厚度。

作为进一步优选的，所述第一发射组件包括第一激光器和第一柱面透镜，其中所述第一激光器用于发射光线，该光线经所述第一柱面透镜形成所述光线平面Ⅰ；所述第二发射组件包括第二激光器和第二柱面透镜，其中所述第二激光器用于发射光线，该光线经所述第二柱面透镜形成所述光线平面Ⅱ。

作为进一步优选的，所述接收单元包括依次设置的两个平面镜、成像透镜组和图像探测器，所述两个平面镜相对所述成像透镜组的光轴上下对称，用于分别接收待测对象上下表面的漫反射光线，并将漫反射光线送入成像透镜组中，最终汇聚在图像探测器上。

作为进一步优选的，步骤S3中根据接两条直线光斑计算获得待测对象的厚度具体为：

S31分别获得两条直线光斑的重心拟合线，并计算出两重心拟合线之间的距离d；

S32标定两重心拟合线之间的距离和待测对象厚度的关系，以得到参数已知的标定方程；

S33将步骤S31计算获得的距离d带入参数已知的标定方程中得到待测对象的厚度值D。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过对关键组件发射单元和接收单元的具体布置方式的研究与设计，使得测量时测厚仪整体位于待测对象的旁侧，可有效避免待测对象上下振动时与测量装置发生碰撞。

2.本发明通过对发射单元的具体结构的研究与设计，将光线由点焦变成线焦(即由点测量变成线测量)，通过对接收单元的具体结构的研究与设计，以有效接收线焦信息，然后根据线焦信息通过现有的数据处理方法即可获得待测对象的厚度，相比现有的点测量而言，线测量由于涵盖了多个点的信息，使得测量结果更为精确、误差小。

附图说明

图1是本发明实施例提供的侧焦线法激光三角测厚仪的测量示意图；

图2是本发明实施例提供的侧焦线法激光三角测厚仪的俯视图；

图3是由图2的A视角观察的侧焦线法激光三角测厚仪的发射单元的示意图；

图4是由图2的B视角观察的侧焦线法激光三角测厚仪的接收单元的示意图。

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-第一激光器1，2-第二激光器，3-第一柱面透镜，4-第二柱面透镜，5-待测对象，6-第一平面镜，7-第二平面镜，8-成像透镜组，9-图像探测器，10-第一直线光斑，11-第二直线光斑。

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侧焦线法激光三角测厚仪，其包括发射单元和接收单元，其中，发射单元包括第一发射组件和第二发射组件，测量时第一发射组件和第二发射组件分别位于待测对象5旁侧的上方和下方，且两者关于待测对象5的中心平面对称，第一发射组件用于发射光线并形成光线平面Ⅰ，该光线平面Ⅰ与待测对象5的上表面相交形成第一直线光斑10，并在待测对象5的上表面发生漫反射形成漫反射光线，第二发射组件用于发射光线并形成光线平面Ⅱ，该光线平面Ⅱ与光线平面Ⅰ共面，该光线平面Ⅱ与待测对象5下表面相交形成第二直线光斑11，并在待测对象5的下表面发生漫反射形成漫反射光线，通过将第一发射组件和第二发射组件设置成关于待测对象5的中心平面对称，且两者发射共面的光线平面，使得待测对象5上下表面的第一直线光斑10和第二直线光斑11同样关于待测对象5的中心平面对称，以此便于待测对象厚度的准确测量；测量时接收单元位于待测对象5的旁侧，其光轴与光线平面Ⅰ(也即光线平面Ⅱ)垂直，其用于接收待测对象上、下表面上的漫反射光线以获得两条直线光斑，并根据两条直线光斑计算获得待测对象的厚度。

如图1所示，第一发射组件包括第一激光器1和第一柱面透镜3，其中第一激光器1用于发射光线，该光线经第一柱面透镜3形成光线平面Ⅰ，该光线平面Ⅰ与待测对象5的上表面相交形成第一直线光斑10。第二发射组件包括第二激光器2和第二柱面透镜4，第二激光器2用于发射光线，该光线经第二柱面透镜4形成与光线平面Ⅰ共面的光线平面Ⅱ，此平面位于成像透镜组8的物方焦平面内，该光线平面Ⅱ与待测对象5下表面相交形成第二直线光斑11。

具体的，接收单元包括依次设置的两个平面镜(第一平面镜6和第二平面镜7)、成像透镜组8和图像探测器9，第一平面镜6和第二平面镜7相对成像透镜组8的光轴上下对称，用于分别接收待测对象5上下表面上的漫反射光线，并将两漫反射光线送入成像透镜组8中，最终汇聚在图像探测器9上形成两条平行的直线光斑。

图2是本发明实施例提供的侧焦线法激光三角测厚仪的俯视图，如图2所示，第一发射组件和第二发射组件位于待测对象5的旁侧，由于光线平面Ⅰ和光线平面Ⅱ共面，且第一发射组件和第二发射组件关于待测对象5的中心平面对称，第一直线光斑10在光线平面Ⅰ上，第二直线光斑11在光线平面Ⅱ上，因此在俯视图中，光线平面Ⅰ、光线平面Ⅱ、第一直线光斑10和第二直线光斑11在一条直线上，第一直线光斑10和第二直线光斑11与成像透镜组8的光轴垂直，且位于图像探测器的视场中央。如图2所示，接收单元位于待测对象5的旁侧，其光轴与光线平面Ⅰ(也即与光线平面Ⅱ、第一直线光斑10、第二直线光斑11)垂直。

图3是由图2的A视角观察的侧焦线法激光三角测厚仪的发射单元的示意图，从图中可以看出，第一激光器1和第二激光器2分别位于待测对象5的斜上方和斜下方，且关于待测对象5的中心平面对称，第一柱面透镜3位于第一激光器1和待测对象5之间，第二柱面透镜4位于第二激光器2和待测对象5之间，第一柱面透镜3和第二柱面透镜4分别用于将第一激光器1和第二激光器2出射的点焦变成线焦。由于第一激光器1和第二激光器2分别位于待测对象5的斜上方和斜下方，且需发射光并在待测对象5上形成直线光斑，故第一激光器1和第二激光器2的轴心线与待测对象5中心平面的夹角均小于90°。

图4是由图2的B视角观察的侧焦线法激光三角测厚仪的接收单元的示意图，从图中可以看出，第一平面镜6和第二平面镜7位于待测对象和成像透镜组8之间，并相对成像透镜组8的光轴(也即接收单元的光轴)上下对称，图像探测器9位于成像透镜组8的像方焦平面内，用来接收成像透镜组汇聚的光线，待测对象5上下表面的两条直线光斑的漫反射光线分别通过上、下平面玻璃和成像透镜组8的上、下半部分汇聚至图像探测器9的感光平面上，经过图像采集和图像处理后，通过标定方程计算出待测对象的实际厚度。如图4所示，为了使得漫反射光线经第一、第二平面镜优选通过成像透镜组8的上、下半部分汇聚至图像探测器9上，第一、第二平面镜优选设计成与成像透镜组的光路的反方向间的夹角小于90°，为了保证光线的有效探测，图像探测器9的感光平面优选设计成与成像透镜组8的光轴垂直且位于成像透镜组8的像方焦平面内，用来接收成像透镜组汇聚的光线。

本发明还提供了一种侧焦线法激光三角测厚方法，其采用侧焦线法激光三角测厚仪实现，包括如下步骤：

S1利用位于待测对象5旁侧上方的第一发射组件发射光线并形成光线平面Ⅰ，该光线平面Ⅰ与待测对象5的上表面相交形成第一直线光斑10，并在待测对象5的上表面发生漫反射形成漫反射光线，具体的，第一激光器1发射的光线经第一柱面透镜3形成光线平面Ⅰ，测量时，待测对象5放置于第一激光器1和第二激光器2之间，并使两个激光器关于待测对象的中心平面对称；

S2利用位于待测对象5旁侧下方的且与第一发射组件关于待测对象5的中心平面对称的第二发射组件发射光线并形成光线平面Ⅱ，具体的，第二激光器2发射的光线经第二柱面透镜4形成光线平面Ⅱ，该光线平面Ⅱ与光线平面Ⅰ共面，且与待测对象5下表面相交形成第二直线光斑11，并在待测对象5的下表面发生漫反射形成漫反射光线；

S3利用位于待测对象5旁侧的且光轴与光线平面Ⅰ垂直的接收单元，接收待测对象5上下表面的漫反射光线，并根据接收到的漫反射光线计算获得待测对象的厚度。具体的，接收单元包括依次设置的两个平面镜、成像透镜组8和图像探测器9，两个平面镜相对成像透镜组8的光轴上下对称，用于分别接收待测对象5上下表面的漫反射光线，并将漫反射光线送入成像透镜组8中，最终汇聚在图像探测器9上以获得两条直线光斑，经过图像采集和图像处理后，根据标定方程计算出待测对象的实际厚度。

具体的，待测对象的实际厚度采用如下方式获得：

首先，从图像探测器9中提取汇聚的两条直线光斑，使用譬如灰度重心法分别获得两条直线光斑的重心拟合线，并计算出两重心拟合线之间的距离d，即直线光斑为图片格式，其相当于一个矩阵，分别计算矩阵各列的重心，然后根据各重心拟合获得一条重心拟合线，其为现有技术，在此不赘述；

然后，通过现有标定方法标定得到两重心拟合线之间的距离和待测对象厚度的关系，例如：线性成像时，D＝a×d+b，通过标定可以得到参数a和b的值，从而建立标定方程；

最后，在测量时将计算获得的两重心拟合线间的距离值d带入上述参数已知的标定方程中即可得到待测对象厚度值D。

本发明提供的侧焦线法激光三角测厚仪工作时，整套测厚仪位于待测对象的侧面，故当待测对象上下振动时不会与测厚仪发生碰撞，并且由于第一激光器和第二激光器分别通过第一柱面透镜和第二柱面透镜射出的光线是一个面，这个面与待测对象上下表面各有一条焦线，通过图像探测器探测两条焦线即可实现厚度的测量，采用焦线的方式进行厚度测量，可起到平均作用，相比现有的点焦测量方式而言，本发明的测量结果更为准确、误差小。本发明不仅继承了传统的激光三角测量的优点，同时又由于测量时测量装置整体位于待测对象的侧面，克服了普通口字型或C字型测厚仪在线测量时容易被振动的板材碰撞或剐蹭的缺点，具有广泛的应用前景。

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)

1.一种侧焦线法激光三角测厚仪，其特征在于，包括发射单元和接收单元，其中，所述发射单元包括第一发射组件和第二发射组件，测量时所述第一发射组件和第二发射组件分别位于待测对象(5)旁侧的上方和下方，且两者关于待测对象(5)的中心平面对称，所述第一发射组件用于发射光线并形成光线平面Ⅰ，该光线平面Ⅰ与待测对象(5)的上表面相交形成第一直线光斑(10)，并在待测对象(5)的上表面发生漫反射形成漫反射光线，所述第二发射组件用于发射光线并形成与所述光线平面Ⅰ共面的光线平面Ⅱ，该光线平面Ⅱ与待测对象(5)下表面相交形成第二直线光斑(11)，并在待测对象(5)的下表面发生漫反射形成漫反射光线；测量时所述接收单元位于待测对象(5)的旁侧，其光轴与所述光线平面Ⅰ垂直，其用于接收待测对象(5)上下表面的漫反射光线以获得两条直线光斑，并根据两条直线光斑计算获得待测对象的厚度。

2.如权利要求1所述的侧焦线法激光三角测厚仪，其特征在于，所述第一发射组件包括第一激光器(1)和第一柱面透镜(3)，其中所述第一激光器(1)用于发射光线，该光线经所述第一柱面透镜(3)形成光线平面Ⅰ；所述第二发射组件包括第二激光器(2)和第二柱面透镜(4)，其中所述第二激光器(2)用于发射光线，该光线经所述第二柱面透镜(4)形成光线平面Ⅱ。

3.如权利要求1或2所述的侧焦线法激光三角测厚仪，其特征在于，所述接收单元包括依次设置的两个平面镜、成像透镜组(8)和图像探测器(9)，所述两个平面镜相对所述成像透镜组(8)的光轴上下对称，用于分别接收待测对象(5)上下表面的漫反射光线，并将漫反射光线送入成像透镜组(8)中，最终汇聚在图像探测器(9)上。

4.一种侧焦线法激光三角测厚方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1利用位于待测对象(5)旁侧上方的第一发射组件发射光线并形成光线平面Ⅰ，该光线平面Ⅰ与待测对象(5)的上表面相交形成第一直线光斑(10)，并在待测对象(5)的上表面发生漫反射形成漫反射光线；

S2利用位于待测对象(5)旁侧下方的且与所述第一发射组件关于待测对象(5)的中心平面对称的第二发射组件发射光线并形成光线平面Ⅱ，该光线平面Ⅱ与所述光线平面Ⅰ共面，且与待测对象(5)下表面相交形成第二直线光斑(11)，并在待测对象(5)的下表面发生漫反射形成漫反射光线；

S3利用位于待测对象(5)旁侧的且光轴与所述光线平面Ⅰ垂直的接收单元接收待测对象(5)上下表面的漫反射光线以获得两条直线光斑，并根据接两条直线光斑计算获得待测对象的厚度。

5.如权利要求4所述的侧焦线法激光三角测厚方法，其特征在于，所述第一发射组件包括第一激光器(1)和第一柱面透镜(3)，其中所述第一激光器(1)用于发射光线，该光线经所述第一柱面透镜(3)形成所述光线平面Ⅰ；所述第二发射组件包括第二激光器(2)和第二柱面透镜(4)，其中所述第二激光器(2)用于发射光线，该光线经所述第二柱面透镜(4)形成所述光线平面Ⅱ。

6.如权利要求4或5所述的侧焦线法激光三角测厚方法，其特征在于，所述接收单元包括依次设置的两个平面镜、成像透镜组(8)和图像探测器(9)，所述两个平面镜相对所述成像透镜组(8)的光轴上下对称，用于分别接收待测对象(5)上下表面的漫反射光线，并将漫反射光线送入成像透镜组(8)中，最终汇聚在图像探测器(9)上。

7.如权利要求4-6任一项所述的侧焦线法激光三角测厚方法，其特征在于，步骤S3中根据接两条直线光斑计算获得待测对象的厚度具体为：

S31分别获得两条直线光斑的重心拟合线，并计算出两重心拟合线之间的距离d；

S32标定两重心拟合线之间的距离和待测对象厚度的关系，以得到参数已知的标定方程；

S33将步骤S31计算获得的距离d带入参数已知的标定方程中得到待测对象的厚度值D。