CN113196006B

CN113196006B - 无接触的厚度测量

Info

Publication number: CN113196006B
Application number: CN201980084172.2A
Authority: CN
Inventors: T·莫蒂奥
Original assignee: Metso Automation Oy
Current assignee: Valmet Automation Oy
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2039-10-14
Also published as: WO2020128145A1; US20210278200A1; DE112019006322T5; CN113196006A; FI128443B; US11371832B2; FI20187188A1

Abstract

一种用于测量平面物体(30)的厚度的测量装置，该装置包括位于被测平面物体的相对位置上的第一传感器模块(10，10’)和第二传感器模块(20)。所述传感器模块具有一个光源(12，22，22”)、带有2D图案的参考遮光物(13，23，23”)和成像传感器(14，14’，14”)。一个光源被设置为以一定角度朝向被测物体，并且所述参考遮光物被设置在所述光源与被测物体之间，以使得在被测物体的表面(11，21)上形成阴影，并且所述成像传感器被设置为检测参考遮光物和阴影。计算设备根据两个模块的检测到的遮光物与阴影之间的距离来计算被测物体的表面与传感器模块之间的距离，并且计算所述平面物体的厚度。

Description

无接触的厚度测量

技术领域

本发明涉及一种用于光学测量薄的平面物体的厚度的装置和方法。被测平面物体诸如是纸、生活用纸、板、膜和塑料。

背景技术

诸如纸、生活用纸、板、膜和塑料之类的平面物体的制造通常在连续工艺中完成。存在需要对产品进行测量的多个地方。测量之一是产品的厚度。厚度可以以不同的方式来测量。测量厚度的典型方式是从平面物体的两侧机械地测量从测量装置到平面物体的表面的距离，并从测量装置之间的已知距离中减去该结果。

另一种方法是使用辐射源并且测量穿过物体的辐射，并且通过获知密度来计算厚度。该方法存在许多问题。辐射性源在某些地点可能被禁止使用，并且由于密度的变化所以精度可能不够好。纸产品的密度很少是一成不变的，以至于使用辐射的测量也不精确。

当使用距物体的两侧的距离来测量厚度时，存在若干测量该距离的方式。典型的方式是使用接触被测表面的滑动件(glide)或模座(shoe)，并且测量该滑动件或模座的移动。这种方法具有许多问题，包括被测表面的撕裂和磨损以及污染物在接触元件上的累积。

也可以从物体的两侧无接触地测量该距离。这里给出所发明的不同的基于激光的解决方案。例如，专利文献EP486713描述了一种用于利用附接在幅材两侧的框架上的三角测量传感器来测量未支撑的幅材的测量仪器。这种无接触测量提供了点测量而没有提供关于幅材的倾斜角的信息。这造成了精度的大的不确定性。

其它类似的基于光学器件的解决方案的方法存在以下问题：由振动或温度变化引起的用于引导光的光学器件和检测器的轻微移动；光学器件的非线性；光源的未对准；物体两侧的测量的同步。当需要微米级别的测量精度时，所有这些影响都成为显著的。需要一种能够处理上述问题的精确的无接触的厚度测量。

发明内容

本发明旨在描述用于薄平面物体的改进的无接触厚度测量的装置和方法。这是利用权利要求1所述的装置和权利要求8所述的方法实现的。

本发明具有许多优点。使测量装置内的热膨胀和振动的影响最小化，管理非线性光学器件或未对准光源的影响，并且在物体的两侧具有同步的距离测量。

附图说明

下面仅以示例方式参照附图描述本发明的示例实施例，其中

图1示出了测量原理；

图2示出了测量装置的一个实施例；

图3示出了用于测量的框架；

图4示出了用于测量距离的图像；

图5a、5b、5c和5d示出了示例性遮光物图案；

图6示出了本发明的放大图；

图7a和图7b示出了用于测量距离的图像；

图8示出了测量装置的另一实施例；以及

图9示出了本发明的方法。

具体实施方式

本发明使用两个光学传感器模块来测量距被测物体的距离。本发明基于使用参考遮光物和照明来在平面物体上产生阴影。对参考遮光物和阴影进行成像，并使用参考遮光物和阴影的距离来计算与被测平面的距离。利用在平面物体的另一侧上的附加距离测量结果，当获知光学传感器模块之间的距离时，能够确定物体的厚度。

图1示出了测量的原理。在被测物体30的顶侧上，基本线性的光62被朝向被测物体引导。参考遮光物13被设置为与被测物体平行。光被设置成以角度

通过遮光物。在被测物体上形成阴影s1。可以同时看到遮光物和阴影65。遮光物与阴影之间的垂直距离d’与从顶部看到的遮光物与阴影之间的距离d成比例。该距离能够通过/>

来计算。在被测物体30的相对侧上，靠近被测物体设置的遮光物23被照亮69，从而在被测物体上形成阴影s2。可以同时看到遮光物和阴影66。距离w’与遮光物的宽度w1和阴影的宽度w2的比值成比例。在利用至少一个已知的测量距离校准该比值之后，可以计算针对所有距离的距离w’。知道遮光物之间的距离29可以提供通过从已知距离29中减去测得的距离来计算平面物体的厚度的可能性。

用于平面物体的距离测量的光学传感器模块10包括光源12、参考遮光物13、成像传感器14、可能的光学元件15和计算设备16。该光学传感器模块还可以包括用于将平面物体保持在距该模块恒定距离的装置。在以下段落中详细描述所有这些。

光源12、22、22”可以是LED灯、激光或任何其它产生亮光的方法。光可以被进一步聚焦或成形为利用定向光对参考遮光物进行照明。光源可以是产生宽带宽的光或具有专用带宽的光。光可以是可见光、红外光或紫外光，这取决于所使用的成像传感器。优选具有更短波长的光，因为可以获得更精确的成像。光可以以间隔为5-100ms且持续时间为0.1-100μs的脉冲来产生。利用计算设备16或单独的电子器件来控制脉冲的持续时间和间隔。

参考遮光物13、23、23”可以是线状物、条状物、印刷的或以其它方式处理的膜、具有涂料或氧化物的玻璃、或一些其它形式的光障碍物。遮光物形成遮光图案，该遮光图案也可以被看作被测表面上的阴影。该图案可以是三个或更多个点、线或任何其它二维图案。图5a、5b、5c和5d中示出了遮光物的示例。图5a中的线可以是0.001mm-1mm宽的线。图5b中的点可以是被定位成彼此间隔0.1mm-5mm的直径为0.001mm-1mm的点。2D图案可以是具有至少两个维度的任何形式。参考遮光物可以包括具有不同颜色的图案。二维图案提供了二维阴影，该二维阴影能够实现对被测表面的倾斜的检测。

在实施例中，两个或更多个光源12被安装到模块中以便对同一目标进行照明。这些光源可以被安装为使得在x、y平面中存在针对光的不同角度

或定向。照亮参考遮光物13的两个或更多个光源提供了两个或更多个阴影。不同的光源提供了具有不同波长的照明，并且因此可以通过从由成像传感器捕获的图像选择不同的颜色来区分阴影。例如，可以同时使用蓝色和绿色。附加光源提供了遮光物和阴影的更多组合，从而提供了更精确的测量。不同的光源也可以在不同的定时点亮。这样，光不会彼此干扰。

成像传感器14、14’、14”可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)、N型金属氧化物半导体(NMOS)、半导体电荷耦合装置(CCD)或量子图像传感器(QIS)。成像传感器可以检测可见波长、紫外波长或附加地检测近红外波长。成像传感器将图像转换成与图像相对应的电信号。成像传感器具有1–15兆像素的分辨率，尺寸为17mm²–1000mm²。

在成像传感器与成像目标之间可以存在附加的光学元件15、15’、15”。诸如透镜的光学元件被用于使成像传感器聚焦或为成像传感器提供不同的焦距。诸如滤光器的光学元件也可以被用于光的偏振或滤波。诸如反射镜和棱镜的元件也可以被用于使光转向，使得成像传感器可以面向除直接面向成像目标之外的其它方向。光学元件可以被附接到成像传感器或模块的其它部件。

成像传感器和可能的光学元件提供焦距17、17’、17”，在该焦距处可以捕获到很清晰的图像。聚焦区域61、61’通常为0.5–2.5mm，这取决于所使用的成像传感器和光学元件，并且这通常是遮光物13与被测平面11之间的距离的限制因素。

计算设备16、26是一个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或类似的处理器和存储器，它们具有能够区分遮光物和阴影并从所捕获的图像测量遮光物与阴影之间的距离的软件。计算设备连接到成像传感器。由于遮光物是静态的，所以它可以由软件很好地检测到。遮光物在图像中的位置也非常稳定，并且因此可以将微小的移动预编程到检测算法。可以利用若干方式来完成从图像检测阴影。一种方式是阴影的纯边缘检测。此外，寻找阴影的中心点以便为距离计算提供良好的点。这可以通过检测阴影的边缘并寻找中点来找到。如果边缘不是清晰可见的，则也可以通过应用描述图像的照明的曲线并在阴影区域上观察零导数来找到中点。这样，即使成像传感器的分辨率不是非常高，也可以确定阴影的位置。存在多种已知的用于图像提取的特征检测算法，例如Canny边缘检测器、Sobel滤波器或

检测器。可以使用任何其它适当的特征检测算法。此外，如果使用具有线性图案的遮光物，则可以使用曲线拟合算法来检测可能平滑的阴影。一旦检测到阴影，就能够测量适当遮光物与其阴影之间的距离。遮光物可以被设计成使得毫无疑问地在遮光物与阴影之间存在关联性。

在所有可视区域A中测量遮光物与阴影之间的距离。该方法提供了根据距离差异而失真的全阴影。软件发现这些失真并计算是否存在相对于被测平面的倾斜。如果发现倾斜，则可以推断出其对厚度测量的影响。通过获知角度

或者更优选地通过使用校准数据作为基础，可以纯粹以数学方式进行距离计算。

该软件也可以被编程以测量阴影的长度。该长度也可以被用于计算距离。软件也可以被编程以利用阴影检测缠绕线。这些可能显示出不平坦的表面。计算的距离数据可以被存储在本地易失性或非易失性存储器中。

所需计算设备的位置不受限制。它们可以集成在光学传感器模块10、20内，或者它们可以位于网络连接内的任何其它地方，使得来自成像传感器的电信号可以被处理。计算设备16’、16”可以被分布在传感器支架(carriage)32、33或框架31内。将计算设备移到模块机箱外部的原因可能是由于温度问题或所需的空间。可以存在附加的用户接口35，以用于控制、监测和校准传感器装置。计算设备还包括网络通信接口，诸如以太网接口或工业现场总线接口。该接口可以被用于将测量装置连接到自动化系统。

光学传感器模块10、20还可以包括用于将平面物体保持在距光学传感器模块18、19的有用的恒定距离中的装置。这些装置可以包括来自平面物体两侧的空气喷射。而且，可以使用其它基于气流的解决方案来保持被测物体沿z方向基本稳定。这些装置的目标是将被测表面11、21的距离保持在焦距17的光学聚焦区域内。

用于薄平面物体的测量装置需要相互被布置在物体两侧的距离测量模块。必须知道模块之间的距离。

图2示出了两个光学传感器模块10、20彼此相对地布置在被测平面物体30的两侧上的测量装置。光学传感器模块10具有成像传感器14，该成像传感器14具有为其提供焦距17的光学元件15。焦点覆盖被测物体和靠近该物体设置的遮光物。具有遮光图案的参考遮光物13被设置为，使得成像传感器能够在10mm²–400m²的测量面积A上同时检测遮光图案和被测物体。光源12被设置为处于角度

(其为10°–80°、优选45°)，以提供有效的线性光束，该线性光束照亮遮光物并在被测物体的表面11的顶部上产生阴影。模块20具有成像传感器14’，该成像传感器14’具有为其提供焦距17’的光学元件15’。成像传感器和光学元件被设置在角度/>

上。其中角度/>

在10°–80°之间，优选为45°，并且角度/>

在70°–110°之间。所述角度相对于2D遮光物的平面而限定。这也使成像传感器的聚焦区域61’倾斜，使得它不与被测物体平行。具有遮光图案的参考遮光物23被设置为，使得成像传感器能够检测聚焦区域内的遮光图案。光源22被设置为处于角度/>

使得其以角度/>

朝向成像传感器，以便向遮光物和遮光物后面的被测物体提供光。在可能添加光学器件的情况下，光源必须提供至少为5°的角度/>

的光束。光束的角度取决于光源与遮光物23之间的距离，光束越宽，遮光图案形成的阴影就越大，并且这使得阴影的检测和进一步的测量变得容易。由于成像传感器以一定角度朝向被测物体，所以被测物体整体不在聚焦区域内，而是仅一部分被测物体处于聚焦中。然而，由于光源22和焦距17’基本上成直角/>

所以在被测物体的表面21上的阴影总是很清晰。

测量装置可以是两个光学传感器模块10的组合，其中成像传感器聚焦区域被设置为完全覆盖被测物体。这可以利用两个模块20来完成，其中倾斜的成像传感器聚焦区域被设置为仅覆盖被测物体的一部分。测量装置也可以是这些的组合。每种方法都具有其益处。具有两个全焦(full focus)覆盖模块10的装置提供了针对两侧上的平面距离测量的良好精度。具有其倾斜的聚焦区域仅覆盖被测物体的一部分的模块20的装置提供了沿z方向的更大测量范围。这样，模块之间的距离可以很大，并且被测物体可以在y方向上移动。当测量装置在被测物体的不同侧上具有不同的模块时，将一侧上的精确平面测量与另一侧上的大范围进行组合。以这种方式，模块可以在具有良好精度的情况下具有较大的距离。

图3示出了在纸和板制造工业中使用的框架31。框架被附接在可以是纸或板的幅材的被测物体30周围，使得幅材通过框架。存在两个附接到框架的传感器支架32、33，使得它们沿x轴来回移动。第一光学传感器模块10附接到传感器支架32中的一个中。另一传感器支架33具有另一光学传感器模块20。测量从第一表面11到第一模块10的距离，并且测量从第二表面12到第二模块20的距离。测量第一模块与第二模块之间的距离，并且通过从模块之间的距离中减去第一测得的距离来计算幅材的厚度。当支架沿x轴来回移动时，支架之间的距离沿z轴可以不同。这种变化通常在毫米或更小级别上。

预先定义开始进行距离测量的点不是强制性的。光学传感器模块10内的任何点都可以被认为是起点，例如遮光物13、23的水平面。然而，校准测量装置是重要的，从而确定模块之间的距离并且可以进行精确测量。可以使用具有已知厚度的薄物体来进行校准。校准还需要沿z轴移动被测物体以找到阴影位置的变化。一旦校准了极值，就可以进行中值内插，因为测量原理是线性的。相反，校准也可以利用一个点对边缘值进行外推来完成。

厚度测量需要光学传感器模块的适当定位。在幅材的两侧进行的距离测量必须在基本相同的x、y位置进行。这种定位可以利用不同的方法来完成。主要方法涉及框架控制和框架如何使传感器支架32、33保持同步移动的方式。这通常就足够了。例如，可以利用磁阻测量进行更详细的控制，其中磁阻桥提供了在x、y平面中的偏差的精确信息。

光学传感器模块之间的距离测量29可以利用不同的方法来完成。示例性方法是专利文献US4160204中描述的电磁测量。其它示例性方法可以是利用超声测量的声学方法或利用基于涡流的测量的感应方法。在专利文献FI111991中描述了涡流测量的示例。如果距离29保持固定，则该距离29可以被测量一次并存储到计算设备16的存储器中。

快速移动的幅材的厚度测量需要非常精确的时间同步，以用于测量幅材的两侧11、12上的距离以及光学传感器模块10、20之间的距离29。两侧11、12上的距离测量的同步必须在0.1ms内，以使得当幅材以30m/s来回移动时，能够实现捕捉到同一平方毫米的厚度的测量。由于测量是基于从两侧同时照亮物体以进行测量的，所以这样的同步是容易实现的。多个光源之间的精确照亮同步是已知的技术。

图4示出了由成像传感器从测量面积A捕获的图像。使用每一个都产生阴影42的平行线41来实现遮光物。遮光物与阴影之间的距离d1、d2由于被测物体的厚度、倾斜与弯曲而改变。从光学传感器模块10到图像底部的表面11的距离比到图像顶部的距离更短。图像中示出的光斑43示出了来自被测物体的对面的激光。

在实施例中，存在诸如激光器的一个或多个光源27，它们被附接到第二模块20，以使得它们对由两侧上的成像传感器14、14’检测的区域中的至少一个点43进行照明。该光斑或多个类似的光斑或由激光产生的图案可以被用于示出在物体27的两侧上的用于距离测量的共同位置。所使用的光源可以具有可见光波段，例如红色激光，但是也可以在其它波段中，优选地是红外光波段。如果使用多于一个光斑或者图案足够大，则可以使用光斑或图案来显示成像传感器或光学元件的倾斜。

图6示出了被测区域的放大横截面。在此，被测平面物体30以角度α倾斜，在测量厚度时必须考虑该角度。来自光源12的光62穿透参考遮光物13，并且遮蔽图案13’在被测物体的表面11上产生阴影。利用上面的成像传感器来检测参考遮光物和阴影。可以将检测到的差d3、d4、d5计算为实际距离d3’、d4’、d5’。来自光源22的光63部分地通过参考遮光物23，且产生到表面21的遮蔽图案。另外，激光器27产生光束64，并且照亮从物体30的两侧均可以看到的光斑。

图7a和图7b示出了利用诸如图8中装置在成像传感器上的图像。图7a示出了当表面11接近遮光物23”时的图像，且图7b示出了当表面11远离遮光物23”时的图像。在距被测表面的距离增大的同时，阴影s2延伸。聚焦区域73、73’相应地移动。图像还示出了相应移动的被测物体的相对侧上的聚焦区域75、75’。还标记出了使两侧上的成像传感器聚焦的共同聚焦区域74。

图8示出了具有两个光学传感器模块10’、20的厚度测量装置。这些模块可以是相似的，但是第二模块沿z轴转动90度。这提供了一种区分被测物体在两个轴x、y上的倾斜的方法。关于图2的第二模块20的描述来说明这两个模块。最大的差别是关于处理装置的。第二模块20中的计算设备仅计算模块19与表面21之间的距离，以将该信息提供给第一模块10’，从而使计算设备16计算物体的厚度。模块可以严格地彼此平行，但是如果它们在x轴或y轴上稍微倾斜(即，<5°)，则可以利用校准过程进行补偿。

本发明提供了一种对薄的平面物体进行无接触的厚度测量的新的方式。本发明的方法使热膨胀和振动的影响最小化，因为即使光源或成像传感器存在微小移动，遮光物与阴影之间的相对距离也保持相对稳定。而且，光源的光学非线性或未对准不会影响当前测量装置中遮光物与阴影之间的相对距离。

Claims

1.一种用于测量平面物体(30)的厚度的测量装置，其中所述测量装置包括以已知的相互的距离(29)定位于被测平面物体的相对位置上的第一光学传感器模块(10，10’)和第二光学传感器模块(20)，所述第一光学传感器模块(10，10’)和所述第二光学传感器模块(20)具有至少一个光源(12，22，22”)，其特征在于，所述第一光学传感器模块(10，10’)和所述第二光学传感器模块(20)还包括具有二维图案的参考遮光物(13，23，23”)和成像传感器(14，14’，14”)，其中所述至少一个光源被设置为以角度

朝向被测平面物体，并且所述参考遮光物被设置在所述光源与被测平面物体之间，以使得在被测平面物体的表面(11，21)上形成阴影，并且所述成像传感器被设置为使得所述成像传感器能够同时检测所述参考遮光物和所述阴影，并且计算设备(16，26)被配置为：从第一光学传感器模块和第二光学传感器模块的检测到的参考遮光物与阴影之间的距离来计算被测平面物体的表面与第一光学传感器模块或第二光学传感器模块之间的距离，并且通过从模块之间的已知距离减去测得的距离来计算所述平面物体的厚度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，利用基本上平行于被测平面物体的表面(11，21)定位的元件来实现所述参考遮光物(13，23，23”)。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源(12，22，22”)提供间隔为5ms-100ms且持续时间为0.1μs-100μs的光脉冲。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，存在具有不同波长的多个光源(12，22，22”)，所述多个光源(12，22，22”)被附接以在x、y平面中从不同定向照亮所述参考遮光物和被测平面。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，存在具有不同波长的多个光源(12，22，22”)，所述多个光源(12，22，22”)被附接以从不同角度

照亮所述参考遮光物和被测平面。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述装置至少包括光学、磁性、涡流和/或超声的相互的传感器对，以用于确定所述第一光学传感器模块(10，10’)和所述第二光学传感器模块(20)之间的距离(29)。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，具有或不具有附加光学元件(15，15’，15”)的成像传感器(14，14’，14”)被附接在所述模块内，以使得所述成像传感器(14，14’，14”)能够在其聚焦区域(61，61’)内同时检测所述参考遮光物(13，23，23”)和形成的阴影。

8.一种用于测量移动的平面物体(30)的厚度的方法，所述方法包括：

利用第一光学传感器模块(10，10’)形成(91)表示被测平面物体与来自被测平面物体的一侧的第一光学传感器模块之间的距离的数据；

利用第二光学传感器模块(20)形成(92)表示被测平面物体与被测平面物体的另一侧之间的距离的数据；

其特征在于，距离测量通过以下方式实现：利用光源(12，22，22”)和参考遮光物(13，23，23”)在被测平面物体的表面上形成阴影，并且利用成像传感器(14，14’，14”)同时检测所述阴影和所述参考遮光物，以及使用计算设备(16，26)测量所述参考遮光物与所述阴影之间的距离，并将参考遮光物与阴影之间的所述距离转换为第一光学传感器模块或第二光学传感器模块与被测平面物体之间的距离；

确定(93)所述第一光学传感器模块和所述第二光学传感器模块之间的距离；

通过从第一光学传感器模块和所述第二光学传感器模块之间的距离减去从第一光学传感器模块到被测平面物体的距离和从第二光学传感器模块到被测平面物体的距离，利用计算设备来确定(94)被测平面物体的厚度。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：所述被测平面物体是纸、生活用纸或板幅材。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括：借助至少一个电磁传感器、感应传感器或超声传感器来确定所述第一光学传感器模块(10，10’)和所述第二光学传感器模块(20)之间的距离。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括：使用校准数据作为用于从检测到的参考遮光物与阴影之间的距离来检测模块与被测平面物体之间的距离的基础。

12.根据权利要求8所述的方法，还包括：使用附接到第二光学传感器模块的一个或多个激光(27)来对纸、生活用纸、板或膜上的要进行距离测量的位置上的点(43)进行照明，并利用第一光学传感器模块(10，10’)和第二光学传感器模块(20)的成像传感器(14，14’，14”)来检测所述点的位置。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括：具有或不具有光学元件(15，15’，15”)的成像传感器被设置为使得焦距(17，17’，17”)覆盖所述参考遮光物(13，23，23”)并且至少部分地覆盖被测平面物体的表面(11，21)。