CN213147728U - 一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置，包括激光器、准直宽光束产生单元、机械摆动单元、光电探测单元、计算机，其特征在于，激光器发出线偏振细光束经准直宽光束产生单元后转化成准直宽光束；机械摆动单元包括摆杆、摆杆回转轴、滚轮、滚轮支架，张紧弹簧、底座、限位结构、木制品传输带，作用是将平面木制品厚度转化为反射镜偏转角度；光电探测单元包括偏振分光棱镜、四分之一波片、反射镜、偏振片、聚焦透镜、PSD位置传感器，作用是将反射镜偏转角度调制到准直宽光束中，最终在PSD位置传感器上产生会聚光斑图像，计算机处理光斑图像得到光斑偏移量并得到厚度参数。本实用新型成本低，易装配，精度高。

Description

一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，具体涉及一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置。

背景技术

当今社会，测量已经是现代科学不可忽视的重要组成部分，而测厚技术在测量领域扮演着不可或缺的重要角色。在工业生产和科学制造中，各种型号的测厚仪器已经得到了广泛的使用。具体有超声波测厚仪、电涡流测厚仪、放射性测厚仪、机械接触式测厚仪，以及基于激光三角法的光学测厚仪等。上述测厚仪中，基于激光三角法的测量装置原理简单，使用方便，应用较为普遍；例如文献(基于激光三角测量的视觉测量方法研究，数字制造科学，2019(3))提到目前激光三角法的测量精度可以达到0.5mm，能够满足一般工程应用，但是对于精度要求稍高的测量目标而言，显然传统激光三角法是无法满足测量需求。细长形的平面木制品在日常生活中极为常见，如实木地板、雪糕棒、冰激凌勺、压舌板等，这类产品的厚度参数是一项重要指标，其精度要求一般控制在约±0.1毫米范围内。目前商业化的测厚仪并不能直接应用于生产线上对该类木制品进行在线动态测量，也很难实现二次开发和应用。因此有必要设计一种平面木制品厚度在线测量装置，为该类产品的生产加工与质量检测提供技术保障，同时也可有效提高生产效率，实现自动化测量。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置，以解决上述背景技术中提出的现有测厚装置不能直接应用于连续生产的平面木制品厚度的检测，或者是解决传统测量技术所存在的测量精度低和测量效率低等问题，具有结构简单、实时测量、测量精度较高的特点。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置，包括激光器、准直宽光束产生单元、机械摆动单元、光电探测单元、计算机，其特征在于：

所述激光器出射光线为线偏振细光束，沿水平方向出射。

所述准直宽光束产生单元包括两个透镜和一个针孔，可以将激光器出射的细光束转化为准直宽光束，并沿水平方向出射。

所述机械摆动单元包括摆杆、摆杆回转轴、滚轮、滚轮支架，张紧弹簧、底座、限位结构、木制品传输带。其特征在于，所述摆杆左侧通过摆杆回转轴与底座相连，所述限位结构下端与底座相连，所述张紧弹簧上端与摆杆相连，下端与底座相连，所述滚轮通过滚轮支架安装在摆杆右侧；所述底座固定在木制品传输带左侧；无被测木制品时，滚轮底部与木制品传输带上表面接触，限位结构与摆杆相接触，摆杆保持水平状态；测量时木制品传输带带动被测木制品至滚轮下方，滚轮向上抬起，摆杆绕摆杆回转轴向上摆动。

所述光电探测单元包括偏振分束棱镜、四分之一波片、反射镜、偏振片、聚焦透镜、PSD位置传感器。其特征在于，由准直宽光束产生单元出射的准直宽光束垂直入射到偏振分束棱镜，并被其反射后竖直向下穿过四分之一波片入射至反射镜并被反射；经偏振分束棱镜透射后，再穿过偏振片由聚焦透镜会聚在PSD位置传感器，得到光斑图像；所述反射镜固定在摆杆左侧并与摆杆平行；所述PSD位置传感器沿水平方向放置于聚焦透镜的焦平面上；所述计算机通过信号线与PSD位置传感器相连。

优选的，所述准直宽光束产生单元所出射的光束为圆形光束，经聚焦透镜会聚后的光斑为圆形光斑。

优选的，所述偏振分束棱镜快轴方向与激光器出射光线的振动方向平行，所述四分之一波片的快轴方向与激光器出射光线的振动方向成45度；水平入射的准直宽光束垂直入射至偏振分束棱镜，被其全部反射后入射至四分之一波片，变成圆偏振光；再入射到反射镜并由其反射后再次通过四分之一波片，变成线偏振光；再次经过偏振分束棱镜后全部透射，经过偏振片和聚焦透镜后会聚在PSD位置传感器。

优选的，所述偏振片的快轴方向通过旋转偏振片来调整，从而可以连续改变会聚光斑的光强。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型是一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置，通过将木制品厚度参数转化为摆杆角度参数，借助反射镜旋转放大特性、设定摆杆臂长参数(滚轮与摆杆旋转轴之间的长度)以及聚焦透镜焦距参数，能够实现微小厚度的高精度测量；其次，数据处理简单快速，可用于生产线上平面木制品的在线测量，提高检测效率。

附图说明

图1是本实用新型的示意图。

图2是本实用新型的测量原理示意图。

图3是本实用新型应用测量状态下示意图。

图中：1、激光器；2、准直宽光束产生单元；3、偏振分束棱镜；4、四分之一波片；5、反射镜；6、偏振片；7、聚焦透镜；8、PSD位置传感器；9、底座；10、摆杆回转轴；11、摆杆；12、限位结构；13、张紧弹簧；14-1、滚轮；14-2、滚轮支架；15、木制品传输带；16、计算机；17、被测平面木制品。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型提供一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置，包括激光器1、准直宽光束产生单元2、机械摆动单元、光电探测单元和计算机16。

所述准直宽光束产生单元2包括两个透镜和一个针孔。其特征在于，可以将激光器1发出的线偏振细光束转化为准直宽光束，并沿水平方向出射。

所述光电探测单元包括偏振分束棱镜3、四分之一波片4、反射镜5、偏振片6、聚焦透镜7、PSD位置传感器8。其特征在于，准直宽光束垂直入射在偏振分束棱镜3，被其反射后竖直向下穿过四分之一波片4，而后入射在反射镜5上；所述反射镜5安装在摆杆11左侧，并与摆杆11保持平行。入射光束经反射镜6反射后再依次通过四分之一波片4、偏振分束棱镜3、偏振片6、聚焦透镜7，会聚在PSD位置传感器8形成圆形光斑。

所述机械摆动单元包括底座9、摆杆回转轴10、摆杆11、限位结构12、张紧弹簧13、滚轮14-1、滚轮支架14-2、木制品传输带15。其特征在于，所述摆杆11通过摆杆回转轴10与底座9相连；所述限位结构12安装在底座9上；所述张紧弹簧13上端与摆杆11相连，下端与底座9相连；所述滚轮14-1通过滚轮支架14-2安装在摆杆11右侧；所述底座9固定在木制品传输带15的左侧。无被测物体时，滚轮14-1下端与木制品传输带15上表面相接触，摆杆11保持水平状态。

所述计算机16通过信号线与PSD位置传感器8相连。

如图2所示，设摆杆回转轴10与滚轮14-1之间的水平距离为L，若被测物体的厚度为h，则摆杆向上偏转的偏振角为a＝h/L。

根据反射镜旋转特性，反射光相对于无被测物体时反射光线将沿逆时针旋转，旋转角为

此时PSD位置传感器8上的会聚光斑将向左侧偏移，相对于无被测物体的光斑位置所产生的偏移量为x。

设聚焦透镜7的焦距为f，有x＝2hf/L。因此通过测量x，便可得到被测物体的厚度为h＝xL/(2f)。

被测物体的厚度h与PSD位置传感器探测到光斑偏移量x成线性关系，可写作h＝kx，其中系数k＝L/(2f)。通过标定获得k后，便可由光斑位置偏移量x计算出被测物体的厚度h。

实施例：对多个已知厚度的标准平面物体进行测量。

下面所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

按照如图1所示的结构连接调整好各元件，激光发射器1发出细光束经过准直宽光束产生元件2后形成一束线偏振宽光束平行光，沿水平方向垂直入射到偏振分束棱镜3；偏振分束棱镜3的快轴方向与入射线偏振光振动方向平行，入射光束经偏振分束棱镜3全部反射后竖直向下通过四分之一波片4后入射在反射镜5上；四分之一波片4快轴方向与入射线偏振光振动方向成45度角；由反射镜5反射回的光束穿过四分之一波片4后，光束振动方向相对于入射光束振动方向旋转90度，因此再次经过偏振分束棱镜3全部透射；然后依次经过偏振片6、聚焦透镜7会聚在PSD位置传感器8上形成会聚光斑。旋转偏振片6可以连续调节会聚光斑强度，旋转偏振片6调节光斑至非饱和状态。

如图3所示，当被测平面木制品17经木制品传输带15传输至滚轮14-1下方时，摆杆11抬起，反射镜5围绕摆杆旋转轴10沿逆时针偏转，反射光束发生偏振导致会聚在PSD位置传感器8上的会聚光斑产生位置偏移。计算机16对PSD位置传感器8输出的光斑信号进行处理，计算出相对于无平面木制品时光斑之间的偏移量。

在正式测量前需进行系统标定。首先不放入被测物体，计算机16记录PSD位置传感器8上光斑位置。然后选取多个(如10个)不同(微小)厚度的量块，分别放入滚轮14-1与木制品传输带15之间，计算机16计算光斑相对于无物体时光斑之间的位置偏移量。选取一阶函数进行数据拟合得到标定系数k。

标定完成后，正式开始测量。木制品传输带将被测平面木制品17传送至滚轮14-1下方，摆杆11带动平面镜5发生偏转，在PSD位置传感器8上的会聚光斑发生位置偏移，计算机16计算出偏移量x，根据标定系数k，得到平面木制品17的厚度为h＝kx。当装置完成一个物体的厚度测量时，在张紧弹簧13作用下摆杆11与反射镜5恢复到水平初始位置，进入下一个物体测量状态。

若滚轮14-1至摆杆回转轴10之间距离L为100mm，聚焦透镜7的焦距f为200mm，可知系数k约为0.25。本实例中，选用北京中西远大科技有限公司的PSD-4343(2D-PSD)位置传感器，有效光敏面43mm×43mm，分辨率5μm。由此可得装置的测量精度约为1.25μm，测量范围约为10.75mm。

Claims (3)

1.一种基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置，包括激光器、准直宽光束产生单元、机械摆动单元、光电探测单元和计算机，其特征在于：

所述准直宽光束产生单元(2)由两个透镜和一个针孔构成，所述激光器(1)发出线偏振细光束经过准直宽光束产生单元(2)，形成沿水平方向出射的准直宽光束；所述机械摆动单元包括底座(9)、摆杆回转轴(10)、摆杆(11)、限位结构(12)、张紧弹簧(13)、滚轮(14-1)、滚轮支架(14-2)、木制品传输带(15)，所述摆杆(11)通过摆杆回转轴(10)与底座(9)相连，所述限位结构(12)固定在底座(9)上，所述张紧弹簧(13)上端与摆杆(11)相连，下端与底座(9)相连，所述滚轮(14-1)通过滚轮支架(14-2)固定在摆杆(11)右侧，所述底座(9)固定在木制品传输带(15)左侧，无被测物体时，所述滚轮(14-1)下端与木制品传输带(15)上表面相接触，摆杆(11)保持水平状态；所述光电探测单元包括偏振分束棱镜(3)、四分之一波片(4)、反射镜(5)、偏振片(6)、聚焦透镜(7)、PSD位置传感器(8)构成，准直宽光束垂直入射到偏振分束棱镜(3)，并被其反射后竖直向下穿过四分之一波片(4)入射至反射镜(5)并向上反射回来，经过偏振分束棱镜(3)透射后，再经过偏振片(6)后，由聚焦透镜(7)会聚在PSD位置传感器(8)，得到光斑图像，所述反射镜(5)固定在摆杆(11)左侧并与摆杆(11)平行，所述PSD位置传感器(8)位于水平位置并放置于聚焦透镜(7)的焦平面上；所述计算机(16)通过信号线与PSD位置传感器(8)相连。

2.根据权利要求1所述的基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置，其特征在于，所述准直宽光束产生单元(2)出射的光束为圆形光束，经聚焦透镜(7)会聚后的光斑为圆形光斑。

3.根据权利要求1所述的基于准直宽光束的平面木制品厚度在线测量装置，其特征在于，通过旋转所述偏振片(6)可连续改变会聚光斑的光强。

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