激光三角法板材在线测厚系统设计

1　引　言

　　对板材在线检测，目前国内大多数厂家采用射线法，该方法的优点是快速非接触连续测量，精度不受被测物体弹跳、移动影响，误差可以达到小于待测物厚度的±1％。主要缺点是射线会对人体造成伤害，射线也污染环境。
　　三角法是一种成像法，测量精度很高，测量重复性好，可达10μm左右。该方法的特点是远距离与较高的速度和精度相结合，测量点小，适用范围广，不受被测材料的限制，对大多数不透明的物体都可以适用，近年来该方法用于测量位移、厚度，在国内很受重视。
2　测量原理
　　用一束激光照射到被测物面上，由物体表面散射光成像，通过光电传感器CCD（电荷耦合器件）将像信号转换为电信号测出其像点位置。物面移动时，因像点相应移动，由此即可求出位移量。在检测过程中，用激光上下表面双三角法，准确地测量运动物体的厚度。
　　图1中do和di分别为参考点处的物距和像距；α是散射光接收角；θ是成像角；x是物位移；x′是像位移；d为上下两参考面之间的距离。
　　根据公式：

可求出x1，x2；再根据待测物体厚度为x1＋x2＋d，可求出物体的厚度。
　　激光三角法测厚由于其所用激光束径为几十μm，故可对物体进行点测厚，这是射线法对面测厚所不能做到的。另外，激光是可见光，易调试。

3　硬件设计
3．1　探头设计
　　激光器采用与CCD光敏光源相匹配的5mW He－Ne激光器，由于该激光器工作寿命可长达5万小时且功率高，这样就能使探测口开小一些，也即光阑口径小一些，使背景光的信号弱。

　　光学透镜采用f＝60mm，物距、像距都约在120mm，使测量点在光轴附近，若测量范围大时，d取得大些。
3．2　数据采集及接口设计
　　CCD线阵（1024个像素，间距14μm）及其驱动电路板探头内，该电路板上自带A／D转换、缓存器和RS485通讯口（传送数据的波特率为38．4Kbps）。RS485－RS232通讯转换模块及微机在监控室，数据传输线采用屏蔽电缆且屏蔽层接地，以消除外界干扰信号的串入。

　　两块CCD采用同步时钟同时采样，上一路信号送主机，下一路信号送从机。从机对采集来的数据进行分析处理得到下位移x2，然后送主机。虽然从机功能简单，也要用奔腾机，要满足数据处理的高速度（与主机匹配）及采集和发送数据的高波特率；系统标定的参数由于热胀冷缩及不小心碰撞会发生变化，再次标定参数很方便，直接接上显示器调用标定参数子程序即可；微机的价格现在已很便宜。
4　系统软件设计
　　首先通过软件设置CCD的光积分时间，在内存中开辟出1024×8位的存储区供采集来的数据缓存用。主从机各自读COM1口数据，进行阈值二值化处理，然后根据求中点得出像的位置z1、z2，再根据各自像上零点位置z0、z0′求出像位置x′1、x′2，x′1＝（z1－z0）×14μm，x′2＝（z2－z0′）×14μm。根据标定好的系统参数求出x1、x2，从机把数据x2通过COM2口送主机，主机采得从机数据后得到板材厚度h。然后主机保存该厚度、判断厚度是否正常，若正常则重新采集数据，若不正常则报警，然后去采集数据。主机、从机系统软件流程图略。
5　结束语
　　该板材在线测厚系统的精度为20μm，测量重复性好，抗干扰性好。由于数据采集用串行口通讯，每秒采样4个点。

1　戴立敏，江潼君．激光三角法测量传感器的精密位移测量．仪器仪表学报，1994，15（4）
2　章小兵．激光三角法测厚研究．中国科学院安徽光学精密机械研究所硕士学位论文，1999
3　章小兵，戚俊，张毅等．一种关于大位移激光三角法测量参数标定方法的研究．量子电子学报，2002，19（1）：74