激光三角法板材在线测厚系统设计

　叙述了激光三角法测厚的原理，对板材在线测厚系统进行了硬件设计和软件设计并给出了系统测量指标。
关键词：激光三角法测厚，硬件设计，软件设计

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。

参考文献

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