激光高精度非接触动态测厚的方法与实现
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发表于:2017-02-22 11:02
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 自上世纪1960年代激光产生以后,其高方向性和高亮度的优越性就一直吸引着人们不断探索它在各方面的应用,其中,工业生产中的非接触、在线测量是非常重要的应用领域,它可以完成许多用接触式测量手段无法完成的检测任务。普通的光学测量在大地测绘、建筑工程方面有悠久的应用历史,其中距离测量的方法就是利用基本的三角几何学。在80年代末90年代初,人们开始激光与三角测量的原理相结合,形成了激光三角测距器。它的优点是精度高,不受被测物的材料、质地、型状、反射率的限制。从白色到黑色,从金属到陶瓷、塑料都可以测量。如今的激光技术、计算机技术,大规模半导体电子技术巳非常发达,使在线,动态,非接触,高精度,高稳定性的激光测量技术变成比较成熟,是推广到工业领域去应用的好时机了,欢迎仪器设备界同仁们共同推进这项事业向前发展。
一、   激光三角测量的原理
激光三角测量法是人们将激光与三角测量的原理相结合的产物,其原理如下图示:


它是将激光作光源,用线阵CCD作光电转换器,用玻璃透镜将被测物上的光斑聚焦

成点,再成像到线阵CCD上,线阵CCD上的光电信号再移到计算机处理,从而得到距离信号。这就是激光三角测量的基本原理。

一、   第一代激光三角测厚仪的原理

有了激光三角位移传感器,就为激光测厚仪垫定基础,其设计原理如下图所示,



第一代激光测厚原理图

                      第一代激光测厚仪原理

从上图可得:厚度为:公式中,t表示厚度,z是上下两个测头间的距离,x是上测头到被测物上表面的距离,y是下测头到被测物下表面的距离,只要z是恒定的,则,上下测头测量出xy就可以通过上面的公式算出厚度t,这样,用两个激光位移传感器就可以做出测厚仪。

一、   第一代激光三角测厚仪的误差分析

1、 上面的厚度公式中我们假设z是恒定的,则,在静止状态下系统误差就是上下测头的测量误差,我们令其表达式为:

2、 实际上,在高精度测量时,z并不是恒定的,因为,上下测头是装在U形支架上,而随着温度的变化,U形支架是会变形的,扫描宽度越宽其变形量就越大,所以,其在静止状态下的误差表达式应为:,见下图示,

当温度变化时。

1)假若U形支架的上臂向上变形一微米,下臂向下变形一微米,则,

2)假若U形支架的上臂向下变形一微米,下臂向上变形一微米,则,

3)假若U形支架的上臂向上变形一微米,下臂向上变形一微米,则,

4)假若U形支架的上臂向下变形一微米,下臂向上变形一微米,则,

5) 假若U形支架的上下臂向其它方向变形,则,误差比较复杂。



1、  上面分析是假设静止状态时的测量误差表达,而实际上激光测厚仪是要求能做到在线,动态扫描测量的,我们再来分析动态测量时的误差情况。
我们知道,线阵测头的输出值是一段时间的测量结果的平均值。在动态测厚过程中,激光焦点在被测物表面扫描,由于激光散斑的原因,表面反射光强存在剧烈的起伏,导致一些采样点的信号强度过低,成为无效数据而剔除,若单测头每次平均需m个数据,之间会剔除n个数据,则需要增加测n个数据,总数据量为m+n个,这可形象地用下图表示。

  

由于上下表面的数据是独立的,因此,上下表面数据序列中被剔除的数据也是独立的(见上图中的一个箭头表示一个剔除数据)。如果物体不动或高度不变,则剔除数据的位置没有什么影响,但当物体抖动量较大时,被剔除数据的位置对平均值的影响将立刻显现出来,例如当表面上升时(下图)

   

剔除数据的位置靠前则m个数据的平均值偏大,反之则偏小。

由于上下两个测头内部对剔除数据的操作是独立的,无法进行协调,因此,物体抖动必然导致厚度测量结果的较大起伏!这种误差的统计估计如下:

由上图可知,两个测头的数据错位范围为(-n+n),处于各种错位情形的概率均等,则由概率论知,均方差为个数据,若物体移动速度为V,单次采样时间为T,则造成的上下两测头的厚度测量的概率误差为,例如,若v=10mm/s, T=10ms, n=2, e=0.115mm!若上下测头组合仪取p个数平均,则厚度误差均方差下降为,若p=20,则e=0.026mm!对于高精度测量仍然是无法容忍的!

由于激光散斑是无法消除的,因此,被测物速度越大,误差越大,因此原理上,上下独立测头不适宜抖动物体的测厚!

一、       结论

从上面的分析,我们可以知道:用激光位移传感器构成的测厚仪存在着原理上的缺陷,其误差的产生都是随机的,所以,无法进行补偿,故,在高精度测量时不能满足测量要求。

二、       第二代激光测厚系统原理简介

第二代激光三角测厚仪是重新设计发展而来,它克服了第一代由于U形支架变形、振动等导致测量精度不高,由于采用二个光电转换部件导致工作不同步而导致上下两测头的测量点不重合,及由此导致测量精度不高,测量精度不稳定等不足。第二代激光测厚仪从测量原理上做了重新设计,不再采用两个位移传感器分别测量上下测头到被测物的上下表面的距离来算出厚度,而是直接测量被测物的厚度,避免了U形支架变形、振动等导致测量误差,大大提高了测量精度,而且不怕振动,并且安装使用更简单,工作更稳定,测量精度更高(+/-0.0015mm),它无环境污染,对人无伤害,对被测物无污染无接触,同时第二代激光三角测厚仪有完整的数据输出接口,这为涂布机的日后闭环自动控制打下了基础,

详见原理图




 第二代激光测厚仪原理

上述原理图的工作原理:上下二个激光器将激光束分别打在被测物的上下表面,形成二个光斑,无衍射光学系统将这二光斑成像到面阵CCDDSP等光电转换部件上,则,这二个光斑在面阵CCDDSP等光电转换部件上的光斑的像之间的距离就是被测物厚度的映射,通过图像处理技术就能算出被测物的厚度。

 

                               

 

     从上面的原理图可知,U形支架上安装的不是激光位移测头,而是激光器,仅作为光源用,上下激光器照射到被测物的上下表面形成上下二个光斑,将这两个光斑通过一个无衍射光学系统成像到面阵CCD上,则,这二个光斑之间的距离就是被测物的厚度,这样直接测量的是被测物的厚度,这就避免了由于U形支架的变形和上下测头的测量误差还有抖动等因素的影响,第二代系统只有一个误差,就是无衍射光学系统的测量误差,而这个误差不是随机产生的,是可以补偿的,同时我们的单镜头面阵ccd测厚仪,由于是上下光斑同时测量,若出现上下任一光斑太暗,则该组上下光斑数据作废,保证了用于厚度数据的上下光斑的一一对应性!从原理上避免了第一代测厚仪的多项误差。故,第二代激光测厚系统比第一代激光测厚系统有无比优异性能。

 

 

 





 
       
     
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