動態，非接觸，高精度激光在線測厚的實現技術

• 概述

自從上世紀60年代激光產生以后，其高方向性和高亮度的*性就一直吸引著人們不斷探索它在各方面的應用，其中，工業生產中的非接觸、在線測量是非常重要的應用領域，它可以完成許多用接觸式測量手段無法完成的檢測任務。普通的光學測量在大地測繪、建筑工程方面有悠久的應用歷史，其中距離測量的方法就是利用基本的三角幾何學。在上世紀80年代末90年代初，人們開始激光與三角測量的原理相結合，形成了激光三角測距器。它的優點是精度高，不受被測物的材料、質地、型狀、反射率的限制。從白色到黑色，從金屬到陶瓷、塑料都可以測量。

• 激光三角測量的原理
• 激光三角測量法是人們將激光與三角測量的原理相結合的產物，其原理如下圖示：

它是將激光作光源，用線陣CCD作光電轉換器，用玻璃透鏡將被測物上的光斑聚焦

成點，再成像到線陣CCD上，線陣CCD上的光電信號再移到計算機處理，從而得到距離信號。這就是激光三角測量的基本原理。

• *代激光三角測厚儀的原理

有了激光三角位移傳感器，就為激光測厚儀墊定基礎，其設計原理如下圖所示，

 *代激光測厚儀原理

從上圖可得：厚度為：公式中，t表示厚度，z是上下兩個測頭間的距離，x是上測頭到被測物上表面的距離，y是下測頭到被測物下表面的距離，只要z是恒定的，則，上下測頭測量出x，y，就可以通過上面的公式算出厚度t，這樣，用兩個激光位移傳感器就可以做出測厚儀。

• *代激光三角測厚儀的誤差分析

1. 上面的厚度公式中我們假設z是恒定的，則，在靜止狀態下系統誤差就是上下測頭的測量誤差，我們令其表達式為：
2. 實際上，在高精度測量時，z并不是恒定的，因為，上下測頭是裝在U形支架上，而隨著溫度的變化，U形支架是會變形的，掃描寬度越寬其變形量就越大，所以，其在靜止狀態下的誤差表達式應為：，見下圖示，

當溫度變化時。

1）假若U形支架的上臂向上變形一微米，下臂向下變形一微米，則，

2）假若U形支架的上臂向下變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

3）假若U形支架的上臂向上變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

4）假若U形支架的上臂向下變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

5） 假若U形支架的上下臂向其它方向變形，則，誤差比較復雜。

1. 上面分析是假設靜止狀態時的測量誤差表達，而實際上激光測厚儀是要求能做到在線，動態掃描測量的，我們再來分析動態測量時的誤差情況。

我們知道，線陣測頭的輸出值是一段時間的測量結果的平均值。在動態測厚過程中，激光焦點在被測物表面掃描，由于激光散斑的原因，表面反射光強存在劇烈的起伏，導致一些采樣點的信號強度過低，成為無效數據而剔除，若單測頭每次平均需m個數據，之間會剔除n個數據，則需要增加測n個數據，總數據量為m+n個，這可形象地用下圖表示。

由于上下表面的數據是獨立的，因此，上下表面數據序列中被剔除的數據也是獨立的（見上圖中的一個箭頭表示一個剔除數據）。如果物體不動或高度不變，則剔除數據的位置沒有什么影響，但當物體抖動量較大時，被剔除數據的位置對平均值的影響將立刻顯現出來，例如當表面上升時（下圖）

剔除數據的位置靠前則m個數據的平均值偏大，反之則偏小。

由于上下兩個測頭內部對剔除數據的操作是獨立的，無法進行協調，因此，物體抖動必然導致厚度測量結果的較大起伏！這種誤差的統計估計如下：

由上圖可知，兩個測頭的數據錯位范圍為（-n，+n），處于各種錯位情形的概率均等，則由概率論知，均方差為個數據，若物體移動速度為V，單次采樣時間為T，則造成的上下兩測頭的厚度測量的概率誤差為,例如，若v=10mm/s, T=10ms, n=2, 則e=0.115mm！若上下測頭組合儀取p個數平均，則厚度誤差均方差下降為，若p=20，則e=0.026mm！對于高精度測量仍然是無法容忍的！

由于激光散斑是無法消除的，因此，被測物速度越大，誤差越大，因此原理上，上下獨立測頭不適宜抖動物體的測厚！

• 結論

從上面的分析，我們可以知道：用激光位移傳感器構成的測厚儀存在著原理上的缺陷，其誤差的產生都是隨機的，所以，無法進行補償，故，在高精度測量時不能滿足測量要求。

• 第二代激光測厚系統原理簡介

第二代激光三角測厚儀是重新設計發展而來，它克服了*代由于U形支架變形、振動等導致測量精度不高，由于采用二個光電轉換部件導致工作不同步而導致上下兩測頭的測量點不重合，及由此導致測量精度不高，測量精度不穩定等不足。第二代激光測厚儀從測量原理上做了重新設計，不再采用兩個位移傳感器分別測量上下測頭到被測物的上下表面的距離來算出厚度，而是直接測量被測物的厚度，避免了U形支架變形、振動等導致測量誤差，大大提高了測量精度，而且不怕振動，并且安裝使用更簡單，工作更穩定，測量精度更高（+/-0.0015mm），它無環境污染，對人無傷害，對被測物無污染無接觸，同時第二代激光三角測厚儀有完整的數據輸出接口，這為涂布機的日后閉環自動控制打下了基礎，

詳見原理圖

                      第二代激光測厚儀原理

上述原理圖的工作原理：上下二個激光器將激光束分別打在被測物的上下表面，形成二個光斑，無衍射光學系統將這二光斑成像到面陣CCD或DSP等光電轉換部件上，則，這二個光斑在面陣CCD或DSP等光電轉換部件上的光斑的像之間的距離就是被測物厚度的映射，通過圖像處理技術就能算出被測物的厚度。

     從上面的原理圖可知，U形支架上安裝的不是激光位移測頭，而是激光器，僅作為光源用，上下激光器照射到被測物的上下表面形成上下二個光斑，將這兩個光斑通過一個無衍射光學系統成像到面陣CCD上，則，這二個光斑之間的距離就是被測物的厚度，這樣直接測量的是被測物的厚度，這就避免了由于U形支架的變形和上下測頭的測量誤差還有抖動等因素的影響，第二代系統只有一個誤差，就是無衍射光學系統的測量誤差，而這個誤差不是隨機產生的，是可以補償的，同時我們的單鏡頭面陣ccd測厚儀，由于是上下光斑同時測量，若出現上下任一光斑太暗，則該組上下光斑數據作廢，保證了用于厚度數據的上下光斑的一一對應性！從原理上避免了*代測厚儀的多項誤差。故，第二代激光測厚系統比*代激光測厚系統有無比優異性能。

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