光电检测课程设计激光测厚度.docx

光电检测课程设计激光测厚度.docx

《光电检测课程设计激光测厚度.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电检测课程设计激光测厚度.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

光电检测课程设计激光测厚度

《光电检测课程设计》

2016年12月

摘要3

1绪论4

1.1课题研究的意义4

1.2国内外现状4

2视觉测量系统5

2.1直射型激光三角法测位移原理5

2.2双光路激光三角法测厚原理6

2.3测厚原理及特点6

2.4光路系统特点8

3图像处理部分9

3.1图像预处理9

3.2阈值的确定10

3.3厚度的确定10

4结论12

参考文献13

摘要：

精确测量薄板类材料的厚度，讨论了激光器光束轴心线与成像透镜光轴夹角与系统分辨率的关系，并基于最小二乘法拟合得出了光斑距离与被测物厚度的函数关系式，最后通过标定实验对系统精度进行了实验论证。

结果表明，该系统消除了双光路激光三角法上下测量系统难以同步的问题，分辨率高，精度控制在10μm，良好地满足了工业测量的需求。

关键词：

激光三角法最小二乘法薄板厚度

1.绪论：

1.1课题研究的意义

随着材料加工技术的发展和测试计量技术水平的提高，材料厚度的检测对仪器测量精度提出了更高的要求，同时也由在线测量逐步取代离线机械式测量。

冷轧钢板作为汽车制造、机械加工、船舶制造、土木建筑和轻工业等领域的原材料具有广泛的用途，热镀锌工艺常用来进行钢板的防锈处理，据统计，全球每年产锌量大约一半被用在于钢板防锈处理上，因而，镀锌板厚度的高精度检测关系到镀锌工艺的优化和锌层用量的合理规划。

针对镀锌板厚度高精度在线检测问题，提出了一种单镜头双光路激光三角测厚模型，该模型相对传统双光路激光三角测厚法而言，通过改进光路设计将分置于上下两条光路中的光电探测器合二为一，避免了两条独立光路中图像探测器难以同步工作的问题，使得测量结果不受被测物抖动的影响.

激光测厚的优势在于不接触被测物且测量精度高，可解决一些以往难以解决的问题，因此在实际应用中受到广泛青睐．激光三角法在线厚度测量通常都在Ｃ型机架上进行，而Ｃ型机架在大震动环境里自身难以避免震动，这导致上、下两组测量探头相对位置发生变化，产生测量误差．目前消除震动的方法有：

震动隔离、震动补偿［１］等，其中震动隔离方法硬件设计较复杂，且不能消除Ｃ型机架自身震动［１］；传统的震动补偿法不能满足上、下探头测量数据与Ｃ型机架微位移变化厚度补偿数据的同步性．因此，仍不能很好地满足在线动态高精度测量的要求．

1.2国内外现状

现在，世界上激光三角法薄板在线测厚过程存在两个典型的问题：

（１）被测工件在工件传输线上向前运动时伴有沿着激光束方向的前后轻微跳动；（２）Ｃ型机架在大震动环境里自身震动，这些问题会引起测量误差．对此，提出了三同步激光三角法厚度测量方法．该法利用ＣＣＤ同步驱动技术［２］，在同一时刻采集３组测量探头数据，其中，上、下两组测量探头对被测物体厚度进行测量；第３组对Ｃ型机架微位移变化实时监测，进而对上、下两路测量探头所测厚度进行补偿．这３组数据保证了严格的同步，从而有效地提高了测量精度．

2.工作原理

2.1直射型激光三角法测位移原理

直射型激光三角法光路示意图如图1所示。

激光器、成像透镜和图像探测器三者位置关系满足Sche-impflug成像条件。

处于铅垂线方向的激光器发出的光线聚焦到被测物上表面后，漫反射光线经过成像透镜后汇聚在图像探测器上，当被测物从图示标定平面移动H距离达到标定平面上方某一位置时，图像探测器上的光斑会相应移动H1的距离，二者之间的函数关系式可由相似三角形关系推导出:

（1）

式中，α为激光器光束轴心线与成像透镜光轴的夹角;γ为图像探测器感光面所在的平面与成像透镜光轴的夹角;d1为成像透镜光轴上的等效物距;d0为成像透镜光轴上的等效像距;H为被测物表面移动距离;

H1为图像探测器感光面上光斑移动距离。

Fig．1Schemesofperpendicularlasertriangulation

整理可得，当图像探测器上光斑移动H1距离时，被测物表面移动距离H的表达式为:

（2）

通过图像处理得到图像探测器上光斑移动距离H1的值，即可求出被测物的真实位移值。

2.2双光路激光三角法测厚原理

双光路激光三角法测厚度的光路示意图如图2所示。

Fig．2Schemesofdoublelasertriangulation

其光路结构可视为由两个上下对称布置的直射型激光三角法光路组成，被测物的上下表面可看作两个相对参考平面，分别移动的距离为H1和H2，其厚度表达式为:

H=H1+H2，由前面所述知识及公式推导可得:

（3）

（4）

式中

和

分别为

和

对应的光斑移动距离，此时被测物厚度表达式为：

（5）

2.3测厚原理及特点

由几何光学知识可知，光学系统近轴区内可视为理想光学系统，在近轴区内，理想光学系统的垂轴放大率β定义为像的大小与物体的大小之比。

图3为本测量系统等效光路图。

图4为理想光学系统成像示意图。

如图4所示，被测物上下表面的光斑可分别视为相对于参考平面上方和下方高度为h1和h2的两个物体，在成像透镜后方所成像的像高分别为h1和h2，有:

即为图像探测器感光面上下两光斑之间的距离

Fig．3Schemesoflightpath

Fig．4Schemesofidealopticalimagingsystem

图5是光路示意图的斜二轴测图。

在图5中，上下激光器分别发射1束光束经激光器前端透镜聚焦到被测物上下表面形成两个光斑，漫反射光线通过组合透镜汇聚到图像探测器感光面上形成两个成像光斑。

Fig．5Cabnetdrawingoflightpathschemes

由前述推导可知，被测物上下表面两光斑的间距与图像探测器感光面上的两成像光斑的间距成线性关系，通过图像处理提取两成像光斑的重心，并计算重心之间的距离，对测量系统进行标定后，便可计算出膜上下光斑之间的距离。

膜上下两光斑的距离即认定为被测物的厚度。

图6为测量方式示意图。

测量位置选择传送装置的滚轮附近，因为滚轮附近被测物晃动较小，因晃动造成的物面倾斜角度也较小，物面倾斜带来的误差也较小。

测厚设备可采用手持的方式也可固定在某一测量位置，沿板材的宽度方向移动U型架可实现板材厚度沿宽度方向的厚度测量。

Fig．6Schemesofmeasuringmode

通过改进双光路激光三角法光路结构，优化光路设计，将双光路激光三角法中的上下透镜和图像探测器合合二为一，测量系统的上下光路采用同一光学系统和成像系统，通过图像处理设备同时抓取上下光斑图像并实时处理，很好地保证了上下光路中图像采集和处理的同步性，既消除了双光路中上下独立测量系统难以同步的问题，又减小了结构尺寸，减轻了设备重量。

2.4光路系统特点

要获得较大的分辨率，可选用像元尺寸小的高分辨率CCD，这大大增加了成本。

由前述直射型激光三角法测位移原理分析及公式推导可知，

（2）式两边同时对H求导即可得到直射型激光三角法的分辨力表达式:

（6）

整理得：

（7）

此时

表示为CCD的像元尺寸，分析上式可知，当γ一定时，α越大，分子变小同时分母变大，H前面的系数就变小，H的值也变小，也就是说分辨率变高了;反之，γ一定时，α越小，分辨率越低。

本系统中α设计角度接近90°，系统分辨率较双光路激光三角法更大。

由光路的可逆性和折射定律、反射定律中光线方向的确定性，可得出每一个物点对应唯一的一个像点，也就是说CCD的位置是唯一的，由于散斑效应，当被测物很薄时，图像探测器上的两光斑间距将很小甚至彼此相连，难以得到两光斑中心的距离，本系统中，通过在孔径光阑后方加入一片平面玻璃，用来改变光线传播方向，入射光束进入平面玻璃内部发生折射后沿平行于入射方向继续传播，当平面玻璃呈一定角度放置时，出射点的位置向平面玻璃边沿方向发生移动，这样，CCD像面上的成像光斑也同方向的随之移动一定距离，如图7所示。

这样就扩大了成像光斑的距离，使系统对于很薄的被测物也能得到两个彼此分离的光斑。

Fig．7Schemesofimagedeflection

3.图像处理部分

3.1图像预处理

图像探测器采用北京微视新纪元有限公司生产的型号为MVC3000F的CCD。

像元尺寸为3.2μm×3.2μm，采集幅面为2048×1536。

选用华科激光型号为DD635-1-3的半导体激光器为光源，其光斑直径在焦平面处最小尺寸为0.15mm，1∶1成像后成像光斑最大宽度约为45个像元尺寸大小。

为提高处理速度，相机采集幅面截取为2048×768。

采集到1幅图片后，首先利用阈值法确定是否有光斑存在，若存在且为两个光斑则将灰度值按列方向进行投影，找到峰值对应的横坐标，截取峰值横坐标左右一定区域作为光斑目标区域进行找中心处理。

为降低背景噪声的影响，对目标区域进行均值滤波处理，消除孤立噪声点的影响，同时通过阈值分割将目标区域的背景灰度置为0，减小背景灰度对光斑找中心的影响，然后利用重心法求取两光斑中心并计算两光斑间距。

图像处理流程图如图8所示。

Fig．8Imageprocessingflowchart

3.2阈值的确定

阈值分割是对灰度图像选取一个合适的阈值，以确定每一个像素点是属于目标区域还是背景区域。

常用的阈值计算法有直方图法、Ostu法、最小误差法、均匀化误差法、最大熵法和概率松弛法等。

本系统采用阈值分割法进行图像预处理，选取原点处长宽为100×100个像元大小的区域灰度平均值作为阈值

f（i，j）为（i，j）点的灰度值。

然后将目标区域中灰度值小于阈值的点全部置为0，以减小背景灰度对光斑求重心的影响。

3.3厚度计算

图像预处理完毕后，计算左右光斑重心的横坐标，并在重心处画十字丝标定，如图9所示。

Fig．9Experimentalpicture

重心横坐标表达式为：

（8）

式中，m，n，p，q分别为目标区域左右边界的横坐标和上下边界的纵坐标;G（i，j）是坐标为（i，j）处的灰度值。

计算沿x轴方向两重心之间的像素个数N=（X2－X1）作为两光斑距离。

通过标定实验可得到像素个数与测量厚度之间的函数关系式H=f（N），将实时测得的像素个数带入该函数表达式，即可得出被测物的厚度值。

4.结论

所提出的单镜头激光三角法测厚系统实现了薄板厚度的测量，进一步拓展了激光三角法在厚度测量上的应用。

单镜头激光三角法测厚系统的建立，消除了双光路激光三角法上下测量系统难以同步的问题。

光学设计中平面玻璃的引用，提高了设备对超薄物体的测量能力。

激光器光束轴心线与成像透镜光轴的夹角比双光路激光三角法更大，该系统具有比已有激光测厚设备更大的分辨率。

以不同厚度塞尺为被测物建立标定实验对系统精度进行验证，并利用最小二乘法拟合标定数据得到标定方程，由实验数据可看出，当厚度在0.02mm～0.3mm之间时，测量误差小于10μm。

本系统测量误差的主要影响因素在于光斑是否严格对中和物面是否保证水平。

最后对该厚度测量方法中的关键技术同步性进行了分析及验证．实验结果表明：

该方法精度高，在保证装配精度的条件下可以将动态测量精度控制在１％以内。

标定实验结果表明，本文中构建的单镜头激光三角法测厚系统测量误差较小、精度较高，具有良好的市场应用前景。

参考文献：

［1］汪琛，赵斌，单镜头激光三角法薄板厚度测量研究［J］，激光技术，2013（２）.

［2］王军红，江虹，毛久兵一种提高激光三角法薄板在线厚度测量精度的方法［J］，激光技术,2011（１１）.

［3］JIAZG，LUZG．Onlinetestingtechnologyofthickness［J］．Instru-

mentationTechnology，2009

（2）:

19-21（inChinese）．

［4］XIONGZhY，ZHAOB．Designofanewlaserthicknessmeasurementinst-rument［J］．LaserTechnology，2011，35（5）:

613-617（inChi-

nese）．

［5］WANGD，ZHAOB．Laserobliqueilluminationmethodformeasuringsteelplatethickness［J］．InfaredandLaserEngineering，2011，40

（10）:

2033-2036（inChinese）．

［6］BAISJ．AlaserthicknessgaugeintheapplicationofHandanironandsteelplate［J］．ShandongMetallurgy，2004，26

（1）:

281-282（inChinese）．