激光三角法板材在線測厚系統設計

1　引　言
　　對板材在線檢測，目前國內大多數廠家采用射線法，該方法的優點是快速非接觸連續測量，精度不受被測物體彈跳、移動影響，誤差可以達到小于待測物厚度的±1％。主要缺點是射線會對人體造成傷害，射線也污染環境。
　　三角法是一種成像法，測量精度很高，測量重復性好，可達10μm左右。該方法的特點是遠距離與較高的速度和精度相結合，測量點小，適用范圍廣，不受被測材料的限制，對大多數不透明的物體都可以適用，近年來該方法用于測量位移、厚度，在國內很受重視。
2　測量原理
　　用一束激光照射到被測物面上，由物體表面散射光成像，通過光電傳感器CCD（電荷耦合器件）將像信號轉換為電信號測出其像點位置。物面移動時，因像點相應移動，由此即可求出位移量。在檢測過程中，用激光上下表面雙三角法，準確地測量運動物體的厚度。
　　圖1中do和di分別為參考點處的物距和像距；α是散射光接收角；θ是成像角；x是物位移；x′是像位移；d為上下兩參考面之間的距離。
　　根據公式：

可求出x1，x2；再根據待測物體厚度為x1＋x2＋d，可求出物體的厚度。
　　激光三角法測厚由于其所用激光束徑為幾十μm，故可對物體進行點測厚，這是射線法對面測厚所不能做到的。另外，激光是可見光，易調試。

3　硬件設計
3．1　探頭設計
　　激光器采用與CCD光敏光源相匹配的5mW He－Ne激光器，由于該激光器工作壽命可長達5萬小時且功率高，這樣就能使探測口開小一些，也即光闌口徑小一些，使背景光的信號弱。

　　光學透鏡采用f＝60mm，物距、像距都約在120mm，使測量點在光軸附近，若測量范圍大時，d取得大些。
3．2　數據采集及接口設計
　　CCD線陣（1024個像素，間距14μm）及其驅動電路板探頭內，該電路板上自帶A／D轉換、緩存器和RS485通訊口（傳送數據的波特率為38．4Kbps）。RS485－RS232通訊轉換模塊及微機在監控室，數據傳輸線采用屏蔽電纜且屏蔽層接地，以消除外界干擾信號的串入。

　　兩塊CCD采用同步時鐘同時采樣，上一路信號送主機，下一路信號送從機。從機對采集來的數據進行分析處理得到下位移x2，然后送主機。雖然從機功能簡單，也要用奔騰機，要滿足數據處理的高速度（與主機匹配）及采集和發送數據的高波特率；系統標定的參數由于熱脹冷縮及不小心碰撞會發生變化，再次標定參數很方便，直接接上顯示器調用標定參數子程序即可；微機的價格現在已很便宜。
4　系統軟件設計
　　首先通過軟件設置CCD的光積分時間，在內存中開辟出1024×8位的存儲區供采集來的數據緩存用。主從機各自讀COM1口數據，進行閾值二值化處理，然后根據求中點得出像的位置z1、z2，再根據各自像上零點位置z0、z0′求出像位置x′1、x′2，x′1＝（z1－z0）×14μm，x′2＝（z2－z0′）×14μm。根據標定好的系統參數求出x1、x2，從機把數據x2通過COM2口送主機，主機采得從機數據后得到板材厚度h。然后主機保存該厚度、判斷厚度是否正常，若正常則重新采集數據，若不正常則報警，然后去采集數據。主機、從機系統軟件流程圖略。
5　結束語
　　該板材在線測厚系統的精度為20μm，測量重復性好，抗干擾性好。由于數據采集用串行口通訊，每秒采樣4個點。