激光三角法板材在線測(cè)厚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1　引　言
　　對(duì)板材在線檢測(cè)，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家采用射線法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是快速非接觸連續(xù)測(cè)量，精度不受被測(cè)物體彈跳、移動(dòng)影響，誤差可以達(dá)到小于待測(cè)物厚度的±1％。主要缺點(diǎn)是射線會(huì)對(duì)人體造成傷害，射線也污染環(huán)境。
　　三角法是一種成像法，測(cè)量精度很高，測(cè)量重復(fù)性好，可達(dá)10μm左右。該方法的特點(diǎn)是遠(yuǎn)距離與較高的速度和精度相結(jié)合，測(cè)量點(diǎn)小，適用范圍廣，不受被測(cè)材料的限制，對(duì)大多數(shù)不透明的物體都可以適用，近年來該方法用于測(cè)量位移、厚度，在國(guó)內(nèi)很受重視。
2　測(cè)量原理
　　用一束激光照射到被測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)測(cè)出其像點(diǎn)位置。物面移動(dòng)時(shí)，因像點(diǎn)相應(yīng)移動(dòng)，由此即可求出位移量。在檢測(cè)過程中，用激光上下表面雙三角法，準(zhǔn)確地測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的厚度。
　　圖1中do和di分別為參考點(diǎn)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(jù)公式：

可求出x1，x2；再根據(jù)待測(cè)物體厚度為x1＋x2＋d，可求出物體的厚度。
　　激光三角法測(cè)厚由于其所用激光束徑為幾十μm，故可對(duì)物體進(jìn)行點(diǎn)測(cè)厚，這是射線法對(duì)面測(cè)厚所不能做到的。另外，激光是可見光，易調(diào)試。

3　硬件設(shè)計(jì)
3．1　探頭設(shè)計(jì)
　　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(zhǎng)達(dá)5萬小時(shí)且功率高，這樣就能使探測(cè)口開小一些，也即光闌口徑小一些，使背景光的信號(hào)弱。

　　光學(xué)透鏡采用f＝60mm，物距、像距都約在120mm，使測(cè)量點(diǎn)在光軸附近，若測(cè)量范圍大時(shí)，d取得大些。
3．2　數(shù)據(jù)采集及接口設(shè)計(jì)
　　CCD線陣（1024個(gè)像素，間距14μm）及其驅(qū)動(dòng)電路板探頭內(nèi)，該電路板上自帶A／D轉(zhuǎn)換、緩存器和RS485通訊口（傳送數(shù)據(jù)的波特率為38．4Kbps）。RS485－RS232通訊轉(zhuǎn)換模塊及微機(jī)在監(jiān)控室，數(shù)據(jù)傳輸線采用屏蔽電纜且屏蔽層接地，以消除外界干擾信號(hào)的串入。

　　兩塊CCD采用同步時(shí)鐘同時(shí)采樣，上一路信號(hào)送主機(jī)，下一路信號(hào)送從機(jī)。從機(jī)對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到下位移x2，然后送主機(jī)。雖然從機(jī)功能簡(jiǎn)單，也要用奔騰機(jī)，要滿足數(shù)據(jù)處理的高速度（與主機(jī)匹配）及采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的高波特率；系統(tǒng)標(biāo)定的參數(shù)由于熱脹冷縮及不小心碰撞會(huì)發(fā)生變化，再次標(biāo)定參數(shù)很方便，直接接上顯示器調(diào)用標(biāo)定參數(shù)子程序即可；微機(jī)的價(jià)格現(xiàn)在已很便宜。
4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　首先通過軟件設(shè)置CCD的光積分時(shí)間，在內(nèi)存中開辟出1024×8位的存儲(chǔ)區(qū)供采集來的數(shù)據(jù)緩存用。主從機(jī)各自讀COM1口數(shù)據(jù)，進(jìn)行閾值二值化處理，然后根據(jù)求中點(diǎn)得出像的位置z1、z2，再根據(jù)各自像上零點(diǎn)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(jù)標(biāo)定好的系統(tǒng)參數(shù)求出x1、x2，從機(jī)把數(shù)據(jù)x2通過COM2口送主機(jī)，主機(jī)采得從機(jī)數(shù)據(jù)后得到板材厚度h。然后主機(jī)保存該厚度、判斷厚度是否正常，若正常則重新采集數(shù)據(jù)，若不正常則報(bào)警，然后去采集數(shù)據(jù)。主機(jī)、從機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖略。
5　結(jié)束語
　　該板材在線測(cè)厚系統(tǒng)的精度為20μm，測(cè)量重復(fù)性好，抗干擾性好。由于數(shù)據(jù)采集用串行口通訊，每秒采樣4個(gè)點(diǎn)。