基于線陣CCD的光電玻璃測厚方法研究

蘭羽，周茜

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

目前，國內的大多數玻璃生產廠家采用傳統的人工測量玻璃厚度，在對于一些高要求玻璃制品測量很難達到高精度，實時監控的目的，而采用激光測量結合光電檢測技術，能做到實時檢測的非接觸型測量法還較少，且大多成本較高[1-3]。隨著光電檢測技術的發展，各種光學測量方法不斷涌現，應用光學方法測量玻璃厚度的理論和設備慢慢出現，本課題針對各種玻璃制品，采用CCD傳感器作為光電檢測器件，研究激光檢測玻璃厚度的方法。

1 線陣CCD光電傳感器

電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）是在 MOS集成電路技術基礎上發展起來的，具有光電轉換、信息存貯和傳輸等功能，具有集成度高、功耗小、結構簡單、壽命長、性能穩定等優點。一個完整的CCD器件由光敏源、轉移柵、移位寄存器等組成。CCD工作時，在設定的積分時間內，光敏元件對光信號進行取樣，將光的強弱轉換為各光敏元的電荷量。取樣后，各光敏元的電荷在轉移柵信號驅動下，轉移到CCD內部的移位寄存器相應單元中。移位寄存器在驅動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉移到輸出端由信號處理設備完成對信號的處理。

圖1 線陣CCD外形Fig.1 Linear array CCD profile

2 光電玻璃測厚方法

2.1 透射式測量方法

一種典型的采用激光透射原理的測量方法如圖3所示，其利用透射玻璃過程中光產生折射的方法進行厚度測量。該方法是將被測物體放置于光源和光電元件之間，恒光源發出的光在透過被測物體時，光電元件接收該光信號并進行光電轉換，再經處理得到被測玻璃的厚度信息。

圖2 線陣CCD內部原理框圖Fig.2 Line array the ccd internal block diagram

圖3 一種激光透射式玻璃厚度測量原理Fig.3 Principle of a laser transmissive measurement of glass thickness

圖3 中，當光線通過厚度為d，折射率為n的平板玻璃時，會產生兩次折射，折射的結果是光線行進的方向沒有改變，但側移了一段距離。如果令平板玻璃折射率為n，光束偏移量為x，光束入射角為θ，入射角及折射角關系，計算得到，平板玻璃厚度d的公式為：

式中：θ為激光束入射角；n為被測玻璃折射率。

測量前先標定 θ和n后，只要測出光束偏移量x，即可得到玻璃厚度d。為了精確測量光束偏移量，系統用線陣CCD接收參考光束及偏移光束位置。由于線陣CCD具有自掃描能力，能將一維空間的光強分布信號轉換為時間序列的電信號，電信號經后續電路處理后獲得與光束偏移量相對應的脈寬，測量出脈寬，即可得到光束偏移量，通過上式，便可得到被測平板玻璃折射率。該方法通過CCD獲得的位移信息，得到玻璃的厚度信息[4]。

方法特征：1）透射方式測量玻璃厚度的方法適合對兩側都有空間的玻璃生產線進行安裝測量，但不適合一邊空間較小的情況；2）在測量過程中激光要以一定的入射角進行入射，所以對角度的要求比較高，角度的誤差對測量的精確度影響較大。

2.2 單激光反射測厚法

單激光反射測厚法的原理如圖4所示：主要是采用光三角理論結合CCD檢測技術[5]。光學三角法是利用一束光照射到被測物體表面，在通過成像觀察鏡觀察反射光的特性參數來得到被測信息。

圖4 單激光反射測厚法的原理Fig.4 Principle of typical reflective measurement of glass thickness

由激光器發出的激光P0，以一定的角度射向玻璃板時，其中一小部分會在玻璃板上表面直接反射出光線P1到CCD感光面上，其反射角A1和入射角A0相等，大部分激光經過空氣-玻璃界面折射出光線P2，P2在下表面全反射后一大部分在玻璃與空氣界面折射出光線P3到CCD感光面上，另一部分在玻璃2空氣界面反射出光線P4，同樣光線P4經玻璃與空氣界面折射出光線P5。容易得出光線P1、光線P3、光線P5平行，3條光線相互距離與玻璃板的厚度成線性關系，實際中通過線陣CCD檢測計算3條光線的垂直距離來測定玻璃板的實際厚度尺寸。

設空氣與玻璃的折射率分別為no、n，光線的入射角為T0，玻璃內部的折射角為 T2，則可以得到式（2）：

在CCD上檢測到的光線P1和光線P5之間的距離D在入射角固定的情況下與玻璃板的實際厚度H是線性的比例關系。若U0=1.00，則二者關系用公式（3）體現為：

測量時通過處理CCD數據得到D的值，從而可得出玻璃厚度H。式（3）可以簡化為：

在實際應用中，通過在線標定獲得a的值。記錄某一時刻的峰間距值D（光線P1和光線P5的距離），在玻璃成型后獲得當時的玻璃厚度H就可以得出標定值a[6]。

方法特點：1）受光學系統的相差、光點的大小、探測器固有的位置、探測器暗電流和外界雜散光的影響。2）受被檢測玻璃的抖動影響。3）受探測器檢測電路的測量準確度和噪聲、電路溫漂系統等主要因素影響。

2.3 雙激光反射測厚法

根據單激光反射測量法的不足，提出一種采用雙激光結合光學三角法的反射測量法如圖5所示：在待測玻璃板兩邊各安置一臺激光的，采用兩個線陣CCD傳感器構成上、下兩個三角量測系統，分別同時測量玻璃帶上下表面的位移，根據兩個線陣CCD傳感器的位移值，計算玻璃帶的厚度。如果欲加強CCD的光量，提高CCD解析度，只需將兩套線陣CCD傳感器合適的傾斜安裝即可，因為由于傳感器的傾斜安裝，則光線也是傾斜入射，所以采集電壓輸出值與實際距離有一個角度關系。

圖5 一種雙激光反射式測厚原理Fig.5 Principle of a dual-laser reflective thickness measurement

由圖5中有公式（5）：

對（5）式中的 x-x1cosα1、x2cosα2以及 x 測定。 實際應用中因玻璃是透明體，為了避免傳感器所發射激光束相互干擾，兩個線陣CCD傳感器在垂直方向裝配時需錯開幾毫米。

方法特點：1）可有效克服傳感器位置偏移、玻璃抖動等因素造成的對玻璃厚度測量的影響[7]。2）受外界環境溫度影響較位嚴重，在退火爐熱端進行測量時，測厚系統必須有冷卻裝置才能正常工作[8]。

3 結束語

文中分析了透射式測厚法、單激光反射式測厚法、雙激光反射式測厚法的原理及性能特征。利用線陣CCD傳感器作為光電轉換器件結合光三角法，采用激光透射式，單激光反射式、雙激光反射式測量玻璃厚度，具有高速度、小型化、高精度、非接觸等優點。其與傳統玻璃測厚方法比較：穩定度、靈敏度及準確度等方面都有了顯著的提高，具有一定應用價值。

[1]蘭羽，盧慶林.激光外差玻璃厚度測量系統檢測電路的設計[J].電子設計工程，2012，20（237）:178-180.LAN Yu，LU Qing-lin.The design of detection circuit system about laser heterodyne glass-thickness measure[J].Electronic Design Engineering，2011，19（9）:178-180.

[2]蘭羽，盧慶林.儀表放大器在激光外差玻璃測厚系統中的應用[J].國外電子測量技術，2012，19（9）:186-187.LAN Yu，LU Qing-lin.The use of instrumentation amplifier in Glass-thickness measure system using laser heterodyne[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2012，19 （9）:186-187.

[3]宋晨，呂岑，郭琪.一種激光外差多普勒玻璃厚度測量方法[J].光子學報，2008，37（8）:1535-1537.SONG Chen，LV Cen，GUO Qi.One method for measuring thickness of glass by using laser heterodyne and doppler[J].Acta Photonica Sinica，2008，37（8）:1535-1537.

[4]趙育良，王偉.基于CCD的航空相機平板玻璃厚度測量系統[J].傳感器技術，2003，22（1）：58-60.ZHAO Yu-liang，WANG Wei.Thickness measuring system of flat glass based on CCD aero-camera[J].Journal of Transducer Technology，2003，22（1）：58-60.

[5]Shukla R P，Udupa D V，Das N C，et al.Mantravadi.Nondestructive thickness measurement of dichromated gelatin filmsdeposited on glass plates[J].Optics&Laser Technology，2006，6（3）：552-557.

[6]劉力雙，張銚，盧慧卿，等.基于CCD的玻璃厚度在線測量系統[J].傳感技術學報，2006，19（6）：652-654.LIU Li-shuang，ZHANG Yao，LU Hui-qing.Online measurement system for glass thickness based on CCD[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2006，19（6）：552-654.

[7]楊剛，崔東印，毛信夢.浮法玻璃激光在線測厚的研究[D].西安：西安交通大學，2001.

[8]王偉，王召巴.基于CCD位移傳感器在玻璃厚度測量時的性能研究[J].儀表技術與傳感器，2006，1（9）：44-45.WANG Wei，WANG Zhao-ba.Capability research of glass thickness detection based on CCD displacement sensor[J].Instrument Technique and Sensor，2006，1（9）：44-45.

[9]孫百紅，周云端.靜力試驗位移測量異常原因分析及推算方法研究[J].火箭推進，2010（5）:59-62.SUN Bai-hong，ZHOU Yun-duan.Cause analysis and computative method of displacement measurement abnormality in static test[J].Journal of Rocket Propulsion,2010（5）:59-62.