基于激光測距的板材厚度在線檢測技術研究

馮小雷，崔忠信，楊現良，王海明，田紹鵬

（河鋼集團鋼研總院，河北 石家莊 050000）

鋼鐵工業在整個國民經濟中占據重要位置，其中板材帶鋼的軋制是鋼鐵工業生產過程中的重要環節。在板材鋼的眾多的質量指標中，其厚度是最直接也是最嚴格的指標之一。因此，板材厚度檢測在鋼鐵生產中具有重要作用，在板材生產過程中需要精準的板材厚度測量控制系統。由于鋼鐵生產的特殊性，需要使用非接觸測量技術。根據檢測原理分類，目前應用在國內外生產線上的板材厚度檢測技術主要有：射線測厚儀，超聲波測厚儀，激光測厚儀等。射線法測厚儀測量精度高，能夠實現快速測量，應用較為廣泛，但射線對人體有害，且污染環境；超聲波測厚儀由于只能在靜態工況下測量板材的厚度，因此使用范圍較小。近年來，隨著激光技術及光電技術的發展，應用激光技術的非接觸測厚儀逐步發展起來。激光被應用于距離測量，除了因為現在光電技術的發展，數字電路技術的進步外，還因為激光具有亮度高，能量高度集中，方向性好，易于進行傳輸和控制；同時因為激光是一種特定波長的電磁波，集中在狹小的光譜波段或頻率范圍內，這一特點有效的減少了雜光干擾，提高了信噪比，提高了測量精度。當代先進技術的應用使得板材的厚度測量方法不斷改進，測量精度進一步提高。

1 激光測距技術

1.1 激光技術

激光測距技術最主要應用在物體的長度、形狀及表面輪廓的相關測量，能夠為產品的制作過程設計優化檢測控制等提供高精度三維結果，其中的長度是最重要的測量方面。比較著名的博世（BOSCH）手持紅外測量儀在測量0.05～40米的范圍內的能夠達到精1.5mm的精度。瑞士徠卡的D810 Touch 脈沖激光測距儀在測量范圍 0.05～200米內，實現了精度±10mm。

1.2 CCD 信號采集轉換器件

CCD技術是20世紀70年代美國科學家發明的一種電荷耦合器件。經過幾十年的飛速發展，CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器已經普遍應用在眾多領域中。例如在貼近生活的數碼相機、攝像機等都是應用了CCD圖像傳感器這個關鍵部件，在天文觀測領域，宇宙射線的檢測采集分析，都在使用CCD光電轉換器件，進行光信號的轉變。CCD芯片利用物理的光電效應，獲取一定波段范圍內的光信號。通過把曝光時間內接收到的入射光敏面上的光子，利用內部光電效應轉化為電子，從而實現光信號的測量電子化，再通過電子線路對電子信號進行分析處理。CCD芯片的關鍵性能影響因素主要包括：信噪比、量子效率、響應度、暗信號非均勻度、動態范圍、光子響應非均勻度、暗電流、非線性度誤差、雙倍溫度常數等。

1.3 激光測距原理分析

利用激光技術結合CCD芯片進行距離的測量，原理如圖1所示。

如圖可見，距離D為待測的距離參數，激光發射儀以固定的角度發射出激光束斜射在待測鋼板的側面，鋼板反射的光束反射在CCD器件上，通過計算CCD器件上光斑像點的位移量X，結合三角形相似原理，再經過數學運算，則可得到距離D的數據。利用激光和CCD芯片測量距離的計算示意圖如圖2所示。

圖1 激光測距原理圖

圖2 激光測距示意圖

計算過程如下：設入射光線與被測表面法線的夾角設為θ，成像光路光軸與被測表面法線的夾角設為α，CCD的像面與被測鋼板平行。設成像物鏡的焦距為f，物距為L，像為L’。

由于物體在左右方向上移動，光點的位置發生了變化，設變化量為X，根據物像關系以及相似三角形關系可以得到：

進而可以得到：

數據D即為所求的距離值。利用激光測距的優勢是測量不受板材材質、溫度等的影響，測量精度高。

2 板材厚度測量系統

2.1 厚度測量系統原理

由于板材通常處于運動狀態而不是靜止狀態下測量其厚度，于是分析探討結合差值測量板材厚度方法。整套系統使用上、下兩個相互獨立測量系統，確定測量的假定參考基準平面，也就是鋼板的平面。通過激光束測量板材上表面以及板材下表面反射距離，計算分析出距離數值與參考基準面相差的長度距離D1及D2，并通過相關計算來得出板材的厚度H。如圖3所示。

圖3中激光器1和激光器2以固定間距D進行安裝，并進行校訂。測厚儀工作時激光器1發射一束激光照射被測鋼板的上表面上，鋼板上表面反射的激光再返回到激光器1內，反射的光斑被激光器內的CCD芯片吸收，通過對CCD芯片上光斑的位置進行分析計算，就可以得到激光器1到被測鋼板上表面的實際距離D1；同理可以得到激光器2到被測鋼板下表面的距離D2。利用兩個激光器測頭之間的恒定距離D減去兩個激光器測頭到被測物上下表面的距離D1和D2，即可得到被測鋼板的厚度H。

圖3 板材厚度測量原理圖

該方法使用兩套檢測系統，彌補了單激光檢測時板材的震動或偏移引起的檢測誤差，得到較高精度的檢測值。

2.2 板材厚度測量系統

板材厚度測量系統整體結構如圖4。測厚儀主要由車體、車輪、行走電機、C形架、活動支板、滾珠絲杠、副步進電機、直線導軌副、激光測頭（激光位移傳感器）等部分組成。

圖4 板材厚度檢測儀系統結構圖

本激光測厚儀的優點在于它是非接觸測量，不會因為磨損而損失精度，尤其適用于在運動中進行多點測量。而且，相對于超聲波測厚儀精度更高，相對X射線測厚儀沒有輻射污染。同時，測距傳感器安裝在可自動調整位置的C形支架上，能實現任意位置的厚度測量。

3 測量結果分析及誤差分析

3.1 測量結果分析

利用板材厚度檢測儀進行鋼板厚度檢測試驗，測得的數據曲線如圖5所示。通過鋼板的厚度數據進行分析，測得板材厚度值范圍在2.40～2.41mm，檢測結果波動在控制范圍以內，達到了預期的效果。

圖5 實驗測量連續數據曲線

3.2 測量誤差

基于激光測距的測厚儀誤差來源主要為系統誤差。主要是由發射系統的響應時間、元器件在高頻環境下的穩定性、晶振的頻率穩定度、相位計算和接收器件隨光強不同的非線性等因素造成。另外，環境的干擾也會產生誤差，例如激光在空氣中傳播時，由于受介質、氣壓、溫度、濕度的影響，傳播速度會有一定的變化。