基于激光測距的板材厚度在線檢測技術(shù)研究

馮小雷，崔忠信，楊現(xiàn)良，王海明，田紹鵬

（河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北 石家莊 050000）

鋼鐵工業(yè)在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要位置，其中板材帶鋼的軋制是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。在板材鋼的眾多的質(zhì)量指標(biāo)中，其厚度是最直接也是最嚴(yán)格的指標(biāo)之一。因此，板材厚度檢測在鋼鐵生產(chǎn)中具有重要作用，在板材生產(chǎn)過程中需要精準(zhǔn)的板材厚度測量控制系統(tǒng)。由于鋼鐵生產(chǎn)的特殊性，需要使用非接觸測量技術(shù)。根據(jù)檢測原理分類，目前應(yīng)用在國內(nèi)外生產(chǎn)線上的板材厚度檢測技術(shù)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?qū)崿F(xiàn)快速測量，應(yīng)用較為廣泛，但射線對人體有害，且污染環(huán)境；超聲波測厚儀由于只能在靜態(tài)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(shù)及光電技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用激光技術(shù)的非接觸測厚儀逐步發(fā)展起來。激光被應(yīng)用于距離測量，除了因?yàn)楝F(xiàn)在光電技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路技術(shù)的進(jìn)步外，還因?yàn)榧す饩哂辛炼雀撸芰扛叨燃校较蛐院茫子谶M(jìn)行傳輸和控制；同時(shí)因?yàn)榧す馐且环N特定波長的電磁波，集中在狹小的光譜波段或頻率范圍內(nèi)，這一特點(diǎn)有效的減少了雜光干擾，提高了信噪比，提高了測量精度。當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用使得板材的厚度測量方法不斷改進(jìn)，測量精度進(jìn)一步提高。

1 激光測距技術(shù)

1.1 激光技術(shù)

激光測距技術(shù)最主要應(yīng)用在物體的長度、形狀及表面輪廓的相關(guān)測量，能夠?yàn)楫a(chǎn)品的制作過程設(shè)計(jì)優(yōu)化檢測控制等提供高精度三維結(jié)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(nèi)的能夠達(dá)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(nèi)，實(shí)現(xiàn)了精度±10mm。

1.2 CCD 信號采集轉(zhuǎn)換器件

CCD技術(shù)是20世紀(jì)70年代美國科學(xué)家發(fā)明的一種電荷耦合器件。經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器已經(jīng)普遍應(yīng)用在眾多領(lǐng)域中。例如在貼近生活的數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等都是應(yīng)用了CCD圖像傳感器這個(gè)關(guān)鍵部件，在天文觀測領(lǐng)域，宇宙射線的檢測采集分析，都在使用CCD光電轉(zhuǎn)換器件，進(jìn)行光信號的轉(zhuǎn)變。CCD芯片利用物理的光電效應(yīng)，獲取一定波段范圍內(nèi)的光信號。通過把曝光時(shí)間內(nèi)接收到的入射光敏面上的光子，利用內(nèi)部光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電子，從而實(shí)現(xiàn)光信號的測量電子化，再通過電子線路對電子信號進(jìn)行分析處理。CCD芯片的關(guān)鍵性能影響因素主要包括：信噪比、量子效率、響應(yīng)度、暗信號非均勻度、動(dòng)態(tài)范圍、光子響應(yīng)非均勻度、暗電流、非線性度誤差、雙倍溫度常數(shù)等。

1.3 激光測距原理分析

利用激光技術(shù)結(jié)合CCD芯片進(jìn)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(shù)，激光發(fā)射儀以固定的角度發(fā)射出激光束斜射在待測鋼板的側(cè)面，鋼板反射的光束反射在CCD器件上，通過計(jì)算CCD器件上光斑像點(diǎn)的位移量X，結(jié)合三角形相似原理，再經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算，則可得到距離D的數(shù)據(jù)。利用激光和CCD芯片測量距離的計(jì)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(jì)算過程如下：設(shè)入射光線與被測表面法線的夾角設(shè)為θ，成像光路光軸與被測表面法線的夾角設(shè)為α，CCD的像面與被測鋼板平行。設(shè)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(dòng)，光點(diǎn)的位置發(fā)生了變化，設(shè)變化量為X，根據(jù)物像關(guān)系以及相似三角形關(guān)系可以得到：

進(jìn)而可以得到：

數(shù)據(jù)D即為所求的距離值。利用激光測距的優(yōu)勢是測量不受板材材質(zhì)、溫度等的影響，測量精度高。

2 板材厚度測量系統(tǒng)

2.1 厚度測量系統(tǒng)原理

由于板材通常處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而不是靜止?fàn)顟B(tài)下測量其厚度，于是分析探討結(jié)合差值測量板材厚度方法。整套系統(tǒng)使用上、下兩個(gè)相互獨(dú)立測量系統(tǒng)，確定測量的假定參考基準(zhǔn)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(jì)算分析出距離數(shù)值與參考基準(zhǔn)面相差的長度距離D1及D2，并通過相關(guān)計(jì)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(jìn)行安裝，并進(jìn)行校訂。測厚儀工作時(shí)激光器1發(fā)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(nèi)，反射的光斑被激光器內(nèi)的CCD芯片吸收，通過對CCD芯片上光斑的位置進(jìn)行分析計(jì)算，就可以得到激光器1到被測鋼板上表面的實(shí)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(gè)激光器測頭之間的恒定距離D減去兩個(gè)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(tǒng)，彌補(bǔ)了單激光檢測時(shí)板材的震動(dòng)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(tǒng)

板材厚度測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4。測厚儀主要由車體、車輪、行走電機(jī)、C形架、活動(dòng)支板、滾珠絲杠、副步進(jìn)電機(jī)、直線導(dǎo)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本激光測厚儀的優(yōu)點(diǎn)在于它是非接觸測量，不會(huì)因?yàn)槟p而損失精度，尤其適用于在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行多點(diǎn)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(shí)，測距傳感器安裝在可自動(dòng)調(diào)整位置的C形支架上，能實(shí)現(xiàn)任意位置的厚度測量。

3 測量結(jié)果分析及誤差分析

3.1 測量結(jié)果分析

利用板材厚度檢測儀進(jìn)行鋼板厚度檢測試驗(yàn)，測得的數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。通過鋼板的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測得板材厚度值范圍在2.40～2.41mm，檢測結(jié)果波動(dòng)在控制范圍以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖5 實(shí)驗(yàn)測量連續(xù)數(shù)據(jù)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(tǒng)誤差。主要是由發(fā)射系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、元器件在高頻環(huán)境下的穩(wěn)定性、晶振的頻率穩(wěn)定度、相位計(jì)算和接收器件隨光強(qiáng)不同的非線性等因素造成。另外，環(huán)境的干擾也會(huì)產(chǎn)生誤差，例如激光在空氣中傳播時(shí)，由于受介質(zhì)、氣壓、溫度、濕度的影響，傳播速度會(huì)有一定的變化。