基于激光測厚系統的精度補償技術

郭國，趙慧，王稱，何禮慶

天津輕工職業技術學院機械工程學院 天津 300350

1 序言

某特殊用途大型機械鋁合金網格壁板，其長寬尺寸為5000mm×2500mm，網格壁板厚度范圍為2～20mm。因板材需要較高的強度，且需要控制自身質量，所以設計人員對其厚度精度提出了較高的要求，厚度公差為±0.1mm。但由于板材尺寸較大，測量任務繁重，且精度要求較高，所以對傳統人工手持超聲測厚儀檢測方法提出了較大的挑戰。針對壁板厚度測量問題，引入雙側激光測厚技術，通過在壁板的兩側對稱布置激光測距傳感器，兩傳感器距離值分別與兩傳感器測距值求差，即可得到壁板的厚度值[1]。激光測量模塊配合運動控制裝置，可自動測量壁板的厚度。

激光測厚系統的核心部分是激光測量模塊（見圖1），該模塊由一對激光線輪廓掃描傳感器組成。因產品精度要求較高，所以設計人員對系統的檢測精度提出了較高的要求，系統的靜態誤差（測量模塊與壁板相對靜止時的測量誤差）應控制在±0.02mm以內。

圖1 激光測量模塊

該系統的原理并不復雜，但精度要求較高，在調試系統精度的過程中，存在如下問題：①系統的時間穩定性差，即從傳感器通電開始，隨著時間的推移，測量結果也隨之變化（漂移），需要等待較長的時間，傳感器才能提供穩定的測量數據。②傳感器存在明顯的線性誤差，導致檢測不同厚度的壁板時，測量精度差別較大。針對上述問題，需要對傳感器進行修正補償，提升系統的穩定性和測量精度，以滿足設計要求。

2 系統測厚原理

系統所使用的傳感器為某進口激光線輪廓掃描傳感器，傳感器的工作原理是基于激光三角測距法[2]，光路如圖2所示。

圖2 激光三角測距法光路

該傳感器的組成主要包括激光源、會聚透鏡、接收透鏡、探測器（主要是PSD或CCD）及信號處理控制器等。由激光光源發出的激光經會聚透鏡到達被測產品的表面，其漫反射光經接收透鏡形成光斑，并成像在光電檢測器件（PSD）上。該散射光斑的中心位置由傳感器與被測物體表面之間的距離決定。被測物體表面的位移改變會使光敏元件上成像光點發生位移，而光電檢測器件輸出的電信號與光斑的中心位置有關，通過對光電檢測器件輸出的電信號進行運算處理，就可獲得傳感器與被測物體表面之間的距離信息[3]。假設當物體位于參考面D時，光斑成像于PSD中心位置F處，被測面與參考面相距S時，光斑像點在PSD上的位移為△S，其中△S=FF'。則S為

該傳感器可實時測量與被測物體表面之間的距離。本系統所使用的激光線輪廓掃描傳感器如圖3所示。Z方向為傳感器的測距方向，量程為80～120mm，即傳感器與被測產品之間的距離應控制在Z方向量程內。X方向量程為50mm，即傳感器在X方向掃描測量范圍為50mm的線。

圖3 激光線輪廓掃描傳感器

在被測壁板兩側同時安裝該傳感器，使壁板處于兩傳感器Z方向工作量程內，預先標定兩傳感器的距離L，L與兩傳感器的測距值求差值，即可實現壁板厚度的測量。

3 傳感器時間穩定性（漂移）補償

3.1 問題分析

傳感器的時間穩定性較差，即從傳感器通電開始，不同時間對同一產品的同一位置進行測量，測量結果存在較大差異。測量現場為恒溫、無振動環境，排除了外界環境的影響。為了獲得傳感器示值隨時間的變化規律，進行了相關的試驗。

因傳感器Z方向工作量程為80～120mm，需要研究傳感器在全量程內的示值變化規律。從傳感器通電開始，持續跟蹤觀測傳感器Z方向80mm和120mm兩個靜態目標，觀測時長為7200s，分別得到兩組示值變化曲線。以傳感器1為例，所得數據曲線如圖4所示。

圖4 傳感器1示值變化曲線

從圖4中可獲得三點信息：①傳感器從開機通電至6000s，傳感器示值變化量＞0.05mm，若不增加補償措施，此時間段傳感器難以滿足使用要求。②6000s后，兩組數據均趨于穩定，最終數值穩定在±0.001mm以內，可以滿足使用要求。③兩組數據的變化趨勢一致，傳感器在量程范圍內的一致性較好，且穩定狀態下（6000s后），兩組數據的差值為0.0024mm，有利于對傳感器進行補償。

綜上所述，傳感器開機通電后，需要等待6000s才能使用，難以滿足現場使用要求。需要通過增加補償措施，縮短傳感器從通電到穩定狀態所需等待的時長，減小漂移量，提高傳感器的時間穩定性，使傳感器盡快進入穩定工作狀態。

3.2 時間穩定性（漂移）補償

針對傳感器時間穩定性問題，通過硬件和軟件算法相結合的方法進行補償。

（1）補償原理 以傳感器1為例，在傳感器Z方向量程下限位置安裝一個高精度的補償板，傳感器與補償板之間的距離記為Zmin，如圖5所示。該補償板為100mm×50mm的矩形薄板，薄板中間部分均勻去掉90mm×40mm的矩形，保證傳感器工作時，激光線中間40mm可以透過補償板投射到被測產品上，用于測量距離。兩側5mm激光線被補償板阻擋，用于補償[4]。

圖5 補償示意

在傳感器進入穩定工作狀態后（傳感器通電6000s之后），讀取Zmin處補償板的距離值，記為Zref，Zref為Zmin處的參考值。從傳感器開機通電開始，在任意時刻讀取補償板的值為Zcomp，Zmin處該時刻的實時補償值記為△fmin，則

需要注意，在傳感器量程下限Zmin和上限Zmax處，穩定后二者示值存在0.0024mm的偏差量，Zmin處的實時補償值△fmin不能直接用于補償全量程范圍內的誤差值，需要增加補償修正值。為了方便獲得量程內的修正值，此處采用了簡化求法，將0.0024mm在全量程內進行線性化分布處理，作為任意位置的修正值，記為△fmod。用Zobj表示傳感器在任意時刻獲取的壁板測量值，則△fmod為

結合式（2）和式（3），可推算出被測目標在傳感器進行時間穩定性（漂移）補償后的數值Ztime

（2）方案實施 傳感器1和2在Z方向量程下限處增加補償板，如圖6所示。并將式（2）、式（3）和式（4）加入到算法中進行補償，用于改善系統的時間穩定性（漂移）。

圖6 傳感器增加補償板

（3）補償結果 對補償后的測量結果進行驗證，從傳感器1和傳感器2開機通電開始，持續跟蹤觀察某一靜態目標至7000s，兩傳感器的示值變化情況分別如圖7和圖8所示。

圖7 傳感器1示值變化情況

圖8 傳感器2示值變化情況

由圖7和8可知，兩傳感器均在開機通電1200s后進入穩定工作狀態，數據波動量在±0.001mm范圍內。與加入補償之前相比，系統提前了4800s進入穩定階段，取得了不錯的效果。

4 傳感器線性誤差補償

4.1 問題描述

因被測壁板的厚度范圍為2～20mm，且壁板存在彎曲變形等問題，為了保證系統在上述條件下具有較高的精度，要求傳感器在全量程內應具有較好的線性度。

在傳感器穩定工作狀態下（開機通電1200s之后），將被測樣件置于帶有高精度光柵尺（精度2μm/m，分辨率0.001μm）的移動機構上，通過對傳感器1和傳感器2在全量程內進行觀測，并與光柵尺示值對比，分別得到兩傳感器在全量程內的線性誤差，如圖9所示，橫坐標為光柵尺示值，縱坐標為傳感器與光柵示值的偏差值。由圖9可知，兩傳感器在全量程內線性誤差較大，難以滿足使用要求，需要對線性誤差進行補償。

另外，在全量程內對兩個傳感器進行重復測量試驗，兩傳感器的重復測量誤差均＜0.003mm，重復性較好，有利于對傳感器進行線性誤差補償。

4.2 線性誤差補償

（1）補償原理和方法 通過對圖9所示的偏差值數據進行換算，得到傳感器示值與線性誤差補償值的分段函數圖（相鄰兩點之間用直線連接），如圖10所示。圖10橫坐標為傳感器示值，縱坐標為傳感器對應的線性誤差補償值，記為△flin。在傳感器的量程范圍內，對于任意距離的測量值，均可通過圖10函數曲線得到對應的線性誤差補償值△flin。將其加入到算法中進行補償，可以得到線性誤差補償后的測量結果[5]。經過線性誤差補償后的傳感器示值記為Zlin

圖10 傳感器示值與補償值分段函數曲線

（2）線性誤差補償結果 對經過線性誤差補償的傳感器進行測試，與光柵尺示值進行對比，得到兩傳感器在全量程內的線性誤差，如圖11所示。由圖11可知，兩傳感器的偏差值均在±0.006mm以內。

圖11 補償后傳感器線性誤差

5 測量結果評定

5.1 標定兩傳感器的距離值

標定兩傳感器的距離值如圖12所示，將標準樣板置于兩傳感器的中間位置，使標準樣板同時處于兩傳感器Z方向工作量程內。將樣板的厚度與兩傳感器的示值進行求和，獲得兩傳感器的距離值Lcalib=200.102mm。

圖12 標定兩傳感器的距離值

傳感器1和傳感器2經過漂移補償和線性誤差補償后的測量值分別記為Zlin1和Zlin2，則被測壁板的厚度h為

5.2 厚度測量結果評定

在靜態條件下，即傳感器與被測壁板樣件相對靜止時，將樣件置于系統量程內，應用該測厚系統檢測壁板樣件，進行靜態測量試驗[6]，如圖13所示。以開機時間和壁板樣件厚度為變量，獲取多組測量數據，并與三坐標測量機檢測結果進行對比，數據見表1，以驗證系統的穩定性和精度[7]。由表1可知，系統靜態測量誤差控制在±0.018mm以內。

圖13 靜態測量試驗

表1 厚度測量對比數據

6 結束語

本文通過開展傳感器時間穩定性（漂移）補償、線性誤差補償及傳感器距離標定等試驗，縮短了傳感器進入穩定工作狀態所需時長，提高了系統檢測精度。通過開展靜態測量試驗，驗證得測量誤差在±0.018mm以內，滿足設計要求的±0.02mm，取得了理想的效果，為工程技術人員解決此類問題提供了有效的參考。