基于激光测距的板材厚度在线检测技术研究

基于激光测距的板材厚度在线检测技术研究
作者：冯小雷；崔忠信；杨现良；王海明；田绍鹏





       钢铁工业在整个国民经济中占据重要位置，其中板材带钢的轧制是钢铁工业生产过程中的重要环节。在板材钢的众多的质量指标中，其厚度是最直接也是最严格的指标之一。因此，板材厚度检测在钢铁生产中具有重要作用，在板材生产过程中需要精准的板材厚度测量控制系统。由于钢铁生产的特殊性，需要使用非接触测量技术。根据检测原理分类，目前应用在国内外生产线上的板材厚度检测技术主要有：射线测厚仪，超声波测厚仪，激光测厚仪等。射线法测厚仪测量精度高，能够实现快速测量，应用较为广泛，但射线对人体有害，且污染环境；超声波测厚仪由于只能在静态工况下测量板材的厚度，因此使用范围较小。近年来，随着激光技术及光电技术的发展，应用激光技术的非接触测厚仪逐步发展起来。激光测距仪被应用于距离测量，除了因为现在光电技术的发展，数字电路技术的进步外，还因为激光具有亮度高，能量高度集中，方向性好，易于进行传输和控制；同时因为激光是一种特定波长的电磁波，集中在狭小的光谱波段或频率范围内，这一特点有效的减少了杂光干扰，提高了信噪比，提高了测量精度。当代先进技术的应用使得板材的厚度测量方法不断改进，测量精度进一步提高。

1、激光测距技术

1.1激光技术

       激光测距技术最主要应用在物体的长度、形状及表面轮廓的相关测量，能够为产品的制作过程设计优化检测控制等提供高精度三维结果，其中的长度是最重要的测量方面。比较著名的迪马斯（Dimetix）激光测距仪在测量范围0-500米内，实现了精度 ±1mm。

1.2  CCD 信号采集转换器件

       CCD 技术是 20 世纪 70 年代美国科学家发明的一种电荷耦合器件。经过几十年的飞速发展，CCD（Charge Coupled Device）图像传感器已经普遍应用在众多领域中。例如在贴近生活的数码相机、摄像机等都是应用了CCD 图像传感器这个关键部件，在天文观测领域，宇宙射线的检测采集分析，都在使用 CCD 光电转换器件，进行光信号的转变。CCD 芯片利用物理的光电效应，获取一定波段范围内的光信号。通过把曝光时间内接收到的入射光敏面上的光子，利用内部光电效应转化为电子，从而实现光信号的测量电子化，再通过电子线路对电子信号进行分析处理。CCD 芯片的关键性能影响因素主要包括：信噪比、量子效率、响应度、暗信号非均匀度、动态范围、光子响应非均匀度、暗电流、非线性度误差、双倍温度常数等。

1.3  激光测距原理分析

       利用激光技术结合 CCD 芯片进行距离的测量。距离 D为待测的距离参数，激光发射仪以固定的角度发射出激光束斜射在待测钢板的侧面，钢板反射的光束反射在CCD 器件上，通过计算 CCD 器件上光斑像点的位移量 X，结合三角形相似原理，再经过离 D 的数据。利用激光和 CCD 芯片测量距离的计算。

       计算过程如下：设入射光线与被测表面法线的夹角设为 θ，成像光路光轴与被测表面法线的夹角设为α， CCD 的像面与被测钢板平行。设成像物镜的焦距为 f，物距为 L，像为 L’。右方向上移动，光点的位置发生了变化，设变化量为 X，根据物像关系以及相似三角形关系可以得到利用激光测距的优势是测量不受板材材质、温度等的影响，测量精度高。

2、板材厚度测量系统

2.1厚度测量系统原理

       由于板材通常处于运动状态而不是静止状态下测量其厚度，于是分析探讨结合差值测量板材厚度方法。整套系统使用上、下两个相互独立测量系统，确定测量的假定参考基准平面，也就是钢板的平面。通过激光束测量板材上表面以及板材下表面反射距离，计算分析出距离数值与参考基准面相差的长度距离 D1 及D2，并通过相关计算来得出板材的厚度 H。激光器 1 和激光器 2 以固定间距 D进行安装，并进行校订。测厚仪工作时激光器 1发射一束激光照射被测钢板的上表面上，钢板上表面反射的激光再返回到激光器 1 内，反射的光斑被激光器内的CCD 芯片吸收，通过对 CCD 芯片上光斑的位置进行分析计算，就可以得到激光器 1 到被测钢板上表面的实际距离 D1；同理可以得到激光器 2 到被测钢板下表面的距离 D2。利用两个激光器测头之间的恒定距离 D 减去两个激光器测头到被测物上下表面的距离 D1 和D2，即可得到被测钢板的厚度 H。H=DD?12?D该方法使用两套检测系统，弥补了单激光检测时板材的震动或偏移引起的检测误差，得到较高精度的检测值。

2.2 板材厚度测量系统

       板材厚度测量系统整体结构如图 4。测厚仪主要由车体、车轮、行走电机、C 形架、活动支板、滚珠丝杠、副步进电机、直线导轨副、激光测头（激光位移传感器）等部分组成。本激光测厚仪的优点在于它是非接触测量，不会因为磨损而损失精度，尤其适用于在运动中进行多点测量。而且，相对于超声波测厚仪精度更高，相对 X 射线测厚仪没有辐射污染。同时，测距传感器安装在可自动调整位置的C形支架上，能实现任意位置的厚度测量。

3、测量结果分析及误差分析

3.1 测量结果分析

       利用板材厚度检测仪进行钢板厚度检测试验，过钢板的厚度数据进行分析，测得板材厚度值范围在 2.40-2.41mm，检测结果波动在控制范围以内，达到了预期的效果。

3.2  测量误差

       基于激光测距的测厚仪误差来源主要为系统误差。主要是由发射系统的响应时间、元器件在高频环境下的稳定性、晶振的频率稳定度、相位计算和接收器件随光强不同的非线性等因素造成。另外，环境的干扰也会产生误差，例如激光在空气中传播时，由于受介质、气压、温度、湿度的影响，传播速度会有一定的变化。






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