專利名稱：激光測厚儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于線性尺寸測量技術領域，涉及一種物體厚度測量儀器，稱謂激光測厚儀。該發明適用于任何材料構成的物體厚度的測量，可用于環境較惡劣的生產線上運行速度較高的冷軋或熱軋鋼板的厚度的測量，也可用來識別物體表面的凸凹形狀。
現有技術中較為實用的測量物體厚度的方法有以下幾種1.放射性射線法，該方法是利用對鋼板有穿透能力的放射性射線，如α、β等射線，利用其對鋼板的透射率和鋼板厚度間的定量關系，確定鋼板的厚度。
2.激光束偏轉法，該方法是利用二個光路系統，使激光束勻速偏轉，通過測量激光束從零點(它是予先由激光束某一入射角α和光接收系統光軸方向所確定的點O)偏轉到由像軸在被測物表面上定出的測量點E所需的時間，根據公式d＝ASinγ(t)Cosβ/Sin[α+β+γ(t)]Cosα求出被測物體上(或下)表面到假想零平的距離d，由此可計算出被測物體的厚度;式中α為激光束入射角，β為表征光接收系統像軸位置的角度，γ(t)為激光束從零點掃描到測量點時偏轉的角度，A為激光束偏轉器到假想零平面的距離。
3.探測器位移法，此方法也是利用上、下兩個光路系統，它有兩個激光器，兩個組合式光電二極管作光接收裝置;激光光束垂直向被測物體入射，通過測量激光光束和物體表面交點相對于激光光束通過假想零平面的點之間的距離，即被測物體上或下表面到假想零平面的距離d，根據公式d＝x/cosα得出d的數置，由此可計算出物體的厚度;式中x為相應于兩光點O、B，接收裝置中兩個光電二極管之間的距離，α為激光光束和接收裝置之間的夾角，該方法是利用精密絲杠調節和確定x數值的;這種方法雖是一種利用光電轉換方法的測厚系統，但它是用機械裝置定位的，難以避免機械裝置帶來的缺欠。
以上方法都存在一定缺點，放射性射線法只能對所用射線可穿透的物體進行測量，另外放射性射線對人體有一定危害性;激光束偏轉法的缺點是儀器結構較復雜，可靠性差;探測器位移法由于精密絲杠長期使用容易磨損，造成較大的測量誤差，降低了測量精度。
本發明的目的是提供一種測量精度高、能測量靜態物體厚度也能測量動態物體厚度、能測量處于高速運動的物體的厚度、對被測物的構成材料無限制的激光測厚儀。
本發明提供的激光測厚儀有兩個光路系統，采取激光束垂直入射于被測物表面的方式;該測厚儀除包括兩個激光器、兩個光電轉換裝置以外，還包括一個電荷耦合器件驅動器、兩個視頻信號處理器、一個微機終端處理系統。為了適應高速運動物體的測量，要求較高的測試頻率，本發明采取線陣電荷耦合器件(CCD)攝像系統作光電轉換裝置，被測物表面上的激光光點和其它所需光點成像至線陣電荷耦合器件(CCD)的光敏面上，并將其轉換成所需要的電信號;視頻信號處理器將從攝像系統得到的電信號，取包絡，經放大、平滑處理，經浮動切割形成具有一定寬度的脈沖信號;微機終端處理系統將此脈沖信號用一定頻率的脈沖信號填沖計數，得到相應于物體厚度的數值，由此算出被測物體電荷耦合器件驅動器由石英晶體振蕩器、分頻器、編碼器和驅動器組成;視頻信號處理器由采樣保持器、放大器、低通慮波器和浮動電壓比較器組成。
攝像系統放置的方式使線陣電荷耦合器件(CCD)光敏單元處于激光光束和攝像系統的光軸構成的平面內;攝像系統的光軸和激光光束成之間的夾角范圍為45°～50°。
為消除被測物上下起伏帶來的影響，本發明對上、下光路系統中的攝像系統采取相同的幀同步信號，并適當提高幀同步信號的頻率;為消除隨物距及偏軸改變引起的像斑直徑的影響，以保證此像斑直徑及其變化率最小，將線陣電荷耦合器件(CCD)的光敏面傾斜放置，使其法線與攝像系統的光軸成一定夾角，此角度為5°～20°，從而提高了儀器的測量精度和測量范圍;為減小由儀器振動造成的各部件間的相對位移，各部件都牢固地固定在強度較高的金屬臺上，以保證測量數據的穩定性、準確性。
本發明所提供的激光測厚儀與現有技術相比，具有如下優點測量精度高、測量范圍寬、可對高速運動的物體進行測量、可對任何材料構成的物體進行厚度測量、允許被測物表面處于較高的溫度。該激光測厚儀的主要技術指標是測量范圍0～5mm0～60mm0～1000mm測量精度0.5μm±0.3%H0.1mm±0.3%H0.2mm±0.5%H測量頻率50～500c/s100～1000c/s100～1000c/s測量溫度0～40℃0～900℃0～900℃其中H為被測物體的厚度。
結合
如下圖1-激光束偏轉法光路系統原理2-探測器位移法光路系統原理3-激光測厚儀電信號流程4-線型驅動器電原理框5-激光測厚儀上光路系統軸向剖視6-脈沖信號波形7-激光測厚儀光路系統原理圖其中激光器[1]、光電二極管[2]、偏轉器[3]、被測物上表面[4]、被測物下表面[5]、假想零平面[6]、激光光束壓縮器[7]、線陣電荷耦合器件(CCD)攝像系統[8]、攝像系統光學透鏡[9]、組合式光電二極管[10]、精密絲杠[11]、視頻信號處理器[13]、電荷耦合器件驅動器[14]、微機終端處理系統[15]、被測物[16]，圖6中(a)尺度方波-線陣電荷耦合器件(CCD)輸出整形后的脈沖，(b)同步脈沖-光電荷轉移脈沖，(c)填充計數后的尺度方波，n2為填充脈沖數，(d)填充計數后同步脈沖與尺度方波的時間間隔，n1為填充脈沖數，N＝n1+n2/2(N相應于被測物體表面到假想零平面間的距離)。
如圖5所示，其中線陣電荷耦合器件(CCD)攝像系統[8]與激光器[1]之間的距離為50～2000mm;攝像系統的光軸和激光光束成45°～50°的角度;線陣電荷耦合器件光敏單元的光敏面的法線與攝像系統光軸之間的夾角為5°～20°范圍;圖4的電荷耦合器件驅動器主要由石英晶體振蕩器、分頻器、編碼器和驅動器組成;石英晶體振蕩器產生的主振時鐘脈沖經分頻器、編碼器得到所需的各種形式的脈沖，同時保證各脈沖之間所需的同步關系，并將其中一路脈沖經過隔離級分成二路分別經過二個驅動器同步地驅動上、下光路系統中的線陣電荷耦合器件(CCD)，以保持上、下光路系統光電轉換在時間上的一致性;驅動器的作用是將邏輯門電路(TTL)[17]的電平轉換到所需要的量值;其中主振級[20]、分頻級[21]、與非門[22]、方波發生器[23]、編碼器[24]、驅動器[26]、線陣電荷耦合器件(CCD)[25]、直流穩壓電源[27];圖中R-送至視頻信號處理器的采樣脈沖，SH-送至微機處理系統的同步信號;圖3中的視頻信號處理器由采樣保持器、運算放大器、低通濾波器和浮動電壓比較器組成;視頻信號處理器對光束點像照射產生的電信號，取包絡、放大、平滑處理，經浮動切割，形成形狀整齊、具有一定寬度的脈沖信號，如圖6(a)所示;微機終端處理系統將這個脈沖信號及其與圖6(b)所示的同步脈沖信號的時間間隔，用一定頻率的脈沖信號分別填充計數，得到計數值N，如圖6(c、d)所示。按這種方式逐次檢測出相應于被測物上、下表面位置的上、下光點中心在上、下電荷耦和器件(CCD)光敏面上相對應的位置，分別用N1、N2表示，其數值由下述方式確定。
在使用本發明的激光測厚儀時，首先在測量范圍內確定一個假想零平面(該平面一般是在儀器安裝時就被確定)，并用標準塊規確定一系列與假想零平面間距(d1、d2)已知的上、下平面;分別測得相應的計數值N1、N2，然后建立N1～d1、N2～d2形式的數據表，存入微機的EPROM中。實際測量時，將一定時間內所測得的N11、N12……N1n和N21、N22……N2n值，根據上述數據表，分別進行查表、內插計算，求得被測物體上下表面與假想零平面的間距d11、d12……d1n和d21、d22……d2n，二者之代數和就是被測物體各點的厚度，即Di＝d1i+d2i，被測物體的平均厚度D＝1/nΣi = 1n]]>Di
權利要求
1.一種用于測量物體厚度的激光測厚儀，它有兩個光路系統，包括兩個激光器，兩個光電轉換裝置，其特征在于它有一個電荷耦合器件驅動器、兩個視頻信號處理器、一個微機終端處理系統。
2.根據權利要求1所述的激光測厚儀，其特征在于光電轉換裝置是線陣電荷耦合器件(CCD)攝像系統。
3.根據權利要求1所述的激光測厚儀，其特征在于電荷耦合器件驅動器由石英晶體振蕩器、分頻器、編碼器和驅動器組成。
4.根據權利要求1所述的激光測厚儀，其特征在于視頻信號處理器由采樣保持器、放大器、低通濾波器和浮動電壓比較器組成。
5.根據權利要求2所述的激光測厚儀，其特征在于線陣電荷耦合器件光敏單元在激光光束和攝像系統光軸構成的平面內;攝像系統的光軸和激光光束之間的夾角為45°～50°。
6.根據權利要求5所述的激光測厚儀，其特征在于線陣電荷耦合器件光敏單元的光敏面的法線和攝像系統光軸構成一個角度。
7.根據權利要求6所述的激光測厚儀，其特征在于線陣電荷耦合器件光敏單元的光敏面的法線和攝像系統光軸之間的夾角為5°～20°。
8.根據權利要求2所述的激光測厚儀，其特征在于線陣電荷耦合器件(CCD)攝像系統與激光器之間的距離為50～2000mm。
全文摘要
本發明屬于線性尺寸測量技術領域，涉及一種物體厚度測量儀器，是一種激光測厚儀。該測厚儀包括激光器、視頻信號處理器、微機終端處理系統，為適應高頻率測量條件，本發明采取電荷耦合器件(CCD)攝像系統作光電轉換裝置；該發明便于貯存和顯示測量數據，適用于任何材料構成的物體厚度的測量，測量溫度可達900℃，適用于環境較惡劣的生產線上運行速度較高的冷軋或熱軋鋼板的厚度的測量，也可用于識別物體表面的凸凹形狀。
文檔編號G01B11/06GK1031758SQ8710577
公開日1989年3月15日 申請日期1987年8月26日 優先權日1987年8月26日
發明者陳為民, 卞海洋, 李范春, 劉寶瑛, 杜淑珍, 葛春來, 王子均, 陳乃平, 陳炳生, 夏海青, 張喜先, 樊青海, 劉艷榮, 張華 , 薛寶慶, 劉朝陽, 史錦順, 郭惠敏, 李燕南 申請人:電子工業部第二十七研究所
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