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激光测距的板材厚度在线检测技术研究

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摘要: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。激光测距技术是当前距离和长度测定精度最高的技术之一。利用激光测距技术在板材生产线上动态检测板材的厚度,是一种精度高、安全、快速的非接触实时在线检测技术,并且不会污染环境。同时,结合使用CCD等光电探测器件,将光电信号转化为电信号,进行数据的进一步处理和利用。测量数据及时反馈给生产控制系统,准确高质量的进行板材厚度的控制,对钢铁工业生产及自动化技术的应用有很高的实际价值。

关键词:激光测距;板材厚度;CCD;在线检测

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。比较著名的博世(BOSCH)手持红外测量仪在测量0.05~40米的范围内的能够达到精1.5mm的精度。瑞士徕卡的D810Touch脉冲激光测距仪在测量范围0.05~200米内,实现了精度±10mm。

1.2CCD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(ChargeCoupledDevice)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。

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。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。

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。

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。通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。

作者:冯小雷;崔忠信;杨现良;王海明;田绍鹏 单位:河钢集团钢研总院

激光杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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