基于CCD的激光非接觸式鋼板測厚方法研究

郭 媛，王 娜

(齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006)

0 引言

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著近幾年來世界鋼鐵需求量的增長，保證生產(chǎn)出符合企業(yè)要求的鋼鐵產(chǎn)品，減少廢品率，是鋼鐵企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益降低成本的有效途徑。其中鋼板的尺寸，板型的厚度是衡量鋼鐵質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。如今在中小型企業(yè)中，大多采用人工測厚方法，不僅勞動強(qiáng)度大，而且測量精度低，不能滿足當(dāng)今鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的要求，研制出高效快速的測量方法成為鋼鐵企業(yè)的迫切需求[1-2]。

目前國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)線上使用的非接觸測厚方法[3]主要有射線法、渦流法、電容法和光學(xué)法等[4]。射線法測量精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)快速非接觸測量，因此在現(xiàn)代板厚測量中應(yīng)用廣泛，但射線對人有害，污染環(huán)境[5]。渦流法和電容法測量精度容易受到外界因素如鋼板溫度、測量距離等的影響，同時(shí)對測量環(huán)境要求較高[6]。因此迫切需要研制出快速高效且安全可靠的測量儀器。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用激光來檢測鋼板厚度的非接觸檢測方法應(yīng)運(yùn)而生[7]。

文中根據(jù)冷軋鋼板的生產(chǎn)環(huán)境及測量要求，提出了一種基于線陣CCD的非接觸式雙激光測厚方法[8]。采用兩路激光分別照射鋼板上下表面，用線陣CCD接收圖像信息[9]，并將數(shù)據(jù)信息輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并顯示。將冷軋鋼板厚度信號轉(zhuǎn)化為電信號，保證了測量系統(tǒng)的精度。同時(shí)采用雙路激光進(jìn)行補(bǔ)償檢測的方法，減小或消除了鋼板在檢測過程中由于不規(guī)則振動等外界因素所帶來的測量誤差。

1 鋼鐵測厚儀的原理

系統(tǒng)測量原理如圖1所示。左右兩條虛線表示的是該方法所測鋼板的測量范圍D.如果鋼板的厚度超出這個(gè)范圍，則不能進(jìn)行測量。系統(tǒng)左右兩邊對稱。當(dāng)鋼板進(jìn)入測量區(qū)域后，左右兩激光發(fā)射儀以相同的角度發(fā)射出激光束斜射在鋼板兩側(cè)，鋼板將反射光反射在CCD上，計(jì)算CCD器件上光斑像點(diǎn)的位移量X，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，則可得到D1和D2的大小。因?yàn)閮蛇厡ΨQ，以其中一側(cè)作為參考進(jìn)行計(jì)算，如圖2，具體計(jì)算過程如下：設(shè)入射光與被測表面法線的夾角為θ，成像光路光軸與被測表面法線的夾角為α，線陣CCD的像面平行于被測鋼板。設(shè)成像物鏡的焦距為f，物距為L，像距為L′，當(dāng)物體在左右方向上移動后，光點(diǎn)的位置發(fā)生了變化，變化量為X，根據(jù)物像關(guān)系及相似三角形可以得到：

圖1 鋼板測厚原理圖——俯視圖

(1)

由此可以獲得：

(2)

圖2 測厚示意圖

由式(2)可以推算出：

(3)

式中：X1，X2分別為CCD1和CCD2上光斑的位移量。

則所求被測鋼板的厚度為：

(4)

此測量方法的好處是測量不受板材溫度、材質(zhì)等的影響，大大提高了測量精度。同時(shí)彌補(bǔ)了單激光檢測時(shí)，由于鋼板在檢測過程中出現(xiàn)的振動或偏移現(xiàn)象引起的檢測誤差。

在檢測時(shí)，在導(dǎo)軌上安裝與器件位置相對應(yīng)的支架，同時(shí)安裝由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的傳送帶。被測鋼板水平放置在傳送帶上隨傳送帶一起移動。設(shè)計(jì)硬件電路控制步進(jìn)電機(jī)的啟動和暫停。當(dāng)被測鋼板進(jìn)入檢測區(qū)域后，步進(jìn)電機(jī)停止，檢測系統(tǒng)開始工作，檢測完成后，步進(jìn)電機(jī)重新啟動，鋼板進(jìn)入下一個(gè)測量點(diǎn)，直到被測鋼板跟隨傳送帶移動到檢測區(qū)域外。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與補(bǔ)償

2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 檢測系統(tǒng)的組成

根據(jù)奈奎斯特定理，如果已知圖像的最大空間頻率，則CCD極限分辨率應(yīng)為圖像最大空間頻率的2倍。CCD的像元尺寸為11 μm，則在像面的空間頻率為1/11，與之相對應(yīng)的圖像空間頻率為0．51/11=1/22，圖像空間尺寸為22 μm，系統(tǒng)的測量精度為10 μm，則采用的光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)應(yīng)為2．2。

CCD型號的選擇與被測物體的厚度和測量精度有關(guān)。該系統(tǒng)被測物體的厚度變化范圍是2～8 mm，在滿足測量范圍的條件下采用放大倍數(shù)為3的光學(xué)系統(tǒng)。裝置測量精度為0．01 mm，則在像面上的對應(yīng)精度為0．03 mm.

2．2 系統(tǒng)補(bǔ)償

由于激光束斜射，在CCD像面上所形成的光斑為圓斑。在線陣CCD不出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象下，精確判斷光斑像的中心位置是提高測量精度的關(guān)鍵。將輸出信號經(jīng)二值化處理，獲得前沿和后沿值，則中心位置=0．5×(前沿值+后沿值)。但這樣找到的中心位置，會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差可以通過標(biāo)定的方法得到補(bǔ)償。在測量范圍內(nèi)放置實(shí)際厚度為D的標(biāo)準(zhǔn)鋼板。通過該系統(tǒng)測量得到鋼板的測量厚度為D＇.由計(jì)算公式(4)可知，被測厚度與光斑在CCD上的位移有關(guān)，設(shè)ΔX為單個(gè)CCD器件上光斑的位移量，可得：

(5)

設(shè)X表示實(shí)際光斑移動的位移，由式(5)可求出ΔX，由于激光的斜射角度θ，散射角度α和物距L，像距L＇都已知，設(shè)修正系數(shù)：

(6)

則在每次測量中應(yīng)該得到的光斑位移計(jì)算公式為：

(7)

計(jì)算時(shí)應(yīng)將光斑的實(shí)際位移X1，X2代入式(3)，再根據(jù)式(4)，求出被測鋼板的厚度。系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，為使標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)多次計(jì)算補(bǔ)償值，取平均值求出修正系數(shù)，減少單次測量的隨機(jī)誤差。同時(shí)為了保證光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到要求，就必須有相應(yīng)的機(jī)械定位定向，確保照明系統(tǒng)按照特定的角度要求發(fā)射光束，并與光學(xué)接收系統(tǒng)保持一定的位置關(guān)系。

2．3 數(shù)據(jù)處理

CCD信號在經(jīng)過低通濾波和差分放大后，必須進(jìn)行二值化處理才能送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行下一步的計(jì)算。實(shí)現(xiàn)信號二值化的方法很多，有固定閾值法、微分法、比較法提取邊界特征和浮動閾值法。固定閾值法電路簡單，但在某些情況下，由于光源不穩(wěn)定，固定閾值法受到光源變化引起CCD輸出信號幅度變化，會導(dǎo)致測量誤差。當(dāng)誤差大到不能允許時(shí)，就不能采用固定閾值法。微分法實(shí)現(xiàn)電路較復(fù)雜，電路工作不太穩(wěn)定。比較法是以檢測系統(tǒng)中相鄰兩脈沖信號的差值作為邊緣閾值的檢測方法，該方法計(jì)算簡單、電路設(shè)計(jì)清晰，在檢測精度要求不高的情況下是一種好方法。但在對檢測精度要求很高的系統(tǒng)中，該方法很難達(dá)到檢測要求。浮動閾值法是使電壓比較器的閾值電壓隨光源或是CCD輸出信號的變化而變化。能克服光源不穩(wěn)定引起的誤差，電路簡單，工作穩(wěn)定，所以選用浮動閾值法作為CCD輸出信號的二值化方法。二值化電路原理如圖4所示。

圖4中，R1，C1為低通濾波器，IC1為信號放大器，R5，C3，C2構(gòu)成峰值保持電路，IC2為電壓跟隨器，IC3為電壓比較器，R8，R7，R9，R11，T1，C4提供一個(gè)幅值可調(diào)的閾值電壓。

圖4 二值化處理電路

3 實(shí)驗(yàn)

檢測系統(tǒng)可以選用穩(wěn)定性好，輸出的光束的相干性及方向性均很強(qiáng)的氦氖激光器為光源，CCD器件選用TCD1251UD，激光器以30°入射到鋼板上。用4 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋼板在系統(tǒng)標(biāo)定和未標(biāo)定情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與誤差繪制成曲線可得圖5和圖6。

表1 標(biāo)定前后鋼板厚度檢測數(shù)據(jù)結(jié)果 μm

圖5 鋼板厚度曲線圖

圖6 系統(tǒng)標(biāo)定前后鋼板誤差值

由圖5和圖6可看出，系統(tǒng)經(jīng)過標(biāo)定后，測量精度大大提高，鋼板厚度的檢測誤差范圍穩(wěn)定在±10 μm，滿足測量要求。

4 結(jié)束語

雙激光鋼板厚度檢測方法不受鋼板材質(zhì)、溫度的影響，抗電磁干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單。對鋼板厚度的檢測進(jìn)行了系統(tǒng)補(bǔ)償，保證了整個(gè)測量系統(tǒng)的精度；對CCD輸出信號的預(yù)處理等問題的解決，使系統(tǒng)有很好的實(shí)用性。

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