钢板厚度测试仪(光学系统设计部份).doc

目 录第一章引言 1.1研究背景和意义 1.2国内外研究现状第二章 测量原理和方案论证 2.1 激光非接触厚度测量仪 2.2 CCD摄影数字图像钢板测厚仪 2.3 双麦克尔逊千涉测厚仪第三章 光学系统设计 3.1光源 3.2 照明方式 3.3光学系统部件 3.4 光学系统的组装第四章 精度分析 4.1分配 4.2合成第五章 总结参考文献非接触钢板厚度测试仪 第一章 引言1.1 研究背景和意义 在实际轧制中厚度板材生产过程之中，最常采用的方法为人工用千分尺卡量等方法来测量轧后板材的实际厚度。当然，用人工卡量的方式来测量轧制板材的厚度, 普遍存在着测量精度较差, 测量点少 , 测量速度缓慢等种种缺点。特别是在相对恶劣的现场环境或者一些比较特殊的场景之下, 操作人员用此种方法测量时劳动强度大, 危险性高, 从而导致生产效率受到很大的影响。近年来, 虽然研究与具体实施过很多其它方法, 例如机械测量法、微量元素放射性测量法等,但都不十分理想,不是测量精度太低,就是对环境及人身造成危害,所以就都弃之不用。而我们此次所采用的激光测厚仪的设计,充分考虑到现场的各种环境因素。为了减少温度对机体长度的影响,使用了铁铸造件做机壳；利用石英玻璃窗片,保护窗口内部件以及把测量车体做成“C”型,并使之能在轨道上移动,以利于维护检修。另外,为滤除背景杂波信号在接收镜头前加装滤光镜片。通过实例我们知道：在一些具体的部门和生产车间里，激光测厚仪的安装、调试用了两个星期左右的时间,他们在这当中遇到不少困难。特别是在安装调试时,由于测量车体内空间太小,不便操作,加上在高电压的状态下工作,必须小心谨慎。以及在调试光学系统时,因上下两臂距离较远,给调试工作也带来不少麻烦。从发展历程来看，激光测厚仪是近年来开发出的高科技实用型设备,是用于热轧生产线上实时在线式连续测量成材厚度的非接触式测量设备。它有效地改善了工作环境的制约,具有测量准确、精度高、实用性好、安全可靠、无辐射、非接触式测量等人工测量及其它测量方法无法比拟的优点,并为轧制钢材厚度控制提供了准确的信息,从而提高了生产效率和产品质量,降低了劳动强度。激光测厚仪使用两年多以来,具不完全统计,因板厚误差造成的废品率下降了50%以上,创经济效益近千万元,受到各级部门和工作人员的肯定与赞赏。需要特别指出的是，厚度测量是生产中最常见的测量内容之一。常用量具有游标卡尺或千分尺,这些量具在使用时都必须和工件接触,虽然接触压力不大,但对一些特殊工件,在测量时不允许量具和工件接触,否则会在工件表面上留下压印或划痕。又根据我们本学期所学相关知识，虽然千分尺符合阿贝原则，但原始误差仍然不可避免。此外，游标卡尺的精度（0.02mm）和千分尺的精度（0.01mm）存在差异，在一个就是在具体的使用中存在测量误差（千分尺可能存在斜卡的现象，导致错误测量），还有就是读数误差等（一般情况下千分尺读数比游标卡尺要准确）。 采用激光厚度仪虽然可以方便快速地实现工件厚度的无接触测量,但测量精度不高,难于满足工件的高精度测量要求。另外,当被测点要求很多、所测厚度连续变化、材质是复合的情况下,传统测量方法就受到了限制,要做到高精度的测量就显得更不容易。 困此,可用高精度非接触位移传感器,检测工件表面与测头之间的位移变化所引起的电流变化,利用计算机和所编软件进行数据处理、设定测量点数并控制测量全过程。因此，通过光机电算各部分的分工合作，最终实现了如今我们此次课题。1.2 国内外研究现状德国IMS公司提供的厚度测量系统通常由测量站、信号加工处理元件和外围辅助设备组成。数据记录系统完成数据的统计分析和评估,以保证测量质量。该系统可实现热轧或冷轧的在线测量。测量过程中由于使用了X射线或同位素射线,因而可在无接触和无破坏性的条件下进行。且能在时间常数为1ms 情况下获得高的测量精度小于0.1%。该系统的设计可扩大工业应用范围,保证有较长的使用寿命且易于在现场使用。该测量系统的设计特点:标准测厚仪由带有射线源的测量站和带有信号加工处理系统的电子元件组成,其他工作和操作人员工作站以及外围设备也可包括在内。各种各样的人机交互界面可以利用,远距离诊断分析可通过专门的交互界面实现。测量点可按如下方式进行设定：整个带钢长度上沿带钢中心线对带钢厚度进行测量；多信道中心线和横断面测量；多信道中心线和边部减薄测量；多信道中心线、外形和边部减薄测量, 包括宽度和平直度测量。采用多信道厚度测量系统,通过X射线可对带钢整个宽度上的厚度进行判断。目前系统配备最先进的X射线技术,且具有很大的信噪比。由于X射线管的高压可单独设定,因而可根据具体的测量任务对辐射能进行最优调整。该系统的安全功能远远超过法规要求,可提供安全和紧急开关并对任何潜在危险显示警告信号。第2章 测量原理和方案论证2.1 激光非接触厚度测量仪 至目前为止，非接触测量厚度的方法还很少，工业上常用子射线穿透（钢铁）物体的方法来实现，但人们对射线的安全性始终存在一种顾虑。 本课题介绍的方法也是一种非接触测量方法,其原理面如图2.1所示,由激光后向定位仪及转镜组成，当转镜转动时,由定位仪发出的激光束,通过转镜反射而进行扫描，当激光束射向物体侧面实体上时，将发出散射光，激光后向定位仪的讯号处理电路将收到的散射光讯号，输出电平讯号，如高电平，如果扫描激光束，射到被测厚度的外边时，定位仪收不到散射光，其讯号处理电路将输出低电平（图2.2所示为激光定位仪的框图）转镜连续转动所产生的结果就是输出如图3所示的波形，图2.3中T2的时间宽度，对应于被测厚度，测出了T2就可算出待测物体的厚度为：（2-1）图2.1 非接触测量原理图图2.2 激光定位仪图2.3 激光定位仪输出波形 其中f 为转镜马达的旋转频率,通过时钟频率电路和计数器配合,就可知道高电平T2的持续时间,旋转半镜L2为转镜2到被测物体边缘的距离,当被测厚度比L2小很多时，可以忽略旋转半径L2的改变带来弧度上的误差,这样根据方程式（2-1） 就可算出待测物体的厚度。由上（2-1）式得知，L2为转镜2到被测物体边缘的距离，当被测厚度比L2小很多时，可以忽略旋转半径L2的改变带来弧度上的误差。在公式（2-1）中d = 2fL2T2 2*f的单位为rad/s，T2为激光走过钢板厚度所有的时间。该公式类似于已知圆心角和半径，求弧长，d=2fL2T2 所所以该式成立。而课题中要求的最大值为50.05mm，实际中小于L2是毋庸置疑的，所以式（2-1）成立。2.2 CCD摄影数字图像钢板测厚仪测厚子系统是基于双光点侧投射激光辅助三角测量测厚原理(如图2.4所示)。图2.4 双光点侧投影激光辅助三角测量测厚原理侧投影时,厚度变化与CCD测得的值是非线性的,关键是如何修正这个原理性的非线性误差。面阵CCD提点的优点在于二维多方位加权处理, 克服了非旋转对称性,提高了光点定位的精度,而线阵CCD不能做到这一点。 图2.5 双光点投影校正非线性误差原理 双光点给非线性校正提供了4个非相关参数,如图2.5所示，从而可以大大提高测量精度。精度可达到0.010.005 mm。精密测厚子系统安置在辊道侧面,距辊道10001500mm,由于没有测量部件进入辊道内部,避免了钢板的高温、水汽和碰撞的影响。由于投影角度可调,也尽量避免了测量部件的移动,提高了测量的稳定性和仪器的可靠性。 整个测量部件安置在带有保护功能的不锈钢护套内,护套起到防辐射、降温以及防尘等作用,仪器对轧机前后环境具有良好的防护保护。2.3 双麦克尔逊千涉测厚仪 任何一个光源都不能发射严格的单色波图。图2.6所示的正弦波列可视为发光原子一次辐射发出波动的近似模型。设这个波的长度为2L, 为单色波的一段。振幅A0，波一长, 空间角频率k0(=2/0)均为常数。这个波包的能谱为见图（2.7）图2.6 正弦波形图2.7能谱曲线 式中略去了常数因子。一般认为,在k0两边第一个零值之间频宽的一半强度才有显著的数值,此频率分布的宽度k=/L。这样就有： 式中,2L为相干长度。由图2.7及(2-3)式可见, 波列越短即相干长度2L越小，频谱越宽。白光的相干长度很短,只有数个波长,因此,频谱很宽,具有连续可见光频谱。 图2.8 麦克尔逊干涉系统在图% 中, A为平面镜, B为球面镜, 具有补偿板的麦克尔逊干涉仪以扩展的白光为光源, 当两臂光程很接近即光程差很小时, 可以观察到彩色的等厚干涉环, 当球面B顶点处的光程与另一路光程相等时, 在牛顿环的中心出现黑色的条纹, 这是白光零级干涉条纹。据此,对被测件进行定位,实行不接触厚度、直径等量的测量。 综上所述以及结合我们自己的分析，最终选择了方法2.1“激光非接触测量仪”最为我们的课程设计方案。2.4 报警装置 通过激光定位仪，我们将获得高电平T2的值。通过添加附件检波器亦或是把电信号通过相应模块与计算机相连，并运用相关软件处理后获得相应的讯息。然后把获得的值与理论设计好的初值进行比对，如果存在较大的误差则通过中控系统把系统停止或者是外接蜂鸣语音装置等进行提醒，从而达到报警的目的。第三章 光学系统设计 3.1 光源 在此次设计中，我们所采用的是激光光源。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被20世纪快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦直到1960 年激光首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有先进方法和手段，从而获得空前的效果。 图 3-1 激光的起源：激光的理论基础起源于大物理学家爱因斯坦，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论受激辐射。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了激光原理，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光-激光。他们为此发表了重要论文。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。1960年7月7日，梅曼研制成功世界上第一台激光器，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。激光的特点：（一）定向发光（二）亮度极高（三）颜色极纯（四）能量密度极大。以及其他特性，首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。因此，通过以上的基本理论以及具体情况的要求，我们在设计当中选择了激光作为我们的光源。即适应了时代的潮流，同时也增加了我们一起的可靠性及精度要求。3.2 照明方式 当我们在选择照明方式的时候，要首先对照明相关知识进行一定的了解与认识。在此基础之上，我们才能据此做出最合适的选择。在这一点上，我们也符合了在课堂上学习到的相关原则。照明方式：指照明设备按其安装部位或光的分布而构成的基本制式。就安装部位而言，有一般照明（包括分区一般照明）、局部照明和混合照明等。按光的分布和照明效果可分为直接照明和间接照明。选择合理的照明方式，对改善照明质量、提高经济效益和节约能源等有重要作用，并且还关系到建筑装修的整体艺术效果。适用原则： 一、当不适合装设局部照明或采用混合照明不合理时，宜采用一般照明； 二、当某一工作区需要高于一般照明照度时，可采用分区一般照明； 三、对于照度要求较高，工作位置密度不大，且单独装设一般照明不合理的场所，宜采用混合照明； 四、在一个工作场所内不应只装设局部照明。 通过对以上选择条件的进一步研习以及结合上我们实际中所使用到的情况。因为我们所选择的光源为激光光源，据其特性我们最终选择了局部照明最为我们的照明方式。3.3 光学系统部件我们所选择的方案中，主要使用的光学系统又：激光后向定位仪、准直透镜、分束镜。首先需要说明的，也是本方案中最关键的仪器“激光后向定位仪”。 激光后向定位仪是针对大型设备的安装、维修、检测而研究设计的专用高精度基准测量仪器。本光学系统中科学地设计了空间位相调制器，在长距离测量时光斑是环栅结构，光斑的图像清晰，使全程测量过程中不用调焦，实现了全程无调焦运行差，从而保证了主机所提供的激光束是一条高清晰度，易于分辨的激光光束。激光定位准直仪光靶（含磁性底座）可以吸附在被测物体上，以便用户完成检测、加工、安装等需要。其次为分束镜。在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜，这时一束激光投射到镀膜玻璃上后，通过反射和折射，激光就被分为两束或更多束，这种镀膜玻璃就叫做分束镜。 分束镜主要用于将入射光束分成具有一定光强比的透射与反射两束光。有固定分束比分束镜和可变分束比分束镜两类。可变分束比分束镜又有阶跃和连续暂变之分。最后为准直透镜。其主要是把激光的光束在出射后再进行聚焦准直，从而满足测量中的各方面要求。3.4 光学系统的组装在真个光学系统的装配过程中，应该严格遵守光电仪器装配准则。无论是从各部件自身的调配与选择，参数设置，精度控制等，还要从整个光路系统的准直度、聚焦度、星点像的大小、折反射能量差、外界干扰等多方面综合考虑。在把控各个细节的前提下，从而在整体上达到相应的要求。从而实现完美的组装。以此来提高精度、易用度，以及经济方面等的考虑。 第四章 精度分析4.1分配 首先是要阐述本光学系统误差的相关信息。本系统的原理误差来源于光学系统中准直透镜的相对孔径。当已知透镜的焦距为F，孔径为D。则如下图4-1所示。原理误差分析如下。 图4-1激光光束的实际入射高度为H=FSIN。而我们的光学系统是依照实际情况：H=F设定。由此我的引入的原理误差为=HH=F- FSIN。据相应的数学关系知：当越小，原理误差就越小。于是在光学系统的设计上我们希望光学系统的孔径越小、焦距越长，系统总体越好，因为这样我们引入的原理误差就越小。对于测量精度的提高有所帮助。总体看来，因为光学系统在每个分部的设计、制造、论证以及总体装配时都已对其精度有较高的要求。因此，由光学系统部分产生的误差从整个仪器的总体布局看来不会引起太大的误差。因此，把这一部分的精度分配5%-10%之间既能满足系统的总体要求。4.2 合成因为我们已经在先前的分析时已有相应的数学模型。所以，此处产生的误差为已定系统误差。根据误差的合成原则，可以通过偏微分的方法来进行合成。、第五章 总结 经过这些时日来，通过我们团队内的每位队员的齐心协力、艰苦研发。终于在研读了相当数量的相关方面的文和一些新闻报道、书刊杂志之后，完成了我们此次课程设计非接触钢板厚度测试仪的著述工作。这一星期中的主要成果即为本篇设计文稿。当然，更为重要的成果是，同学们在进行设计的过程中所学到的相关知识技能以及团结合作努力创新的精神。与此同时，我们在进行方案设计的过程中，也遇到了相当多的困难。就从我负责的光学系统部门来说，对于激光器的选择就是一个难点：选择多大的频率、什么类型的激励源、以及分束镜上需要镀什么样的膜系结构和厚度等等比较实际的问题时因为经验的欠缺因此很难设计。从而让整个设计本身只有最为基础原始的理