浮法玻璃非接触式在线厚度检测系统的研制

浮法玻璃非接触式在线厚度检测系统的研制

0浮法玻璃厚度测量系统浮法玻璃生产能力是目前平板玻璃生产的最先进的工艺，它可以保证玻璃的平坦度和均匀厚度。浮法玻璃生产流程示意图如图1所示。传统测厚做法是在切割区附近,使用螺旋测微计进行人工测量,记录数据并处理后,反馈给生产控制人员,然后进行厚度调节。而此时从锡槽出口到切割区己有100多m玻璃处于不合格状态。针对上述玻璃测厚做法的缺点,研究浮法玻璃厚度测量系统,可有效解决上述问题。设想在锡槽末端设置测厚装置,将厚度信号转化为电信号再经计算机处理,迅速得到数据输出。该测厚系统使数据获得的时间大为缩短,可节省人力、物力,增加测量的可靠性和一致性。1系统设计1.1玻璃厚度的测量系统的光电传感装置置于浮法玻璃生产环节中锡槽的末端或锡槽与退火窑连接的辊台内部,由行走机构带动冷却套杆和光电传感装置在玻璃板面上且垂直于玻璃传送方向不停的来回扫描检测,进行多点测量。如图2所示,当光电传感装置中光源LD发出入射光照到玻璃表面,经玻璃板上下表面双重反射的平行光束带有玻璃厚度信息,建立数学模型可推导出两束平行光线的水平距离A与玻璃T的厚度呈线性关系:T=2K2−1√2AΤ=2Κ2-12A,玻璃折射率K=sinα/sinβ=2√/(2sinβ)Κ=sinα/sinβ=2/(2sinβ)。该平行光束经过处理后,被CCD摄像机接收,CCD摄像机接收到两束平行光线的位置,在一定频率的时钟脉冲的驱动下,可将光强分布信号转换为时间序列的电信号,电信号经后续电路处理后获得与光束距离相对应的脉宽,测量脉宽既可得平行光在CCD摄像机上的距离。CCD摄像机所接收的检测信号是通过电缆传送到计算机,经由计算机处理后在屏幕上显示。1.2材料的主要技术指标玻璃厚度测量系统要求:测量范围1～20mm,测量精度±0.01mm.由式(1)得:Amin=1.069×103μm,Amax=2.1381×104μm.选择型号为TCD1500C的线阵CCD即可满足要求,其主要技术指标为:像敏单元数目:5340像元;像敏单元大小:7μm×7μm×7μm(相邻像元中心距为7μm);像元总长:37.38mm;光敏区域:采用高灵敏度PN结作为光敏单元;时钟:二相(5V);内部电路:包含采样保持电路,输出预放大电路。根据奈奎斯特定理:如果己知图像的最大空间频率,则采样频率应大于图像最大空间频率的2倍。CCD极限分辨率对应的图像空间分辨率为114μm−1114μm-1,对应图像空间尺寸为14μm,测量系统放大率为1.70,最小分辨长度为8.2μm.2驱动和组成设计电路CCD应用技术的关键是驱动信号的产生及输出信号的处理。目前虽然有部分CCD芯片同时集成了驱动电路和信号处理电路,但在不同使用场合,往往对信号输出模式如采样时间、采样周期、信噪比等有不同的要求,因而需要根据实际情况设计CCD的驱动电路和信号处理电路。2.1驱动信号产生电路目前,已经研究了使用通用逻辑电路、可编程器件(PLD、EPROM)、单片机等多种方式的CCD时序的产生方法,并比较了各自的优缺点。TCD1500C比TCD1206UD多一片内驱动器和采样保持器,片内驱动器使送入CCD的驱动脉冲简化,只需3路驱动信号:转移脉冲ϕSH,复位脉冲ϕR,时钟脉冲ϕ.ϕSP为片内采样保持电路的控制脉冲,加有ϕSP后,TCD1500C的输出信号去掉了调幅脉冲成分,它的幅度直接反映像敏单元照度.设计中fϕ=1MHz,fRS=2MHz,TSH≥2708×103μs.驱动信号产生电路如图3所示,包括脉冲发生电路、分频电路、控制电路、脉宽调制电路。取自独立脉冲源的脉冲由于其独立性而精度高,且所产生的脉冲频率可自由选择,稳定性好,因此驱动电路选用独立脉冲源。二分频电路由D触发器构成。控制电路中由单片机AT89C51对计数器82C54进行初始化、计数器启动停止、计数脉冲中断等任务控制。脉宽调制电路主要由单稳态电路74LS123构成,用于调节各驱动脉冲相位关系。时钟脉冲发生电路产生频率为4MHz的方波信号。将时钟脉冲发生电路产生的信号通过分频电路2次可得到频率1MHz的方波脉冲ϕ.82C54定时器0的计数脉冲取自分频电路第一次分频信号,频率为2MHz,设置其计数初始值>2708μs,从OUT0口产生转移脉冲ϕSH.脉冲δ作为定时器1的计数脉冲,计数初始值设为2,再将OUT1输出信号接入脉宽调制电路对高电平进行延时处理,得到复位脉冲ϕR,从而CCD的3路驱动信号全部获得。2.2cd输出电压噪声线阵CCD输出信号为离散的模拟信号,其中混杂着各种噪声和干扰信号,最主要的有复位噪声、随机噪声、散粒噪声和固定图形噪声等。CCD输出电压通常很小,一般只有几百mV,因而常淹没在噪声中。CCD信号处理的目的就是尽可能的消除这些噪声的同时保有图像的细节。CCD信号处理框图如图4所示。2.2.1采样系统相关双取样在高性能CCD信号处理系统中,多采用相关双取样法来完成对信号的检测。实现相关双取样基本电路如图5所示。两次采样时间需控制在没有复位脉冲和水平转移脉冲干扰区间,两次采样间隔一般要小于T/2,T为一像素周期。两次采样后电平模拟相减,差值为真正的信号电平。选用TL1591型采样/保持放大器来完成相关双取样功能。因为相关双取样为点采样,本身不具有低通滤波特性,所以在它之前要加前置低通滤波器来限制带宽,从而组成相关双取样系统。在相关双取样电路前加一级带宽为10MHz的低通滤波器。2.2.2图像数据二值化经过低通滤波、相关双取样、二次视频放大后的CCD信号必须转化为数字信号,以便于微机的进一步处理。对于应用于玻璃厚度测量系统的CCD信号对图像灰度不做要求,为提高处理速度,降低成本这里采用二值化图像处理方法。具体