基于光反射原理的玻璃厚度测量系统

基于光反射原理的玻璃厚度测量系统

0反射式激光视觉厚度测量系统实验背景平板玻璃厚度测量是平板玻璃生产过程质量监控的重要组成部分。激光视觉测量是进行实时在线测量的最先进的方法。其原理包括透射、折射反射、光学三角形等。现在，由于测量环境的限制，厚度指数的测量主要集中在低温地区。由于测量环境的限制，只有国外销售的商业产品，国内实用产品仍然是空白，其中大多数是国外的制造设施。激光视觉测量是目前实现平板玻璃高温区参数测量的最有效方法之一,由于高温区的现场环境复杂,直接进行设备现场实验测试不仅不利于工业生产,而且也会带来耗费极高的研发成本。本文在实验室搭建了反射式激光视觉厚度测量系统,通过实验研究了反射法厚度测量的可行性。首先介绍反射法厚度测量的原理,其次介绍实验平台结构和数据处理流程,然后对实验数据进行分析,最后讨论了实验结果。1成像镜头转换关系如图1所示,LD是激光二极管(可产生线结构激光),CCD用于接收经玻璃上下表面反射的光束,设平板玻璃的厚度为T,线结构光入射角度为45°,玻璃折射率为n,两反射光的光线间距为D,则有如下转换关系式:根据CCD成像镜头倍率公式,有式中,ΔN为双线像中心覆盖的像素数,p为像元尺寸,M为CCD成像镜头放大倍数。将式(2)代入式(1),得反射式平板玻璃厚度激光视觉测量公式:式中,比例系数,由玻璃板折射率、像元尺寸和成像镜头放大倍数决定。可见,只要标定了比例系数,那么通过测量反射光双线像中心覆盖像素数ΔN就可以由式(3)计算得到玻璃厚度T。2图像、图像和usb实验测量系统由光学成像和数据采集两部分构成。实验用光源采用西安思拓光电技术有限公司生产的线结构光激光器,其波长为650nm,功率为5mW,光束形状为一字线型,光束出口线宽小于等于0.5mm。线阵CCD相机由天津市开希机器视觉技术有限公司生产,型号为TCD1501-2,CCD图像传感器由日本东芝生产,型号为TCD1501D,该芯片包括采样保持电路,具有高灵敏度和低暗电流,有效光敏像元数为5000像素,像元间距为p=7μm,该图像传感器对光谱的响应如图2所示。可见,对于650nm波长其相对响应为0.9。镜头采用俄罗斯泽尼特标准螺纹口(M42×1)镜头,焦距50mm,光圈范围2~16,调焦范围0.35~∞。USB采集卡由天津市耀辉光电技术有限公司生产,型号AD08S-USB。采用KXUSB-SDK系列数据采集软件,图像为黑白数字图像格式,可以动态和静态显示光信号强度分布,对于线激光强度像素曲线与光条图像如图3所示。3测量方案的确定数据处理的具体过程为:将采集卡采集到的信号数据导入Origin数据处理软件,利用软件提供的一维小波去噪工具对含噪信号进行去噪,然后对信号数据进行双峰拟合,确定峰值中心像素数N1和N2,进而获得双峰所对应的像素数差ΔN=N2-N1,由已知厚度的标准玻璃板标定系数k,测量薄、厚两种待测玻璃板的厚度,并与千分尺人工测量结果进行比较,具体流程如图4所示。4实验数据与结果分析4.1由整体图像向局部图像的渗透法提取标准玻璃、玻璃Ⅰ、玻璃Ⅱ成分相同,其厚度的千分尺测量数据如表1所示。利用标准玻璃进行试验,其反射光的双线像强度像素曲线和光条图像如图5所示。将强度像素数据导入Origin绘图,按数据处理流程依次进行一维小波去噪、双峰拟合、峰值像素提取、像素差计算,结果如图6所示。分别对标准玻璃板测量5次,得到的峰值像素中心与像素差如表2所示。其中,为避免引入计算误差,表中数据保留了尽可能多的位数。将表1中标准玻璃的厚度均值和表2中像素差均值代入式(3)可得4.2玻璃厚度的计算分别按数据处理流程处理玻璃Ⅰ和玻璃Ⅱ的反射光图像强度像素曲线数据,结果如表3所示,利用式(3)计算两种玻璃的厚度值。由于标准玻璃厚度由千分尺测定,k的定标精度在千分位,故厚度均值只保留到千分位。4.3玻璃厚度的测量将表3的测量结果与表1中千分尺测量结果比较可知,玻璃Ⅰ厚度测量相对误差为0.039,玻璃Ⅱ厚度测量相对误差为0.075,相对误差在百分位(即0.01),对于测量精度要求不是特别高的情况,该反射式测厚系统可以满足测量要求。经分析,测量误差的来源主要有:(1)玻璃厚度本身的不均匀性。用千分尺测量玻璃板厚度时在玻璃板四周随机取点测量,故测量的只是玻璃面上宽范围内厚度的一个均值,而反射式测量系统由于采用的是线激光,测量的只是线激光照射区的厚度均值;(2)测量事先假定玻璃具有相同的组分、相同的折射率,即光学上也是均匀的,但事实上,这一点很难保证;(3)激光入射角度很难保证精确调节到45°。另外,玻璃厚度的增加也会使光线偏离系统光轴。鉴于以上几点,可以设想如下可能的解决方法:(1)选用品质(厚度均匀性、折射率均匀性)更高的标准平板玻璃,同时提高标定精度。(2)采用点结构激光进行单点测量或采用线结构激光光条像素中心提取算法进行光条方向厚度的多点测量。但是待测玻璃的光学均匀性(组分和折射率)与标准玻璃的不一致带来的误差始终是一个困难,这也是有待下一步研究解决的问题。5测量实验分析玻璃厚度测量是浮法玻璃生产中的重要环节,测量技术的发展趋势是高温区在线实时非接触测量。作者在实验室建立起一套基于线结构光的反射式非接触玻璃厚度测量系统,给出了测量原理,通过系统标定,测量了两种待测玻璃的厚度,并与千分尺测量结果进行了比较。结果表明,在测量精度要求不高的情况下可以满足测量要求,实验证明了测厚系统的可行性。通过采用其他透