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4.1光学系统成像引入的误差．．．．．．．．．．．．．．11
4.2环境温度折射率引入的误差．．．．．．．．．．．．12
第五章总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
非接触钢板厚度测试仪
1.1研究背景和意义
在轧制中厚板生产过程中,通常采用人工用千分尺卡量的方法来测量轧后板材厚度。
用人工卡量方式测量板厚,存在着测量精度差,测量点少（每块钢板只测量一个点）,测量速度慢等缺点。
在恶劣的现场环境下,操作人员用此法测量时劳动强度大,危险性高,生产效率受到很大的影响。
多年来,虽然实施过很多其它方法,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。
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（主要是光学仪器）以及把测量车体做成“C”型,并使之能在轨道需要特别指出的是，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）。
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：
①整个带钢长度上沿带钢中心线对带钢厚度进行测量；
②多信道中心线和横断面测量；
③多信道中心线和边部减薄测量；
④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。
2.1 激光测厚仪工作原理
激光测厚仪是20世纪80年代随着激光技术、CCD技术的发展而研制的新一代在线、非接触式测厚仪。
激光测厚仪原理图如图3所示。
图3中上、下两激光器发射的激光束,经压缩器垂直投射到被测钢板两个表面的A、B两点,形成测量光斑。
A、B两点上的激光漫反射的能量,经接收光学系统L1和L2分别成像在CCD器件上。
CCD器件上的两个像点位置与原先位于零平面上O点的激光斑的成像位置进行比较,则可测出像点的位移量X1和X2。
通过几何换算,可根据像点的位移量X1和X2求出A、B两点与零平面上O点的间距H上和H下。
H上和H下经微机运算后,即可得出被测物的厚度H。
因此,只要能精确地测出像点的位移量X1和X2,即可精确测定被测钢板的厚度H。
根据光学成像理论,设光学系统的参数为:
接收镜头的焦距为f;
激光发射系统为垂直照射,发射系统与接收系统的夹角为θ;
物距为l;
系统的放大倍率为β;
接收系统光轴与CCD光敏面的夹角为φ;
被测物体两个表面与测量零平面的相对位置分别为H上、H下;
像点在CCD右的相对位置分别为x1、x2。
则上下两个光路的物像关系都满足如下关系式:
上式表明:
被测钢板的表面位置H和像点在CCD右的位置x之间存在单调的和非线性的关系。
则被测目标的厚度为:
2.2方法论证
从测量原理可以看出,此法的突出优点是所测得的被测物厚度H值与被测物的材质、温度和标准值无关;
采用上下对称测量可以自动消除由于被测物的跳动、弯曲和振动所引入的测量误差,从而大大提高了动态测量的准确度。
与射线测厚仪相比具有无辐射危害、测量稳定、操作简单、全数字化信号处理等特点。
现场使用的激光测厚仪主要技术参数如下:
厚度测量范围:
1～500mm;
测量精度:
±
0.05%;
响应时间:
2ms;
被测物体温度:
≤1300℃。
所以激光测厚仪主要应用于被测物体厚度较大（5mm以上）各种生产线,尤其是中厚板和板坯的厚度测量,可以充分发挥测量范围大、测量精度与材质和温度无关的特点,发展方向是提高测量精度和进一步延长激光器的寿命,减少系统的维修次数;
3.1驱动电路设计
驱动电路采用以脉宽调制器UC3842为核心元件设计的开关电路.UC3842是美国Unitrode公司生产的电流型单端输出脉宽调制器（PWM）,具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点.稳压性能好,其电压调整率可达0.01%/V,除具有输入端过压保护与输出端过流保护电路外,还设有欠压锁定电路,使工作稳定可靠.UC3842的内部结构如图3所示,主要包括:
5.0V基准电压源、振荡器、误差放大器、过流检测电压比较器、PWM锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V稳压管.其电路设计原理框图如图4所示.
3.1.1驱动电路
驱动电路产生一个2kHz的方波信号,方波信号的频率和占空比是可调的;
MOS管作为一个开关使用,通过改变占空比控制半导体激光器的输出功率.电路原理图（如图5）所示.内部基准电压源产生5.0V基准电压,作为UC3842内部电源,经衰减得2.5V电压作为比较放大器基准电压,并可作为向外电路输出5V/50mA的电源.振荡器产生方波振荡,振荡频率取决于外接定时元件.反馈电压由2管脚接误差放大器反相端.1管脚外接R、C网络改变误差放大器闭环增益和频率特性;
6管脚输出驱动开关管的方波,为图腾柱式输出,适用于驱动VMOS开关管,输出电流可达±
200mA.3管脚为电流检测端,用于检测开关管电流,当U3≥1V时,可关闭输出脉冲,保护开关管不致过流损坏.UC3842包括过压、欠压保护电路,当电源电压超过17V或低于10V时,集成电路停止工作.
3.1.2震荡信号产生电路
振荡信号生成电路是驱动电路中的重要部分,接在UC3842的4管脚和8管脚之间,以使启动UC3842的时候产生振荡.振荡信号生成电路由定时电容CT、电位器RW3、定时电阻RT和消噪电容C6构成.RW3的作用是调节振荡信号占空比和频率;
C6的作用是滤除电路中电压信号的噪声,使振荡信号的波形更为理想.CT和RT的作用是以UC3842内部的振荡器为基础生成振荡信号,振荡频率由式
（1）来确定。
（1）
3.1.3补偿电路
补偿电路结构如图5所示.补偿电路是UC3842内部误差放大器的外围电路.它通过一个电阻取样UC3842电源电压,通过电阻分压并输入到UC3842的2管脚,为误差放大器提供反相输入.分压电阻R1和R3取样15V的电源电压并分压达到UC3842的2管脚的电压要求后输入误差放大器反相端.误差放器反相输入与同相端2.5V标准偏压比较后产生误差信号.该误差信号经误差放大器放大后经1管脚输出.1管脚的并联阻容元件和放大器反相输入共同作用以改善误差放大器的增益。
3.1.4放大电路设计
上图为TLC2262集成芯片，它是一个上运算放大器，高输入阻抗、低噪声：
第二级使用的是TL064芯片来实现对信号的差分方式放大，它内部集成有4个高速J-FET运算放大器，有很高的转换速率.低偏置电流.放大倍数可达500倍上。
3.1.5开关控制电路
开关控制电路的核心元件是功率场效应管IRF3205,其主要起开关作用,即工作在饱和区和截止区.主要原理是:
UC3842的6管脚输出信号经R5分压后提供给IRF3205栅极,当输出信号为高电平时,场效应管工作在饱和区,此时半导体激光器阳极和阴极的电流不相同,激光器输出电平为低电平.当UC3842的6管脚驱动输出为低电平时,功率场效应管截止,激光器阳极和阴极电流相同,激光器输出电平为高电平。
3.2报警电路设计
系统的总的设计框图如下图所示。
图中很清楚的说明通过开关的控制产生低电平输入到编码器74LS474再输入到译码器74LS48就点亮LED七段数显。
而开关的控制也引起4068输出再输入到555的2脚，3脚输出高电平就使得蜂鸣器发出声音！
（系统总图）
3.2.1555芯片引脚
1）:
1脚是接地端；
2）:
2脚和6脚是信号的输入端；
3）:
3脚是555定时器的输出端，输出的波形是矩形波；
5）:
5脚是控制端，常对地接一个0.01uF的滤波电容；
6）:
7脚是放电端，也是控制波形的周期；
7）:
8脚是Vcc端。
3.2.274LS48芯片的介绍
74LS48被称为集成显示译码器，用来驱动各种显示器件，从而将用二进制代码表示的数字、文字、符号翻译成人们习惯的形式直观地显示出来的电路，称为显示译码器，其引脚图如图5.3所示。
七段显示译码器74LS48功能表如表3-2所示。
3、4、5是信号的控制端；
A、B、C、D分别是译码器的输入端，它于74LS90的
、
端相连接；
a、b、c、d、e、f、g是译码器的输出端，它于锁存器相连；
74LS48
3.2.34LS147芯片介绍
74LS147引脚图
该实验中我们采用74LS147优先编码器。
1）8、16脚接电源；
2）11、12、13、1、2、3、4、5、10脚分别对应输入I1~I9；
3）9、7、6、14分别对应输出Y0`Y3
图3.2.374LS147的引脚排列
3.2.4优先编码-译码-显示电路
优先编码-译码-显示电路的工作原理
总开关的改变把产生低电平，输入到编码电路；
经过编码74LS147的编码后，输入到译码电路；
再经过译码74LS48的译码后，输入到LED数字显示器，从而显示数字.
优先编码-译码-显示电路图
我们用8个双刀单砸开关输入到74LS147编码，再经过非门74LS04，输入到74LS48译码，再输入到LED显示！
4.1光学系统成像引入的误差
全面讨论时，光学系统误差应包括镜头的各种像差。
在激光测量系统中，由于是单色光，所以有关色差的所有像差完全可以忽略。
在这里起主要作用的是彗差、场曲、像散和畸变等轴外像差，尤其是彗差和畸变。
对于大视场系统，必须对镜头提出相应的指标[3]。
本文中主要讨论物体表面位置变化时，光学系统实际放大率的变化。
三角法测量系统的典型光路（如图3）所示。
在图3中，Mc是测量中心面，Mt是后层面，Mf是前层面。
光学系统的主轴与被测表面法线的夹角q0称为测量角。
由光学系统性质可知，只有垂直于光轴且过中心激光点平面'
XY上的光斑，才能清晰的成像到像面X'
Y'
上，且保持垂直放大率b0不变。
当激光斑在Mf时，实际像点在像面之后，且垂直放大率大于b0。
当激光斑在Mt时，实际像点在像面之前，且垂直放大率小于b0。
因为CCD只在像面X'
上接受信号，所以Mf和Mt面上光斑的像都要发生弥散，但是光斑中心仍是主光束的。
中心，X'
面上像点高度实际上是真正像点的投影。
在图3中，根据三角几何关系，不难出激光斑的位置D与X'
面上像点高度H’的关系。
L,L’和B面的物距、像距和垂直放大率。
H是投影到XY面上的激光斑高度，H'
是投影到X'
面上的像点高度。
图4和图5是由三角法计算出的实际像高。
从图4、图5可看出，在测量角为45°
、视场角为18°
左右时，全视场的放大率变化达12%。
因此必须进行多点标定插值计算，才能得到正确的测量值。
4.2环境温度折射率引入的误差
在上面的讨论中，都假设环境空气折射率均匀分布。
在测量热工件场合，如热轧钢板在线检测，钢板附近的温度非均匀分布，造成附近空气折射率非均匀分布。
这时光线传输将发生弯曲。
在同样的光路参数下，钢板从500°
变化到30°
时，满量程光线弯曲引起像面上像高的变化达0.0687mm。
这个变化量随钢板温度变化而变化，多点标定插值方法也难以消除，但是采用完全对称双面双光路可以有效地克服。
第五章总结
在激光测厚仪实际运用过程中,虽然受到好评,但却因为现场环境恶劣,温差大,温度高,粉尘多,给设备的运行、维护带来很多不便,出现了不少的问题。
激光测厚仪在线测量钢板时,虽是非接触式测量,但到底是距被测钢板约500mm,在被测钢板表面温度500～1000℃的辐射下,测量车体的温度迅速上升。
这样就危及到测量车内系统的运行安全和测量精度。
车上原装有冷却装置,但终不理想。
在现场,我们跨辊道做了一个水套,以防辐射热,并设置温度补偿措施,以提高精度。
在气温较低的日子里,必须增加对测厚仪的检查次数,特别是光学系统。
否则在测厚车内,时高时低的温度会使水气在光学镜面结露,以至于接收不到采样信号,影响了测量。
钢板上的冷却水也会在蒸发之前落到接收窗和发射窗上,覆盖住窗口,无法进行测量。
为此,必须用风吹走落向窗口的水。
我们在测厚车旁加装了一台风机,以达到目的。
灰尘是无处不在的,特别是现场还存在着金属屑飘浮在空气中,这对测量仪来说是一个大敌。
为解决好这个矛盾,我们制作了一个轴向风筒,罩在窗口上,测厚仪在使用时,接通高压风,不仅能把灰尘、金属屑吹走,而且对于其他一些小的杂物和水珠也能拒之于窗外。
高压电源在冬天寒冷的季节或是激光管用长了,会出现激光管不能起辉的故障,这时只能靠提高激光管的启辉电压来解决,可以用降低电阻值来做到。
参考文献
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（1）:
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[6]孙本荣,王有铭,陈瑛.中厚钢板生产[M].冶金工业出版
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