机械课程设计板料厚度测量仪设计.docx

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机械课程设计板料厚度测量仪设计

摘要

根据超声波脉冲反射来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此测量。

按此设计的可对各种板材和各种加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。

可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域

仪器采用最新的高性能、低功耗微处理器技术，基于超声波测量原理，可以测量金属及其它多种材料的厚度，并可以对材料的声速进行测量。

本机利用单片机技术应用液晶显示测量厚度值,并同时显示声速,自动校准实现了已知声速测量厚度及已知厚度测量声速两大功能.操作简单,稳定可靠,是无损检测工作者的理想检测工具.

【关键词】超声波脉冲反射；电涡流传感器；数据采集系统；CCD输出信号。

Abstract

Thicknessmeasurement,accordingtotheultrasonicpulsereflectionwhenthelaunchoftheultrasonicpulseprobethroughthematerialobjecttobetestedinterface,thepulseisreflectedbacktotheprobe,throughtheaccuratemeasurementofultrasonicwavepropagationinthematerialtimetodeterminethethicknessofthematerialbeingtested.Thosethatmaketheultrasonicwaveataconstantspeedinitsinternalcommunicationscanadoptthemeasureofvariousmaterials.Accordingtothisdesigncanaccuratelymeasureaboutallkindsofplatesandallkindsofmachiningparts,canbeallkindsofpipelineandpressurevesselintheproductionequipmenttomonitor,monitorthemintheprocessofusingthedegreeofcorrosionafterthinning.Canbewidelyusedinpetroleum,chemicalindustry,metallurgy,shipbuilding,aviation,aerospaceandotherfields，Equipmentusingthelatesthighperformanceandlowpowerconsumptionmicroprocessortechnology,basedonultrasonicmeasuringprinciple,canmeasurethethicknessofthemetalandotheravarietyofmaterials,andcanbeconductedonthematerialofthesoundvelocitymeasurement.Themachineusingthesinglechipmicrocomputertechnologyapplicationofmeasuringthethicknessoftheliquidcrystaldisplay（LCD）value,andatthesametimeshowsthatsoundvelocity,implementstheautomaticcalibrationknownsoundvelocitymeasuringthicknessandthicknessmeasuringsoundvelocityknowntwobigfunctions.Theoperationissimple,stableandreliable,andisanidealtestingtoolstonondes

【keywords】ultrasonicpulsereflection;Theeddycurrentsensor;Dataacquisitionsystem;TheCCDoutputsignal.

目录

第一章引言1

1.1研究背景和意义1

1.2国内外研究现状2

第二章测量原理和方案论证3

2.1系统的测量原理3

2.1.1激光三角法测量3

2.1.2非接触高精度厚度测量方法3

2.1.3线阵CCD用于光学三角法测量金属板厚4

2.2测量方案的比较与确定6

第三章系统设计6

3.1光学系统设计6

3.2机械结构设计7

3.2.1行走机构的设计7

3.2.2测量部分的设计9

3.3电路系统设计11

第四章精度分析13

4.1电路对测量精度的影响13

4.2误差分析13

第五章总结16

参考文献17

致谢18

第一章引言

1.1研究背景和意义

几何量测量技术随着科技的发展而发展着。

从19世纪开始出现的线刻尺，到现在的游标尺、千分尺及其它机械式的测微仪，使几何量测量技术向前迈了一大步。

目前，我国大部分企业中，为了保证产品的质量，花费在测量上的时间和人员数量是相当可观的，这严重影响了工厂生产效率、经济效益。

而目前传统的接触式测量技术显然跟不上现代工业机械加工、材料加工的非接触要求，相反已成为提高生产效率和加工精度的制约因素.，那么，这就需要有一种新的方法来代替接触式测量.随着科技大发展和生产力的要求，非接触式的测量方法出现了。

第一台成功的非接触式自动测厚仪应用了X射线吸收技术。

从此，非接触式测量方法开始了迅猛发展，其强大的功能和优点无法使传统的接触式测量望其项背，也为人类社会的发展，工业文明的进步做出了巨大的贡献。

现在，人类已经在非接触式测量方面取得了巨大成就，但是，我们还是不能满足于当前的现状，因为社会的进步，生产力的发展，时不时还有新的问题出现在我们面前，对测量的各个方面有新的更高的要求，这些都摆在我们面前亟待解决。

因此，研究更好的，功能更强大，精度更高，更智能化，更人性化对，环境依赖性更小的非接触式测量方法究意义非凡了。

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。

激光测厚仪的安装、调试用了两个星期的时间，遇到不少困难。

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。

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。

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，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。

1.2国内外研究现状

光电法测厚的基础理论研究及测量仪器的研制在国外是比较早的，而且比较完善，如在日本、美国、英国、德国等国家，尤其是在日本、德国，由于一向注重于光电子技术的应用，因而在这一方面的发展更为瞩目，从光源到光电检测元件最为齐全，光电检测技术应用也比较普光遍。

从18世纪工业革命以来，科学技术以前所未有的速度在突飞猛进的发展，特别是近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。

为此，工业发达国家对于检测仪器与设备速度与精度一直作为检测仪器的主要指标。

利用CCD技术对产品表面质量进行实时检测、动态测量，具有结构简单、非接触、精度高、测量速度快、性能稳定可靠等优点。

摄像头的主要传感部件是CCD，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点。

目前应用较多的是CCD技术，在现代板材生产中，不论是轧制过程中还是最终产品的调整中，为获得较高的板材命中率和最佳的轧制过程及剪切效果，板材尺寸测量系统已成为生产线上不可缺少的设备之一。

宽度偏差每减少1mm，成材率就可以提高0．1％左右，因此尺寸控制技术可显著提高经济效益和产品竞争力。

目前，先进的钢铁企业已较为普遍地采用在线自动测量技术对钢板板材的长度、宽度进行测量与剪切。

其中，除了采用激光扫描、超声检测、射线测量等技术外，近几年来也正在应用CCD摄像机进行图像尺寸测量方面的科研和技术改造，但达到实际应用的系统并不多。

国内目前钢板测宽仪,其结构复杂,控制繁琐,需要标定，以及及时维护,实时操作性差。

而本文所要研究的，是在原有的钢板在线测宽仪的基础上，提出了一种改良型的系统。

系统中采用经济的线阵CCD成像系统,应用CPLD与单片机结合采集与处理测量数据，和边缘细化技术提高测量精度。

整套系统结构简洁,成本低廉,抗干扰性能好，调试方便。

第二章测量原理和方案论证

2.1系统的测量原理

2.1.1激光三角法测量

如图2.1所示，直射式激光三角法测量是利用入射光点与反射光点所满足的几何光路，再运用相似三角形各边之间的比例关系，求得被测物体厚度：

式中，ｌ为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离；ｌ′为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；α为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角；

β为探测器与接收透镜光轴之间的夹角；Ｌ为像点位移量；ｘ为物面位移量．当被测物表面Ａ位于零参考面之上时取“－”，被测物表面Ｂ位于零参考面之下时取“＋”。

图2.1激光三角法测量原理图

2.1.2非接触高精度厚度测量方法

采用2个非接触电涡流探头进行比较测量,其原理如下图1所示，探头1和2共轴,2探头之间的距离D固定不变,并且和被测工件垂直,被测件和标准件的材质相同,这样它们的厚度和距离之间有以下关系式：

（2.5）

式中

标准件和被测件的厚度

标准件和被测件到探头1和2的距离

图2.2测量原理图

由于T0可以预先测量，所以，只要测得D1，D2和D3，D4就可以求出Tx，即可以用测量2个探头到被测件的距离的方法测出其厚度这里必要的条件为：

要保证测得的数据和实际距离之间的线性关系；2个探头应有相同的灵敏度；对标准件和被测件的2次测量之间不应该有零点的漂移。

实际上,在自然的条件下很难同时满足以上3个条件,应针对情况分别进行处理。

a.对于线性不好的探头要预先进行标定测量，根据测量结果设计插值函数软件或查表软件对数据，进行处理，不能使用曲线非单调性的探头。

b.对于2个灵敏度不同的探头要分别进行插值运算。

c.为解决随时间的漂移问题，应进行即时标定测量，并紧接着对被测件进行测量。

除此之外，机械系统应保证足够的精度和具有稳定的可操作性。

2.1.3线阵CCD用于光学三角法测量金属板厚

我们分三种情况来讨论：

（1）是金属板不动的情况。

这时较简单，如图2.3所示，设基准平面的位置在Z0，已知金属板的位置在Z1位置，把待测金属板紧贴着已知金属板的平面，它的另一平面的位置在Z2。

用前述办法测量出Z1、Z2

到Z0的距离d1、d2，则金属板厚为：

（2.6）

（2.7）

图2.3测量金属板厚的实验装置

（2）是当被测板的面积太大时，这时得采用两套CCD装置，让它们有共同的起始位置Z0，再分别测量出金属板两端面的位置d1和d2，则金属的板厚仍可按（2.6）式计算。

（3）如果待测的金属板是在轧制过程中，设板轧制的前进方向是沿着X，但是在Z方向也会有一定的移动。

如果移动的方向与Z方向有一定的偏离，则必需把此偏角ε测量出来，按下式对所测量的金属板厚度进行修正

（2.8）

我们知道激光束并非一条线而是有横截面的，在横截面上的光强分布是高斯分布，当金属板的反射率有变化时，或者激光光强发生变化时，高斯分布的高度和宽度都会发生变化，二值化后得到的矩形脉冲的宽度也会随之而变化，如图2.4所示，光强减小时脉宽也变狭，即t2

故不能取脉冲的前沿（会随脉宽而变化），而必须取矩形脉冲中心位置（不会随脉宽而变化）作为测量的依据。

图2.4光斑光强变化时，CCD二值化输出的矩形脉冲的宽度也发生变化

经过比较以上三种方案的比较，第三种更简单，实用，精确度高。

第二种方案精度低，第一种方案太过于复杂，不实用。

2.2测量方案的比较与确定

激光辅助测量法，采用了线结构光。

激光从激光器发出,经过柱面透镜后汇聚成宽度很窄的光带,称为结构光。

该光平面以一定角度入射在工件上,在工件上产生反射和散射，并可已知投影光线的空间方向。

这种光源有多优势。

此外，这种测量方法较激光三角法和偏转差值法有结构简单的优势。

所以我们采用激光辅助测量法。

第三章系统设计

3.1光学系统设计

光学系统对成像质量有着十分重要的意义，它担负着传递目标光学信息的作用，直接影响成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸变等多项性能参数。

对光学系统的基本要求是成像清晰、透光率强、杂散光少、像面照度分布均匀、图像畸变小、足够的相对孔径等。

由于相机利用钢板自身发出可见光成像，考虑到相机离钢板越远成像越不清晰，对镜头的要求也越苛刻，由于CCD成像设备安装位置应小于5米，所以本系统相机固定于4米高的地方。

由于现场的环境比较恶劣，必须对测量设备采取防护措施。

光学系统安装在防震的、带温度控制的、密封的箱体中。

箱体通过支架固定于钢板正上方4米的平台，平台上安装微调装置。

该装置可在横向、纵向、垂直方向调节相机，使钢板正好可以成像到CCD中央位置。

设备安装时用带有发光管（发光光谱近似880

钢板的发光光谱）的标准长尺，对CCD相机进行标定。

调节微调装置，使发光管诈好成像于CCD光敏阵列中央位置上，说明此时相机位置合格，可以进行在线检测。

设生产线上钢板宽度在2米左右，而所选CCD光敏面尺寸只有20.48mm，所以为使钢板宽度信息能完整的成像在光敏面上，相机最前端需要加一个光学镜头。

合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像并获得正常视频信号的关键。

各种CCD光学镜头种类繁多，光学镜头的主要参数都不尽相同，合适的参数指标应根据不同接口、CCD光敏面光学格式、光圈、视场、焦距、F数等来确定。

光学系统位于检测系统的前端，其性能直接影响着采集图像的质量。

因此，光学系统的设计是决定表面检测系统成功与否的主要因素。

根据待检钢板与传感器的参数，我们进行成像镜头的参数计算，主要从成像要求和照度匹配两方面来考虑镜头的选择。

本系统中选用镜头焦距35mm，相机安装在距钢板4m高的地方。

图3-2是简化的镜头成像原理图

图3.1镜头成像原理图

3.2机械结构设计

3.2.1行走机构的设计

行走机构主要由步进电机、滚珠丝杠副、滑动导轨组成，采用的是丝杠转动螺母移动的方法。

步进电机的转轴通过联轴器和丝杠直接连接，丝杠跟随电机一起转动，从而把电机的转动转化为螺母的移动。

螺母上固定有螺母座，而螺母座又与安装在导轨滑块上的工作台底板连接，最终把电机的转动转化为工作台在导轨上的平动，实现传感器的位置移动。

1.系统步进电机的驱动

行走机构的驱动是以步进电机作为主动元件的，如何控制步进电机的运动是现厚度实时测量的一个重要内容，传感器相对于被测钢板的运动是通过步进电机有规律的转动实现的，为了完成钢板厚度参数的采集，步进电机的驱动系统应该具有下列功能：

步进电机能够启动和停止；能够实现正转和反转；步进电机能够在任何位置锁定。

在测量过程中，为了提高运动精度，步进电机以三相六拍方式工作。

本系统采用配套的步进电机驱动器进行控制。

其特点是：

驱动器性能对电机的依赖性极小，不同参数电机均可获得优异性能；具有多种细分模式；

具有脱机控制信号；电机位置掉电记忆；静止时半自动电流锁定；输入输出信号光电隔离。

2.滚珠丝杠的选择

根据估算工作台、支架和测杆等上部组件的重量，假定压在滚珠丝杠上的重量为w=1500N，工作台的设计行走行程为800mm。

把以上计算所得数据与FFZD3205-3型滚珠丝杠的各项参数比较，可知该型号丝杠完全满足设计要求。

3.2.2测量部分的设计

测量部分是通过测量钢板的实际厚度和标准厚度的偏差来进行厚度测量的。

测量前先用标准量块代替标准钢板对传感器进行零点调节，具体的做法是先调节测头到钢板的距离，使其在传感器的测量范围内，然后通过传感器的控制器对传感器进行复位，此时传感器的模拟输出电压值为零。

测量时，若钢板的实际厚度与标准厚度存在偏差，即钢板上表面相对于传感器发生位移变化，传感器便输出一定量的模拟电压。

模拟电压输出值与厚度偏差值存在固定的线形关系，我们由这个线形关系便可推算出钢板的实际厚度。

1.传感器的选择。

电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且具有非接触测量的优点，因此广泛应用于工业生产的各个领域。

本系统采用的便是基士恩公司生产的EX-200系列中的EX-416圆柱形涡电流位移传感器，它具有如下的优点：

微小位移的精确模拟输出，EX-200系列以F.S.的0.04％的解析度来测量目标物，有两种模拟输出（电压/电流）可供连接到外部设备；EX-200系列使用内置线性化电路，可以精确的输出绝对位移值；高反应速度，EX-200系列提供最高达18KHZ反应频率，可以测量快速移动的物体；自动归零键，按下自动归零键就可以把当前的电压输出设定为0V，只要按下归零键即可

完成参考目标物的零值调节，在产品更换时可以容易而快速度地设定传感器。

本传感器的解析度为F.S的0.04％，测量范围为5mm，所以分辨率为2um，能够满足设计的要求。

2.数据采集系统的设计。

测量系统中，为了实现对外界各种模拟信号的测量，必须通过数据采集系统将信号送入控制系统中，数据采集系统是外部信号进入计算机的必经之路。

一般的数据采集系统由前置放大器A、采样保持放大器SHA、模数转换器ADC组成，其中前置放大器A的作用是将信号放大到ADC可以接受的范围，采样保持器的作用是保持输入信号在ADC转换期间不变，而ADC的作用就是把模拟量转化为数字量。

目前，随着大规模集成电路工艺的发展，市场上已经出现了各种专用的数据采集芯片。

这种芯片集高速度高精度SH、ADC、基准时钟源及数字接口与一体，可以达到很高的水平，本系统便采用了数据采集卡进行数据采集.该采集卡属于TDECISA系列，型号为TOP-10016，它是四通道同步并行数据采集模块，采用16Bit高精度A/D，每通道最高采样频率可同时达到100Kps，同时配有最高8M字节/通道的大容量SDRAM板载缓存，可实现多通道低速动态信号的实时记录。

它具有高速、大容量、并行采集、同步扩展的特点。

将采集卡插入PC机的插槽内工作，传感器将被测信号变为模拟电压信号，经屏蔽电缆与采集卡上的信号输入插槽直接连接，在配套TOPView2000虚拟仪器软件的控制下，可实现对模拟信号的采集和储存，并可在PC机上进一步完成数据的上是实时处理和后处理。

3.厚度数据的处理。

为了对钢板整体厚度进行精确的测量，本系统采用了多点采集厚度参数然后进行整体处理的方法。

传感器采集的信息经过数据采集后送计算机储存，当达到要求的测量次数时对储存的数据进行处理，以达到对钢板厚度进行整体测量的目的，所有的数据处理都是通过软件编程实现的。

3.3电路系统设计

CCD的输出信号是脉冲信号，其中既包含被测尺寸的信息，又含有大量的复位噪声和电子系统的白噪声，使得有用信号难以提取。

由于CCD本身的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性，CCD本身的光敏不均匀性、转移损失以及光源在通过待测目标边缘时的衍射现象等原因，使得CCD输出不会是理想的0/1信号，其包络的边缘必然带有明显的梯度，或者说，目标尺寸的两个边缘在CCD上成像的具体位置不可能十分确定。

导致CCD输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区，而且这一过渡区随着轮廓在视场中位置的变化而变化，这一变化直接影响捕捉真正代表物体边缘的特征点，进而影响测量精度。

因此，除了减少外界干扰外，如何从CCD的输出信号中提取出真正代表物体边缘的特征信息，是测量的难点所在。

真正表示物体的边缘点处，CCD输出信号的微分最大。

由于被测物体的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大，该点就是滤波后的视频信号电压函数u=u（t）在过渡区内的拐点，由高等数学的知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。

电路便于寻找为零的点。

基于此，可设计微分法处理电路提取测量信号。

图3.3.1未放工件输出信号

图3.3.2放出工件输出信号

观察CCD的输出波形，发现原始信号上附加有许多细小的“毛刺”，即各种噪声信号，有器件本身的噪声（如散粒噪声、热噪声、1/f噪声等），也有转移过程中附加的噪声（如复位噪声等）。

为了准确地从中提取出有用的信号成分，必须尽可能地抑制或消除各种噪声干扰。

归纳起来主要有以下几种方法：

1）低通滤波法（LFS）2）双斜率积分法（DSI）3）嵌位切除法（CCS）4）相关双取样（CDS）

另外CCD的输出信号幅值为2V～3V，可以直接进行信号处理，不需要放大环节。

信号处理原理图如图3.3.3所示：

图3.3.3信号提取电路示意图

第四章精度分析

4.1电路对测量精度的影响

由于外界环境及电路自身元器件的不稳定性，会使得测量结果偏离理想状况，下面主要介绍零点漂移现象及其产生的原因

1、什么是零点漂移现象：

ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。

2.产生原因：

温度变化，直流电源波动，器件老化。

其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。

3.克服温漂的方法：

引入直流负反馈，温度补偿。

典型电路：

差分放大电路

4.2误差分析

产生误差的原因较多，有些是可以采取一定方法避免或减小的，有些则是在设计中固有的或是客观环境中存在的，是不可避免的。

总体来说可以分为实验条件产生误差，系统硬件产生误差以及软件算法引起误差等。

（1）实验条件引起误差

主要是由于在实验室无法创造与工业现场完全相同的条件。

实验室无法模拟轧钢现场温度、灰尘、电机震动等各种复杂因素，实验环境要理想许多；电炉加热温度不能完全达到工业现场钢板温度；实验测量相机高度及镜头选择与轧钢现场选择不同。

同时人工测量的是冷却后钢板宽度作为标度，但CCD采集的是炽热钢板宽度，由于热胀冷缩，这也会引起试验误差。

（2）系统硬件引发误差

理想状况下CCD应该固定在与测量钢板垂直的正上方，但在实验时CCD相机位置固定时容易发生晃动，使成像大小发生变化，从而影响本系统的测量