1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 激光传感器测厚方法及测厚装置的设计 一、选题的背景、意义 随着我国经济的迅速发展 ， 市场经济的 竞争 日益激烈。由于现代工业的快速发展，单一的金属或合金已难以完全满足现代化生产对材料综合性能的需求 ,因此人们发展了复合材料。 复合材料是为达到预期的使用特性将两种或两种以上材料 通过 物理或化学的复合 方法，在宏观上组成 了 具有新性能的材料 1 。 金属基复合材料作为复合材料中的一个重要代表， 以金属、合金或金属间化合物为基体 , 将高强度的第二项为增强体而制得的复合材料 2 。 金属基复合材料是近 年来迅速发展起来的高性能材料之一 ,最早应用于航空、航天和
2、军事领域 。随着科学技术 的不断发展，新型制造方法的出现，金属基复合材料正越来越多地应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域，将在各个领域发挥广阔的应用前景 3 。 由于金属基复合材料的应用领域的扩大，复合材料生产线也将随之增多。 此外， 我国 加入世界贸易组织 后，随着国际化的经济往来，用户对于产品质量的要求越来越高。在此，对于复合板材的生产过程对复合板材质量的严格把关是迫切需要的。复合板材的质量取决于板材的厚度，则需要实时监测复合板材的厚度。现针对国内中小 型金属复合板材企业的板厚测量方式进行改良，结合现代化测试技术，运用计算机数据处理及国内外相关的、成熟的监测理论，进行金属复合板厚度
3、在线监测系统的设计研究 4 。 二、相关研究的最新成果及动态 早在 1916 年，物理学家爱因斯坦已经发现了激光原理 ，但 是 直到 1960 年激光才被首次成功制造 。激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干辐射，能发射出激光的装置，称为激光器 5 。激光传感器一般是由激光器 、 光学零件和光电器件所构成的，它能把被测物理量 的 长度 、 流量 、 速度等转换成光信号，然后应用光电转换器把光信号变成电信号 ，通过相应电路的过滤 、 放大 、 整流得到输出信号，从而算出被测量 。 利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等
4、物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。 现代测 厚传感器可分为接触式和非接 触式两类 。测厚 传感器 通常 采用两个相同的位移传感器分别安装于被测材料的 上下两面 ，将两个传感器的测量值平均，以提高测量精度。接触式厚度传感器可测量移动速度较低 （小于 5 米 /秒） 的材料 ,精度可达 0.1 1。 接触式测厚方法对所测材料的成分不敏感，在测量过程中板材厚度与探头的气压、温度有关。当探头气压超过 0.3 MPa 时 ,板材越厚 ,测量精度越低；理想条件下的环境温度为 25 ,此时的测量精度最高 6 。若板材上粘带有灰尘也对探头的影响较大，特别是对厚而硬的板材，板材边部的弯曲也会对测量
5、精度产生影响 7 ，则启用超差报 警与标示 8 。非 接触式厚度 传感器 适用 于连续快速 的 测量 。 目前，在工业机械领域或现场应用中，最常用的是激光测距传感器，这种传感器同时结合了分辨率高和测量范围广的特性。目前传感器厂家提供的型号大多是分辨率小于 10 m 范围在 1 米之内的。高分辨率的定义是将较短距离的位移变化完全显示在相对的小窗口上，因此， 1 m 的分辨率和 1m 的探测距离不会同时出现 9 。近距离激光测距传感器一般采用激光 三角法 测距：系统 用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高 度不同，所接受散射
6、或反射光线的角度也不同，用 CCD 光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度 和折射率 ，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度 10 。当物体沿激光线方向发生移动时，测量 值 就将发生改变，从而实现用激光测量物体的 厚度 11 。可根据激光源的入射光线与被测工件表面法线的角度关系分为直射式和斜射式 12 。本课题采用直射式三角测量法进行研究。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 1 课题的研究内容 本课题所提出的激光传感器测厚装置是使用两个激光位移传感 器采用直式激光三角法工作原理对光洁复合板材进行厚度的在线监测。其中生产过程中的环境因素和
7、测试装置的客观原因等将会影响测量结果。此激光测厚装置通过运用差动式微位移机构对激光位移传感器的位置进行控制，实现扫描式动态监测。测厚系统所监测到的数据以电信号的方式传送至数据处理中心进行分析处理，实现实时监测的目的。本课题的研究是基于金属复合板材生产过程中的厚度监测，相对于传统的测量，提供了在线测量，实时分析，能够帮助生产线上的工作人员根据分析结果及时调整工作进程。 2 课题采取的研究方法（技术路线） 激光三角法测厚法中由 于只有一个准确的调焦位置 ,其余像都处于于不同程度的离焦位置，降低了测量准确度。因而在结构设计时，可将 CCD 平面与接收透镜平面形成一个倾角 2 来满足 Scheimpf
8、lug 条件 13 ，即： 21 tantan （ 1） 式中， 为接收透镜光学系统横向放大率。这样使一定测量范围内的被测点都能聚焦成像在 CCD 平面上 , 扩大了系统的景深 , 保证了测量准确度。若光线在线性CCD 成像面上相对于基准点位移为 x ,则被测面的位移 x 可按下式求出： 2112s inxs in s inxx L L （ 2） 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 CCD 成像面的距离， 1 为激光束光轴与接 收透镜光轴之间的夹角， 2为 CCD 平面与接收透镜光轴之间的夹角 14 。 3 研究难点 根据激光位移传感器的
9、工作原理 ,首先建立激光在线测厚装置的模型 ,在板材的上下两面各安装一个传感器，并由 U 型工作台进行固定 11-12 。由于激光三角法的原理限制了该测厚系统中的激光位移传感器的测量范围，在一般情况下传感器的精度越高测量范围越窄。在实际测量过程中，若要实现连续、有效地测量，必须保证测厚系统中的两个激光位移传感器对于被测面的相对位置处在其有效的测量范围之内。同时，板材的曲 面变化以及不同厚度、规格，都会使被测面超出测量范围。现采用步进电机驱动的差动微位移机构动态地调节工作台，即改变激光传感器在板材表面的测量位置，实现保证板材厚度测量的有效性和扩展系统测量范围的目的 13 。但采用这种方案将带来两
10、个问题：步进电机突然制动所引入的外来振动干扰引起厚度测量误差以及因环境温度变化所导致的工作台变形引起厚度测量误差 2 。 在线板厚的测量中，由于检测环境较恶劣，干扰因素多，且激光三角法易受到被测表面的特性、被测物或测量装置的振动、现场的干扰噪声以及测量的实际要求等因素的影响，使检测信号 受到外界干扰和随机噪声污染，直接影响了测量结果的精度 15 。若仅采用提高测厚装置的制造、装调精度，以及对测试条件的高要求等消除或减少误差源的措施是很难达到的。通过对测量数据的预处理分析动态的测量误差，快速准确地提取实际板厚分布，已成为当前提高测试精度的主要目标。同时，复合板材厚度检测为产品质量控制系统的一个环
11、节，数据预处理的过程要满足实时性的要求，则需要构建激光板厚测量的数据预处理系统 15 。 4 预期达到的目标 （ 1）针对实际生产线上的情况，提出板材厚度在线测量方案，且该方案符合经济和功能双标准。 （ 2）完成复合板材厚度在线监测系统总体方案的设计，并按有关标准要求，完成硬件的力学结构设计和系统电路的图纸。 （ 3）系统设计中考虑到能消除由于步进电机振动和环境温度引起的测量误差，板材厚度公差控制在 0.1mm 范围内。 （ 4）完成激光测厚装置的设计。 四、研究工作详细进度和安排 2010.11.01-2011.01.10 完成文献综述和外文翻译。 2011.01.11-2011.02.27
12、 完成开题报告。 2011.02.28-2011.03.31 提出板材厚度在线测量方案。完成总体方案的设计和论证。 2011.04.01-2011.05.20 完 成 板 材 厚 度 在 线 检 测 装 置 的 设 计 。2011.05.21-2011.05.26 文档整理，论文评阅、修改和答辩准备。 2011.05.27-2011.05.29 毕业答辩。 5参考文献 1 潘晓亮，高芝，谢世坤等 . 金属层状材料的复合技术及其新进展 J 安徽冶金， 2008,（ 4）： 20-23 2 胥锴 ， 刘政 ， 刘萍 .金属基复合材料的发展及其应用 J . 南方金属 ,2005(6):1-6. 3
13、张效宁 ， 王华 ， 胡建杭 等 . 金属基复合材料研究进展 J .云南冶金 ， 2006,35（ 5）： 53-58. 4 曹 坚 ,钱苏翔 ,杨世锡 . 基于激光 - CCD的高精度在线测厚系统研究 . 机械设计与研究 2006， 22（ 6） ： 91-95. 5 钱苏翔 ,曹坚 ,顾小军 等 基于 LABVIEW 的复合板厚度在线监测系统 J 机械制造 ， 2005， 43（ 496）： 53-55. 6 杨敏 ,李期琇 . 接触式测厚仪在冷轧带钢轧机的应用 J. 江西冶金 , 2010,30（ 4）： 34-36. 7 罗 剑 . 用于非接触测量激光测头的研制 J .科技信息 200
14、9（ 1）： 516-517. 8 程明山 .测厚仪在铜板带轧制中的应用分析 J.有色金属加工 ,2009,38(4)：16-17. 9 SeungJoon Lee， Joon-Hyun Lee. Eexperimental non-contact evaluation of delamination in cfrp composite plates by laser generation/air-coupled detection ultrasonic system J . Modern Physics Letters B， 2008,22（ 11）：827-832. 10 Bochove
15、E.nonlinear refractive index of a rare-earth-doped fiber laserJ. Opt.lett.2004,29(20)： 2414-2416. 11 程明山 .测厚仪在铜板带轧制中的应用分析 J.有色金属加工 ,2009，38(4)： 16-17. 12 冯俊艳 ,冯其波 ,匡萃方 .高精度激光三角位移传感器的技术现状 J .应用光学， 2004, 25（ 3） 33-36. 13陈骥，王鑫，曹久大等 .高速 CCD 激光位移传感器 J .光学精密工程，2008,16（ 4）： 611-616. 14布拉德纽曼 .在线及离线型激光测厚仪及其应用 J .轮胎工业， 2007：760-763. 15 周俊峰，谭建平 . 激光板厚测量数据实时预处理方法 D.中南大学 2005.
