单镜头激光三角法薄板厚度测量研究

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随着机械加工技术和材料成型技术的发展，板材类材料制造精度越来越高，这也对厚度测量设备的检测精度提出了更高的要求，实现高精度的在线测量能为材料加工行业的发展提供有力的支撑。在线测量技术不仅能提高生产线的自动化程度，而且能大大提高产品质量的稳定性、减少原材料的消耗、减少手工测量造成的人为干扰因素和误差。

基金项 目：国家九七三重点基础研究发展计划资助项 目(2007CB714000)作者简介 ：汪 琛(1988-)，男，硕士研究生，主要从事精密测量 、图像处理的研究。

通讯联系人。E-mail：zhaobin63###sohu.con收稿日期：2012-04-O1；收到修改稿 日期：2012-05-03- 般的在线测量手段采用 x射线或超声波作为测量媒介，其造价高或对人体有害↑年来，激光三角法以其测量速度快、降环保、安装调试方便的优点得到了广泛应用。已实现工业应用的激光检测手段其原理基于双光路激光三角法，该检测设备上下探头离被测物距离较大，量程大且可满足较高温度被测物的厚度测量。但被测物上下振动时，其上下独立测量系统难以同步，测量精度难以保证。

本文中研究的测厚模型基于直射性激光三角法测位移原理 ，采用上下对称布置的两个半导体激光器作为光源，采用两片同轴布置的成像透镜将光线汇聚到-个图像探测器上，测量过程中，图像采集和数据处理过程始终同步，消除了双光路激光三角法测厚模型上下测量系统难以同步的问题。同时，激光器光束中心线与成像透镜入射光束轴心线夹角大，测量系统的第 37卷 第 1期 汪 琛 单镜头激光三角法卞厚度测量研究 7分辨率高。

1 工作原理1.1 直射型激光三角法测位移原理直射型激光三角法光路示意图如图 1所示。激光器、成像透镜和图像探测器三者位置关系满足 Sche-impflug成像条件 j。处于铅垂线方向的激光器发出的光线聚焦到被测物上表面后，漫反射光线经过成像透镜后汇聚在图像探测器上，当被测物从图示标定平面移动 △日距离达到标定平面上方某-位置时，图像探测器上的光斑会相应移动 △ 的距离，二者之间的函数关系式可由相似三角形关系推导出：AHsin AH1 sinTd1- AHcost d0AH1cosT式中，O/为激光器光束轴心线与成像透镜光轴的夹角；为图像探测器感光面所在的平面与成像透镜光轴的夹角；d 为成像透镜光轴上的等效物距 ；d。为成像透镜光轴上的等效像距；△ 为被测物表面移动距离；△日。为图像探测器感光面上光斑移动距离。

、 、、 、、 i 、 、、， 、 、Fig.1 Schemes of perpendicular laser triangulation整理可得，当图像探测器上光斑移动 △ 距离时，被测物表面移动距离 △H的表达式为：d sjnoLAH -d-1-s-i-n--y----- -A--H--l-s-i-n-y c-o--s-a----- -A--H--l-s- -in--a--c-o-sy ×AH (2)通过图像处理得到图像探测器上光斑移动距离 △的值，即可求出被测物的真实位移值。

1.2 双光路激光三角法测厚原理双光路激光三角法测厚度的光路示意图如图2所示。其光路结构可视为由两个上下对称布置的直射型激光三角法光路组成，被测物的上下表面可看作两个相对参考平面，分别移动的距离为 和 ，其厚度表达式为：HH。 ，由前面所述知识及公式推导可得 ：d sinH1 -d-I-s-i-n--y---- - -A--H--l-s-i-n-y c-O--s-a----- -A--H--l-s- i-n--a--c-o-sy ×AH (3)1g· 3cIlelnes oI double laser tnangulatlon玎 - ! -dl S-in-T---AH-zs-in Tc-os-a ---AH-zs-in-acosT ×△ (4)式中，△日。和 △ 分别为 和 对应的光斑移动距离。此时，被测物厚度表达式为： dos ina△ d0sinadl sinT -AH2 sinycosa - A sinacosT1.3 测厚原理及特点△ (5)由几何光学知识可知，光学系统近轴区内可视为理想光学系统，在近轴区内，理想光学系统的垂轴放大率 定义为像的大小与物体的大小之比 。图3为本测量系统等效光路图。图4为理想光学系统成像示意图。如图4所示，被测物上下表面的光斑可分别视为相对于参考平面上方和下方高度为 h，和 h：的两个物体，在成像透镜后方所成像的像高分别为 Ah 和 Ah ，有：Ahl3h1，Ah23h2。于是有(AhlAh2)JB(h1h：)，式中，(h，h )即为被测物的实际厚度，(Ah Ah：)即为图像探测器感光面上下两光斑之间的距离。

Fig.4 Schemes of ideal optical imaging system图5是光路示意图的斜二轴测图。在图5中，上下激光器分别发射 1束光束经激光器前端透镜聚焦到被测物上下表面形成两个光斑，漫反射光线通过组合透镜汇聚到图像探测器感光面上形成两个成像光斑，第 37卷 第 1期 汪 琛 单镜头激光三角法卞厚度测量研究 9小背景灰度对光斑找中心的影响，然后利用重心法求取两光斑中心并计算两光斑间距。图像处理流程图如图 8所示。

Fig.8 Image processmg flow chart2.2 阈值的确定阈值分割是对灰度图像选取-个合适的阈值，以确定每-个像素点是属于目标区域还是背景区域。常用的阈值计算法有直方图法、Ostu法、最小误差法、均匀化误差法、最大熵法和概率松弛法 。 等。本系统采用阈值分割法进行图像预处理，选取原点处长宽为100×100个像元大小的区域灰度平均值作为阈值99 99∑∑ ， ) - - ， )是坐标为( ， )点处的灰度值。然后将目标区域中灰度值小于阈值的点全部置为0，以减小背景灰度对光斑求重心的影响。

2.3 厚度计算图像预处理完毕后，计算左右光斑重心的横坐标，并在重心处画十字丝标定，如图9所示。

Fig.9 Experimental picture重心横坐标表达式为：∑ ∑i×G( ， ) - - ∑∑G(i， )(8)式中， ，n，P，q分别为 目标区域左右边界的横坐标和上下边界的纵坐标；G(i，J.)是坐标为(i， )处的灰度值。计算沿 轴方向两重心之问的像素个数 N( - )作为两光斑距离。通过标定实验可得到像素个数与测量厚度之间的函数关系式 H (N)，将实时测得的像素个数带人该函数表达式，即可得 出被测物的厚度值。

3 系统标定及数据分析实际测量中，由于加工误差和定位误差引起的CCD像面不与被测物垂直，上下激光器没有严格对中，加之光学系统像差较大等原因，CCD像面上光斑间距与被测物厚度往往不成线性关系，为此，用最小二乘拟合来近似确定函数关系式。设 Ah和h满足 2阶函数式 hp1Ah p2Ahp3，其中，△ 为 CCD像面上两光斑间距，h为被测物厚度值，P ，P：和P 分别代表标定系数。

标定实验在系统量程内设计了 13组标准厚度被测物，对系统进行标定。采用沧州市长城量具有限责任公司生产的塞尺作为待测件，该套塞尺处在设计量程 中 的尺 片 厚 度 为 0.02mm，0.03mm，0.04mm，0.05mm ， 0.06ram， 0.07mm， 0.08mm ， 0.09mm ，0.10mm，0.15ram，0.20mm，0.25ram，0.30mm 共 13组，其厚度增量值及厚度范围完全满足标定实验的需求。标定实验每片塞尺分别测量 100次，取 100次光斑间距值的平均值参与拟合。对测量数据进行最小二乘拟合得：h 4.0246× 10- Ah -6.5619×10- Ah2.51078 (9)接下来将光斑间距代入标定函数式，得到测量厚度值。

表 1中列出了测量厚度与实际厚度的偏差。从表1中可看出，系统标定后被测物的测量值与实际值偏差最大为0.O094mm，不超过 0.01Inn，精度较高，适合板材制造业的生产线在线测量。

Table 1 Experimental data4 结 论所提出的单镜头激光三角法测厚系统实现了卞厚度的测量，进-步拓展了激光三角法在厚度测量上10 激 光 技 术 2013年 1月的应用。单镜头激光三角法测厚系统的建立，消除了双光路激光三角法上下测量系统难以同步的问题。光学设计中平面玻璃的引用，提高了设备对超薄物体的测量能力。激光器光束轴心线与成像透镜光轴的夹角比双光路激光三角法更大，该系统具有比已有激光测厚设备更大的分辨率。以不同厚度塞尺为被测物建立标定实验对系统精度进行验证，并利用最d--乘法拟合标定数据得到标定方程，由实验数据可看出，当厚度在 0.02mm～0.3mm之间时，测量误差小于 10lxm。本系统测量误差的主要影响因素在于光斑是否严格对中和物面是否保证水平。标定实验结果表明，本文中构建的单镜头激光三角法测厚系统测量误差较孝精度较高，具有良好的市场应用前景。