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鳳鳴亮科技發(fā)明的激光測(cè)厚儀與美日德英等國(guó)的激光測(cè)厚儀原理分析
一、概述
自從上世紀(jì)60年代激光產(chǎn)生以后，其高方向性和高亮度的優(yōu)越性就一直吸引著人們不斷探索它在各方面的應(yīng)用，其中，工業(yè)生產(chǎn)中的非接觸、在線測(cè)量是非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，它可以完成許多用接觸式測(cè)量手段無(wú)法完成的檢測(cè)任務(wù)。普通的光學(xué)測(cè)量在大地測(cè)繪、建筑工程方面有悠久的應(yīng)用歷史，其中距離測(cè)量的方法就是利用基本的三角幾何學(xué)。在上世紀(jì)80年代末90年代初，人們開始激光與三角測(cè)量的原理相結(jié)合，形成了激光三角測(cè)距器。它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，不受被測(cè)物的材料、質(zhì)地、型狀、反射率的限制。從白色到黑色，從金屬到陶瓷、塑料都可以測(cè)量。
二、激光三角測(cè)量的原理
激光三角測(cè)量法是人們將激光與三角測(cè)量的原理相結(jié)合的產(chǎn)物，其原理如下圖示：
它是將激光作光源，用線陣CCD作光電轉(zhuǎn)換器，用玻璃透鏡將被測(cè)物上的光斑聚焦
成點(diǎn)，再成像到線陣CCD上，線陣CCD上的光電信號(hào)再移到計(jì)算機(jī)處理，從而得到距離信號(hào)。這就是激光三角測(cè)量的基本原理。
三、美日德英激光三角測(cè)厚儀的原理
有了激光三角位移傳感器，就為激光測(cè)厚儀墊定基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)原理如下圖所示，
 
美日德英激光測(cè)厚儀原理
從上圖可得：厚度為：  公式中，t表示厚度，z是上下兩個(gè)測(cè)頭間的距離，x是上測(cè)頭到被測(cè)物上表面的距離，y是下測(cè)頭到被測(cè)物下表面的距離，只要z是恒定的，則，上下測(cè)頭測(cè)量出x，y，就可以通過(guò)上面的公式算出厚度t，這樣，用兩個(gè)激光位移傳感器就可以做出測(cè)厚儀。
四、美日德英激光三角測(cè)厚儀的誤差分析
- 上面的厚度公式中我們假設(shè)z是恒定的，則，在靜止?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)誤差就是上下測(cè)頭的測(cè)量誤差，我們令其表達(dá)式為：
- 實(shí)際上，在高精度測(cè)量時(shí)，z并不是恒定的，因?yàn)椋舷聹y(cè)頭是裝在U形支架上，而隨著溫度的變化，U形支架是會(huì)變形的，掃描寬度越寬其變形量就越大，所以，其在靜止?fàn)顟B(tài)下的誤差表達(dá)式應(yīng)為：
 ，見下圖示，
當(dāng)溫度變化時(shí)。
1）假若U形支架的上臂向上變形一微米，下臂向下變形一微米，則，
2）假若U形支架的上臂向下變形一微米，下臂向上變形一微米，則，
3）假若U形支架的上臂向上變形一微米，下臂向上變形一微米，則，
4）假若U形支架的上臂向下變形一微米，下臂向上變形一微米，則，
5） 假若U形支架的上下臂向其它方向變形，則，誤差比較復(fù)雜。
- 上面分析是假設(shè)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的測(cè)量誤差表達(dá)，而實(shí)際上激光測(cè)厚儀是要求能做到在線，動(dòng)態(tài)掃描測(cè)量的，我們?cè)賮?lái)分析動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)的誤差情況。
我們知道，線陣測(cè)頭的輸出值是一段時(shí)間的測(cè)量結(jié)果的平均值。在動(dòng)態(tài)測(cè)厚過(guò)程中，激光焦點(diǎn)在被測(cè)物表面掃描，由于激光散斑的原因，表面反射光強(qiáng)存在劇烈的起伏，導(dǎo)致一些采樣點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度過(guò)低，成為無(wú)效數(shù)據(jù)而剔除，若單測(cè)頭每次平均需m個(gè)數(shù)據(jù)，之間會(huì)剔除n個(gè)數(shù)據(jù)，則需要增加測(cè)n個(gè)數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量為m+n個(gè)，這可形象地用下圖表示。
 
由于上下表面的數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，因此，上下表面數(shù)據(jù)序列中被剔除的數(shù)據(jù)也是獨(dú)立的（見上圖中的一個(gè)箭頭表示一個(gè)剔除數(shù)據(jù)）。如果物體不動(dòng)或高度不變，則剔除數(shù)據(jù)的位置沒有什么影響，但當(dāng)物體抖動(dòng)量較大時(shí)，被剔除數(shù)據(jù)的位置對(duì)平均值的影響將立刻顯現(xiàn)出來(lái)，例如當(dāng)表面上升時(shí)（下圖）
 
剔除數(shù)據(jù)的位置靠前則m個(gè)數(shù)據(jù)的平均值偏大，反之則偏小。
由于上下兩個(gè)測(cè)頭內(nèi)部對(duì)剔除數(shù)據(jù)的操作是獨(dú)立的，無(wú)法進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此，物體抖動(dòng)必然導(dǎo)致厚度測(cè)量結(jié)果的較大起伏！這種誤差的統(tǒng)計(jì)估計(jì)如下：
由上圖可知，兩個(gè)測(cè)頭的數(shù)據(jù)錯(cuò)位范圍為（-n，+n），處于各種錯(cuò)位情形的概率均等，則由概率論知，均方差為 個(gè)數(shù)據(jù)，若物體移動(dòng)速度為V，單次采樣時(shí)間為T，則造成的上下兩測(cè)頭的厚度測(cè)量的概率誤差為 ,例如，若v=10mm/s, T=10ms, n=2, 則e=0.115mm！若上下測(cè)頭組合儀取p個(gè)數(shù)平均，則厚度誤差均方差下降為 ，若p=20，則e=0.026mm！對(duì)于高精度測(cè)量仍然是無(wú)法容忍的！
由于激光散斑是無(wú)法消除的，因此，被測(cè)物速度越大，誤差越大，因此原理上，上下獨(dú)立測(cè)頭不適宜抖動(dòng)物體的測(cè)厚！
五、結(jié)論
從上面的分析，我們可以知道：美日德英用激光位移傳感器構(gòu)成的測(cè)厚儀存在著原理上的缺陷，其誤差的產(chǎn)生都是隨機(jī)的，所以，無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)償，故，在高精度測(cè)厚時(shí)不能滿足測(cè)厚要求。
六、鳳鳴亮科技激光在線測(cè)厚系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介
鳳鳴亮科技激光三角測(cè)厚儀是重新設(shè)計(jì)發(fā)展而來(lái)，它克服了美日德英由于U形支架變形、振動(dòng)等導(dǎo)致測(cè)量精度不高，由于采用二個(gè)光電轉(zhuǎn)換部件導(dǎo)致工作不同步而導(dǎo)致上下兩測(cè)頭的測(cè)量點(diǎn)不重合，及由此導(dǎo)致測(cè)量精度不高，測(cè)量精度不穩(wěn)定等不足。鳳鳴亮激光測(cè)厚儀從測(cè)量原理上做了重新設(shè)計(jì)，不再采用兩個(gè)位移傳感器分別測(cè)量上下測(cè)頭到被測(cè)物的上下表面的距離來(lái)算出厚度，而是直接測(cè)量被測(cè)物的厚度，避免了U形支架變形、振動(dòng)等導(dǎo)致測(cè)量誤差，大大提高了測(cè)量精度，而且不怕振動(dòng)，并且安裝使用更簡(jiǎn)單，工作更穩(wěn)定，測(cè)量精度更高（+/-0.002mm），它無(wú)環(huán)境污染，對(duì)人無(wú)傷害，對(duì)被測(cè)物無(wú)污染無(wú)接觸，同時(shí)鳳鳴亮的激光在線測(cè)厚儀有完整的數(shù)據(jù)輸出接口，這為涂布機(jī)的日后閉環(huán)自動(dòng)控制打下了基礎(chǔ)，
詳見原理圖：
鳳鳴亮激光測(cè)厚儀原理
上述原理圖的工作原理：上下二個(gè)激光器將激光束分別打在被測(cè)物的上下表面，形成二個(gè)光斑，無(wú)衍射光學(xué)系統(tǒng)將這二光斑成像到面陣CCD或DSP等光電轉(zhuǎn)換部件上，則，這二個(gè)光斑在面陣CCD或DSP等光電轉(zhuǎn)換部件上的光斑的像之間的距離就是被測(cè)物厚度的映射，通過(guò)圖像處理技術(shù)就能算出被測(cè)物的厚度。
從上面的原理圖可知，U形支架上安裝的不是激光位移測(cè)頭，而是激光器，僅作為光源用，上下激光器照射到被測(cè)物的上下表面形成上下二個(gè)光斑，將這兩個(gè)光斑通過(guò)一個(gè)無(wú)衍射光學(xué)系統(tǒng)成像到面陣CCD上，則，這二個(gè)光斑之間的距離就是被測(cè)物的厚度，這樣直接測(cè)量的是被測(cè)物的厚度，這就避免了由于U形支架的變形和上下測(cè)頭的測(cè)量誤差還有抖動(dòng)等因素的影響，系統(tǒng)只有一個(gè)誤差，就是無(wú)衍射光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量誤差，而這個(gè)誤差不是隨機(jī)產(chǎn)生的，是可以補(bǔ)償?shù)�，同時(shí)我們的單鏡頭面陣ccd測(cè)厚儀，由于是上下光斑同時(shí)測(cè)量，若出現(xiàn)上下任一光斑太暗，則該組上下光斑數(shù)據(jù)作廢，保證了用于厚度數(shù)據(jù)的上下光斑的一一對(duì)應(yīng)性！從原理上避免了第一代測(cè)厚儀的多項(xiàng)誤差。故，第二代激光測(cè)厚系統(tǒng)比第一代激光測(cè)厚系統(tǒng)有無(wú)比優(yōu)異性能。
本產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)發(fā)明專利：
鳳鳴亮激光測(cè)厚儀原理
上述原理圖的工作原理：上下二個(gè)激光器將激光束分別打在被測(cè)物的上下表面，形成二個(gè)光斑，無(wú)衍射光學(xué)系統(tǒng)將這二光斑成像到面陣CCD或DSP等光電轉(zhuǎn)換部件上，則，這二個(gè)光斑在面陣CCD或DSP等光電轉(zhuǎn)換部件上的光斑的像之間的距離就是被測(cè)物厚度的映射，通過(guò)圖像處理技術(shù)就能算出被測(cè)物的厚度。
從上面的原理圖可知，U形支架上安裝的不是激光位移測(cè)頭，而是激光器，僅作為光源用，上下激光器照射到被測(cè)物的上下表面形成上下二個(gè)光斑，將這兩個(gè)光斑通過(guò)一個(gè)無(wú)衍射光學(xué)系統(tǒng)成像到面陣CCD上，則，這二個(gè)光斑之間的距離就是被測(cè)物的厚度，這樣直接測(cè)量的是被測(cè)物的厚度，這就避免了由于U形支架的變形和上下測(cè)頭的測(cè)量誤差還有抖動(dòng)等因素的影響，系統(tǒng)只有一個(gè)誤差，就是無(wú)衍射光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量誤差，而這個(gè)誤差不是隨機(jī)產(chǎn)生的，是可以補(bǔ)償?shù)�，同時(shí)我們的單鏡頭面陣ccd測(cè)厚儀，由于是上下光斑同時(shí)測(cè)量，若出現(xiàn)上下任一光斑太暗，則該組上下光斑數(shù)據(jù)作廢，保證了用于厚度數(shù)據(jù)的上下光斑的一一對(duì)應(yīng)性！從原理上避免了第一代測(cè)厚儀的多項(xiàng)誤差。故，第二代激光測(cè)厚系統(tǒng)比第一代激光測(cè)厚系統(tǒng)有無(wú)比優(yōu)異性能。
本產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)發(fā)明專利：
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