基于激光超声的板材厚度在线测量系统技术方案

基于激光超声的板材厚度在线测量系统，包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、数据处理系统集成，所述光路系统集成包括U型接地架、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜，数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方第一距离处，数据处理系统集成将峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波、横波前两次到达板材底面对心处的时间进而计算板材的厚度。本发明专利技术优点：适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度、厚度测量准确、误差小。

【技术实现步骤摘要】
基于激光超声的板材厚度在线测量系统
本专利技术涉及无损测量
，尤其涉及一种对板材进行激光超声在线测厚的系统，该系统适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度。
技术介绍
实际工业生产过程中，板材厚度的均匀性是一项重要指标，直接关系到后续加工量大小，影响产品最终成材率及整体加工成本。能否快速、精确的在线测量板材厚度值、能否及时根据测量结果对工艺流程做出调整，对于板材的厚度均匀性而言非常重要。由于工业生产用板材往往为表面粗糙、高低不平、温度不定的情况，且工作环境通常为高温、强腐蚀、高辐射等极端环境，一般的测厚装置由于不适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下工作，所以一般的测厚装置并不适用于工业板材的厚度在线测量，因此研究一种适合工业用板材的厚度在线测量系统很有必要。国内外现有板材测厚方式大体分为两类：接触式测量与非接触式测量。接触式测量因为对板材有一定损伤、在线测量难度大等劣势基本已被非接触式测量所取代，接触式测量对板材有一定损伤是因为：(1)传感器在板材表面直接接触作用可能损伤板材表面，(2)耦合剂为有机物质，可能对塑料等有机被测对象产生腐蚀等作用。目前常用的非接触式测量方法主要有：超声测厚、放射性射线测厚、激光测厚等。其中，放射性射线测厚因为对环境、人体具有较大损伤已逐步淡出企业视野。当前用的较多的是超声测厚以及激光测厚方法。然而，由于在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下，超声测厚所使用的耦合剂会出现失效问题，因而导致超声测厚仪无法在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下使用，于是，激光测厚方法慢慢进入企业选用范围。激光测厚也分为两种模式：利用光学原理测厚以及利用激光超声学原理测厚。公告号CN2349537Y，名称“激光在线测厚仪”，公告号CN203203562U，名称“激光测厚装置”，公布号CN203605912U，名称“一种激光测厚装置”等为代表的是利用光学原理测厚。其主要原理是板材厚度变化引起反射激光角度发生偏转，通过激光接收器、信号转换器等装置将位移变化转换为厚度变化从而实现对板材厚度的测量。无疑，利用光学原理测厚，理论上讲其精度很高，在板材表面绝对平整情况下理想测量厚度值甚至可以达到微米级，然而，工业生产板材往往都是表面极为粗糙、高低不平、温度不定的情况，所以，入射激光在板材表面往往遵循漫反射定律而不是反射定律，此类情况下，激光反射角度几乎就是在一定角度内随机分布，而不是遵循类似光滑表面时反射角等于入射角的Snell规律。此类情况下，利用激光接收器、信号转换器等寻找反射激光角的偏差值从而获取板材厚度值变化就存在较大误差，或许该方法在光学元件测厚领域适用，但由于工业生产板材往往都是表面粗糙、高低不平、温度不定的情况，因此该方法对于工业生产板材测厚而言误差较大，因此不是合理选择。而且，该类装置基本组成部分包含激光发射器、激光接收器、光电信号转化器等设备，该三种设备成本都比较高，整体设备造价也是不容乐观。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的上述不足，提供一种利用激光超声学原理测厚、适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度、厚度测量准确、误差小、整体造价不高的基于激光超声的板材厚度在线测量系统，该板材厚度在线测量系统还具有数据处理系统，能将峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波和横波的波峰到达板材底面对应的时间值以准确计算板材的厚度。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下的技术方案：基于激光超声的板材厚度在线测量系统，包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成；所述光路系统集成包括U型接地架、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜，所述三维移动平台包括Z向移动台、X向移动台、Y向移动台，所述控制柜通过螺栓固接在Z向移动台的第一移动平台上，Z向移动台通过螺栓固接在X向移动台的第二移动平台上方，X向移动台通过螺栓固接在Y向移动台的第三移动平台上方，由此可实现控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动；所述Y向移动台固定在所述U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，板材由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；所述光路调节系统包括分光镜、凸透镜、反射镜，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜向下垂直射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜水平射出并射入凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而提高数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该聚焦后的激光光斑分辨率与下述高速数据采集卡的100MHZ采样频率对应，经过凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为垂直向下，使得第二激光束直接入射到板材顶面，第二激光束在板材顶面激发激光超声波，该激光超声波包括在板材顶面传播的表面波、以及透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，从板材顶面垂直入射到板材底面对心处的纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射，纵波的传播速度大于横波的传播速度，当纵波和横波到达板材底面对心处时，板材底面对心处因为波的作用而产生上下位移变化，当纵波和横波反射离开板材底面对心处时，板材底面对心处恢复初始状态，纵波和横波在板材内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材底面对心处时，其所携带的能量最大，可激发板材底面对心处的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材底面对心处的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波的前两次到达板材底面对心处的时间计算板材的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射过程中，板材的厚度不发生变化；所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方第一距离处，板材水平地经过下方的电容式位移传感器，因此可实时测量板材对应电容式位移传感器的各处厚度值以衡量板材的厚度均匀性；板材构成电容式位移传感器的第一极板，电容式位移传感器的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成因此可在极端环境下正常工作，当纵波和横波到达板材的底面时，板材底面对心处产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对心处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对心处的电容发生变化并使得对心处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集电容式位移传感器的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHZ。采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用实现了板材厚度的非接触式测量；所述数据处理系统集成包括数据处理系统和显示屏，由于高速数据采集卡采集的数据为峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号，数据处理系统用于对高速数据采集卡采集的双极性信号依次进行一次本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于激光超声的板材厚度在线测量系统，其特征在于：包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成；所述光路系统集成包括U型接地架、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜，所述三维移动平台包括Z向移动台、X向移动台、Y向移动台，所述控制柜通过螺栓固接在Z向移动台的第一移动平台上，Z向移动台通过螺栓固接在X向移动台的第二移动平台上方，X向移动台通过螺栓固接在Y向移动台的第三移动平台上方，由此可实现控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动；所述Y向移动台固定在所述U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，板材由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；所述光路调节系统包括分光镜、凸透镜、反射镜，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜向下垂直射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜水平射出并射入凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而提高数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该聚焦后的激光光斑分辨率与下述高速数据采集卡的100MHZ采样频率对应，经过凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为垂直向下，使得第二激光束直接入射到板材顶面，第二激光束在板材顶面激发激光超声波，该激光超声波包括在板材顶面传播的表面波、以及透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，从板材顶面垂直入射到板材底面对心处的纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射，纵波的传播速度大于横波的传播速度，当纵波和横波到达板材底面对心处时，板材底面对心处因为波的作用而产生上下位移变化，当纵波和横波反射离开板材底面对心处时，板材底面对心处恢复初始状态，纵波和横波在板材内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材底面对心处时，其所携带的能量最大，可激发板材底面对心处的位移最大，因 此利用纵波和横波前两次到达板材底面对心处的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波的前两次到达板材底面对心处的时间计算板材的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射过程中，板材的厚度不发生变化；所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方第一距离处，板材水平地经过下方的电容式位移传感器，因此可实时测量板材对应电容式位移传感器的各处厚度值以衡量板材的厚度均匀性；板材构成电容式位移传感器的第一极板，电容式位移传感器的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成因此可在极端环境下正常工作，当纵波和横波到达板材的底面时，板材底面对心处产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对心处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对心处的电容发生变化并使得对心处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集电容式位移传感器的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHZ。采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用实现了板材厚度的非接触式测量；所述数据处理系统集成包括数据处理系统和显示屏，由于高速数据采集卡采集的数据为峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号，数据处理系统用于对高速数据采集卡采集的双极性信号依次进行一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理，以使峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波第一次到达板材底面对心处、横波第一次到达板材底面对心处、纵波第二次到达板材底面对心处、横波第二次到达板 材底面对心处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波第一次到达板材底面对心处产生纵波的第一次波峰，之后是横波第一次到达板材底面对心处产生横波的第一次波峰，之后纵波和横波分别垂直地反射至板材顶面，再由板材顶面垂直地反射回板材底面对心处，所以之后是纵波第二次到达板材底面对心处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材底面对心处产生横波的第二次波峰，纵波的第一次波峰和横波的第一次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T1，纵波的第一次波峰和纵波的第二次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T2，横波的第一次波峰和横波的第二次波峰的时间间隔为横波第一次到达板...

【技术特征摘要】
1.基于激光超声的板材厚度在线测量系统，包括光路系统集成、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成，其特征在于：还包括高温检测计；所述光路系统集成包括U型接地架、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜，所述三维移动平台包括Z向移动台、X向移动台、Y向移动台，所述控制柜通过螺栓固接在Z向移动台的第一移动平台上，Z向移动台通过螺栓固接在X向移动台的第二移动平台上方，X向移动台通过螺栓固接在Y向移动台的第三移动平台上方，由此可实现控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动；所述Y向移动台固定在所述U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，板材由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；所述光路调节系统包括分光镜、凸透镜、反射镜，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜向下垂直射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜水平射出并射入凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而提高数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜聚焦后的激光光斑直径为0.5mm，该聚焦后的激光光斑分辨率与下述高速数据采集卡的100MHZ采样频率对应，经过凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为垂直向下，使得第二激光束直接入射到板材顶面，第二激光束在板材顶面激发激光超声波，该激光超声波包括在板材顶面传播的表面波、以及透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，从板材顶面垂直入射到板材底面对心处的纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射，纵波的传播速度大于横波的传播速度，当纵波和横波到达板材底面对心处时，板材底面对心处因为波的作用而产生上下位移变化，当纵波和横波反射离开板材底面对心处时，板材底面对心处恢复初始状态，纵波和横波在板材内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材底面对心处时，其所携带的能量最大，可激发板材底面对心处的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材底面对心处的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波的前两次到达板材底面对心处的时间计算板材的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射过程中，板材的厚度不发生变化；所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在板材底面对心处下方第一距离处，板材水平地经过下方的电容式位移传感器，因此可实时测量板材对应电容式位移传感器的各处厚度值以衡量板材的厚度均匀性；板材构成电容式位移传感器的第一极板，电容式位移传感器的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成因此可在极端环境下正常工作，当纵波和横波到达板材的底面时，板材底面对心处产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对心处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对心处的电容发生变化并使得对心处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集电容式位移传感器的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHZ，采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用实现了板材厚度的非接触式测量；所述数据处理系统集成包括数据处理系统和显示屏，由于高速数据采集卡采集的数据为峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号，数据处理系统用于对高速数据采集卡采集的双极性信号依次进行一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理，以使峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波第一次到达板材底面对心处、横波第一次到达板材底面对心处、纵波第二次到达板材底面对心处、横波第二次到达板材底面对心处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波第一次到达板材底面对心处产生纵波的第一次波峰，之后是横波第一次到达板材底面对心处产生横波的第一次波峰，之后纵波和横波分别垂直地反射至板材顶面，再由板材顶面垂直地反射回板材底面对心处，所以之后是纵波第二次到达板材底面对心处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材底面对心处产生横波的第二次波峰，纵波的第一次波峰和横波的第一次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T1，纵波的第一次波峰和纵波的第二次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T2，横波的第一次波峰和横波的第二次波峰的时间间隔为横波第一次到达板材底面对心处和横波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T3，所述高温检测计设置在板材的上方用于测量板材的温度，根据板材的材料属性以及测量温度值，可以查得纵波在板材内的传播速度Vp以及横波在板材内的传播速度Vs，于是板材的厚度h有以下三种计算方法：方法一，利用纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T1计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世锡，刘永强，甘春标，刘学坤，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33