一种线状激光窄带滤光ＰＳＤ热辐射板厚测量方法技术

一种线状激光窄带滤光ＰＳＤ热辐射板厚测量方法。该测量方法通过线状激光器发出激光照射到样品表面，从样品表面漫反射回的光，经窄带滤光片和透镜后射到ＰＳＤ光敏面上，在光的作用下ＰＳＤ两侧输出两路电流信号，对ＰＳＤ输出的电流信号进行处理，得出测量的厚度。测量系统采用双光路结构光学差动测量法，该方法对测量系统由于角度倾斜引起的角度偏差具有一定的补偿作用，比较适合在恶劣的工业生产环境进行实时非接触测量。

【技术实现步骤摘要】
一种线状激光窄带滤光PSD热辐射板厚测量方法
本专利技术属于光学测量、光电检测
特别是利用PSD光电位置传感器、采用 光学差动法测量热辐射钢板厚度。
技术介绍
工业生产中，传统的离线接触式测量法只能对原材料、零部件等的尺寸进行测量，而无法对生产流水线上的产品的尺寸进行实时测量，如果能对生产线上的产品进行实时测量，就可以减少原料浪费、降低生产成本、提高生产效益。目前应用最广泛的一种非接触式测量法是一单光路结构光学三角法。 采用传统单光路结构(激光垂直入射)光学三角法测量厚度时，为了减小离焦对测量产生的影响，系统必须满足Scheimpflug条件，即入射光线、PSD光敏面、透镜主光轴三者延长相交于一点。其测量原理图见附图l，计算公式为-- xZn sin O群2 =她=A sin a + x sin(a + O)}丄0 sin <!> sin a + y sin(a + d>)丄/，一/,(1)(2)(3)(4)2 ^+A其中仏、A为标准样品的上下表面(为描述方便，在此把与样品厚度相关的两表面称为上下两表面，下同)，/ -A仏为标准样品的厚度。92、 ^为待测样品上下表面，// = / 2&为待测样品的厚度，AA、 ^&为待测样品上下表面与标准样品上下表面之间的距离。^为待测样品下表面与标准样品下表面所对应的光斑在PSD上产生的偏移量；少为待测样品上表面与标准样品上表面所对应的光斑在PSD上产生的偏移量。￡。为激光在标准样品上的入射点C到透镜中心O的距离；A为PSD中点C'到透镜中心O的距离。C、 C'是关 于透镜的一对物像共轭点。a为从标准样品表面反射光线与标准样品表面法线所成的角； O)为PSD光敏面与透镜光轴的夹角。由于上下表面测量光路是完全对称的，所以Z。、 ^、a、 0>在式(1)和式(2)中取相同的值。x、 Y通过式(4)来计算，其中Z为PSD敏感区长度，/,、 /2为PSD两端输出的电流，；c、 y的符号由/p /2的相对大小来确定。而/,、 /2分别是由PSD的哪一端输出的电流可以按如下方法确定，取两块已知为不同厚度的标准样品，首先用厚度较小的样品来较准系统，使激光经该样品反射后在PSD上所形 成的光斑正好在PSD的光敏面中心位置，然后将样品换为厚度较大的样品，这样光斑会 偏离PSD光敏面中心而偏向PSD的某一端，光斑所偏向的这一端(即离光斑近的端)输出的电流就是/2，另一端输出的电流就是A。如图1所示，当样品由厚度较小的^变为 较大的时，光斑向右移动，所以右端输出的电流就是/2，左端输出的就是/,。根据 PSD的结构及产生电流的机理可知/2大于/" PSD的结构具有如下特点从光斑处把PSD分为两段，这两段等效为两个并联的电阻，离光斑近的那一端电阻小，离光斑远的那一端 电阻大，而PSD产生的电流分流向两端，电阻大的电流就小，电阻小的电流就大，所以离光斑近的那端因为电阻小而输出的电流/2就大，而另一端则相反，输出的电流/,要小些。目前的光学测量系统中使用的光源多数为点光源，这种光源在PSD表面产生的光斑 为具有一定面积的圆光斑，因此，这种测量系统在定位时会产生一定的误差而影响测量的准确性。另外，工业生产的环境往往比较恶劣，如高温、辐射等等，所以不适合工作人员对 测量仪器进行长时间较准，当测量系统由于震动或使用时间过长而出现角度倾斜时，就需 要对系统进行较准，否则会带来很大的测量误差。另外如果待测样品处于不规测的运动状 态，比方说跳动、振动等，也会产生角度倾斜。如果测量系统采用的是单光路结构光学三 角法就无法对这种角度倾斜所引起的测量误差进行补偿，如附图2所示(只画出样品下表面情况，上表面类似)，乃为标准样品的下表面，A为待测样品下表面，^'为产生角度倾斜的待测样品下表面，在没有角度倾斜时，PSD光敏面上光斑偏移量为;c，发生倾斜时PSD光敏面上光斑偏移量变为x，由式(1)知，^的测量值会产生较大误差。因此，在较恶劣的生产环境或者其它存在角度倾斜的情况下，单光路结构光学三角法的应用受到 限制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是解决单光路结构光学三角法的局限性及点光源存在较大误差的问 题，提出一种线状激光窄带滤光PSD热辐射板厚测量方法。该方法可以在恶劣生产环境 中对热辐射板进行实时非接触式测量。双光路结构光学差动法，其测厚原理见附图3。测量原理是利用PSD的横向光电效 应，由激光器发出的光经待测物表面反射，再经由特定光学系统照射到PSD上，光信号被PSD转变为电信号输出，最后对电信号进行一系列的运算处理就可以算出待测物的厚 度。与当前应用最广泛的一种非接触式测量法一单光路结构光学三角法相比，本专利技术采用 的双光路结构光学差动法具有一定的优越性。双光路结构光学差动法对角度偏差所引起的误差具有一定的补偿作用，如附图4所 示，由于测量装置发生倾斜可以等效为待测样品发生倾斜，所以在图4中为了方便起见只画了待测样品发生倾斜，并且只画了下表面的情况，上表面类似。A为标准样品的下表面，^为待测样品下表面，^'为产生角度倾斜的待测样品下表面，没有角度倾斜时激光光斑在两PSD上的偏移量分别为:c。 x2，当测量系统或待测样品发生轻微的角度倾斜时，两PSD光敏面上的光斑会向同一个方向移动，使得偏移量分别变为;c,'和;^ ，图4中;c,减小为A， A增大为A'，而(A+X2)的值与(j^'+、)的值相比不会有大的偏差，由式(5)(见下页)可以看出，^的值在待测样品发生倾斜时不会有太大变化，所以，角度偏差得到 一定程度的补偿。本专利技术提供的线状激光窄带滤光PSD热辐射板厚测量方法，依次包括 第一、测量光路的设置与校准，将已知厚度h的标准样品放置于移动架上，在标准 样品两侧对称安置一对或两对测厚探头，测厚探头内部集成有线状激光器、窄带滤光片、 透镜、PSD位置传感器及信号处理电路板；令测厚探头内部的线状激光器发出线状激光并 射到标准样品上，反射回来的激光经探头内部窄带滤光片再经透镜会聚，最后在PSD上 形成光斑，调整激光的入射角度使光斑位于PSD中心；第二、将标准样品换成待测样品，令测厚探头内部的线状激光器发出的线状激光射到待测样品上，反射回来的激光在PSD上形成光斑，并在PSD两端各输出两路电流/, 、 /2;第三、电流信号与电压信号的转换，通过信号处理电路板中的处理电路把电流信号转变为电压信号并对其进行放大，转换关系式为t/2=^2/2，其中CZ,、 ^为转换后输出的电压信号、/,、 /2为从PSD两端输出的电流，&、 i^为与信号处理电路有关 的常数；第四、光斑偏离PSD中心距离x或y的计算，将信号处理电路板输出的电压信号CA 、 "2输入到DSP数字信号处理系统，由公式^ =会^^* = ^^得出光斑偏离PSD中心的距离x或y,其中L为PSD光敏面长度；第五、待测样品上下表面(为描述方便，在此把与样品厚度相关的两表面称为上下两表面，下同)与标准样品对应的上下表面之间距离的计算，根据上步得到的光斑偏离 PSD中心的距离x或y，可以得出待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间的距离；y^、附2;第六、计算待测样品厚度H，按照公式i/z/z + AA+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线状激光窄带滤光ＰＳＤ热辐射板厚测量方法，其特征是该方法依次包括：　第一、测量光路的设置与校准，将已知厚度ｈ的标准样品放置于移动架上，在标准样品两侧对称安置一对或两对测厚探头，测厚探头内部集成有线状激光器、窄带滤光片、透镜、ＰＳＤ位置传感器及信号处理电路板；令测厚探头内部的线状激光器发出线状激光并射到标准样品上，反射回来的激光经探头内部窄带滤光片再经透镜会聚，最后在ＰＳＤ上形成光斑，调整激光的入射角度使光斑位于ＰＳＤ中心；　第二、将标准样品换成待测样品，令测厚探头内部的线状激光器发出的线状激光射到待测样品上，反射回来的激光在ＰＳＤ上形成光斑，并在ＰＳＤ两端各输出两路电流Ｉ↓［１］、Ｉ↓［２］；　第三、电流信号与电压信号的转换，通过信号处理电路板中的处理电路把电流信号转变为电压信号并对其进行放大，转换关系式为Ｕ↓［１］＝Ｋ↓［１］Ｉ↓［１］、Ｕ↓［２］＝Ｋ↓［２］Ｉ↓［２］，其中Ｕ↓［１］、Ｕ↓［２］为转换后输出的电压信号、Ｉ↓［１］、Ｉ↓［２］为从ＰＳＤ两端输出的电流，Ｋ↓［１］、Ｋ↓［２］为与信号处理电路有关的常数；　第四、光斑偏离ＰＳＤ中心距离ｘ或ｙ的计算，将信号处理电路板输出的电压信号Ｕ↓［１］、Ｕ↓［２］输入到ＤＳＰ数字信号处理系统，由公式ｘ＝Ｌ／２＊＊＊或ｙ＝Ｌ／２＊＊＊得出光斑偏离ＰＳＤ中心的距离ｘ或ｙ，其中Ｌ为ＰＳＤ光敏面长度；　第五、待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间距离的计算，根据上步得到的光斑偏离ＰＳＤ中心的距离ｘ或ｙ，可以得出待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间的距离＊、＊；　第六、计算待测样品厚度Ｈ，按照公式Ｈ＝ｈ＋＊＋＊，即可得出待测样品的厚度，其中ｈ为标准样品厚度，＊、＊分别为上步得到的待测样品上下两表面相对标准样品对应的上下两表面的距离。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘铁根，张铫，阳鑫，李宝强，江俊峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]