无接触的厚度测量制造技术

一种用于测量平面物体(30)的厚度的测量装置，该装置包括位于被测平面物体的相对位置上的第一传感器模块(10，10’)和第二传感器模块(20)。所述传感器模块具有一个光源(12，22，22”)、带有2D图案的参考遮光物(13，23，23”)和成像传感器(14，14’，14”)。一个光源被设置为以一定角度朝向被测物体，并且所述参考遮光物被设置在所述光源与被测物体之间，以使得在被测物体的表面(11，21)上形成阴影，并且所述成像传感器被设置为检测参考遮光物和阴影。计算设备根据两个模块的检测到的遮光物与阴影之间的距离来计算被测物体的表面与传感器模块之间的距离，并且计算所述平面物体的厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无接触的厚度测量
本专利技术涉及一种用于光学测量薄的平面物体的厚度的装置和方法。被测平面物体诸如是纸、生活用纸、板、膜和塑料。
技术介绍
诸如纸、生活用纸、板、膜和塑料之类的平面物体的制造通常在连续工艺中完成。存在需要对产品进行测量的多个地方。测量之一是产品的厚度。厚度可以以不同的方式来测量。测量厚度的典型方式是从平面物体的两侧机械地测量从测量装置到平面物体的表面的距离，并从测量装置之间的已知距离中减去该结果。另一种方法是使用辐射源并且测量穿过物体的辐射，并且通过获知密度来计算厚度。该方法存在许多问题。辐射性源在某些地点可能被禁止使用，并且由于密度的变化所以精度可能不够好。纸产品的密度很少是一成不变的，以至于使用辐射的测量也不精确。当使用距物体的两侧的距离来测量厚度时，存在若干测量该距离的方式。典型的方式是使用接触被测表面的滑动件(glide)或模座(shoe)，并且测量该滑动件或模座的移动。这种方法具有许多问题，包括被测表面的撕裂和磨损以及污染物在接触元件上的累积。也可以从物体的两侧无接触地测量该距离。这里给出所专利技术的不同的基于激光的解决方案。例如，专利文献EP486713描述了一种用于利用附接在幅材两侧的框架上的三角测量传感器来测量未支撑的幅材的测量仪器。这种无接触测量提供了点测量而没有提供关于幅材的倾斜角的信息。这造成了精度的大的不确定性。其它类似的基于光学器件的解决方案的方法存在以下问题：由振动或温度变化引起的用于引导光的光学器件和检测器的轻微移动；光学器件的非线性；光源的未对准；物体两侧的测量的同步。当需要微米级别的测量精度时，所有这些影响都成为显著的。需要一种能够处理上述问题的精确的无接触的厚度测量。
技术实现思路
本专利技术旨在描述用于薄平面物体的改进的无接触厚度测量的装置和方法。这是利用权利要求1所述的装置和权利要求8所述的方法实现的。本专利技术具有许多优点。使测量装置内的热膨胀和振动的影响最小化，管理非线性光学器件或未对准光源的影响，并且在物体的两侧具有同步的距离测量。附图说明下面仅以示例方式参照附图描述本专利技术的示例实施例，其中图1示出了测量原理；图2示出了测量装置的一个实施例；图3示出了用于测量的框架；图4示出了用于测量距离的图像；图5a、5b、5c和5d示出了示例性遮光物图案；图6示出了本专利技术的放大图；图7a和图7b示出了用于测量距离的图像；图8示出了测量装置的另一实施例；以及图9示出了本专利技术的方法。具体实施方式本专利技术使用两个光学传感器模块来测量距被测物体的距离。本专利技术基于使用参考遮光物和照明来在平面物体上产生阴影。对参考遮光物和阴影进行成像，并使用参考遮光物和阴影的距离来计算与被测平面的距离。利用在平面物体的另一侧上的附加距离测量结果，当获知光学传感器模块之间的距离时，能够确定物体的厚度。图1示出了测量的原理。在被测物体30的顶侧上，基本线性的光62被朝向被测物体引导。参考遮光物13被设置为与被测物体平行。光被设置成以角度通过遮光物。在被测物体上形成阴影s1。可以同时看到遮光物和阴影65。遮光物与阴影之间的垂直距离d’与从顶部看到的遮光物与阴影之间的距离d成比例。该距离能够通过来计算。在被测物体30的相对侧上，靠近被测物体设置的遮光物23被照亮69，从而在被测物体上形成阴影s2。可以同时看到遮光物和阴影66。距离w’与遮光物的宽度w1和阴影的宽度w2的比值成比例。在利用至少一个已知的测量距离校准该比值之后，可以计算针对所有距离的距离w’。知道遮光物之间的距离29可以提供通过从已知距离29中减去测得的距离来计算平面物体的厚度的可能性。用于平面物体的距离测量的光学传感器模块10包括光源12、参考遮光物13、成像传感器14、可能的光学元件15和计算设备16。该光学传感器模块还可以包括用于将平面物体保持在距该模块恒定距离的装置。在以下段落中详细描述所有这些。光源12、22、22”可以是LED灯、激光或任何其它产生亮光的方法。光可以被进一步聚焦或成形为利用定向光对参考遮光物进行照明。光源可以是产生宽带宽的光或具有专用带宽的光。光可以是可见光、红外光或紫外光，这取决于所使用的成像传感器。优选具有更短波长的光，因为可以获得更精确的成像。光可以以间隔为5-100ms且持续时间为0.1-100μs的脉冲来产生。利用计算设备16或单独的电子器件来控制脉冲的持续时间和间隔。参考遮光物13、23、23”可以是线状物、条状物、印刷的或以其它方式处理的膜、具有涂料或氧化物的玻璃、或一些其它形式的光障碍物。遮光物形成遮光图案，该遮光图案也可以被看作被测表面上的阴影。该图案可以是三个或更多个点、线或任何其它二维图案。图5a、5b、5c和5d中示出了遮光物的示例。图5a中的线可以是0.001mm-1mm宽的线。图5b中的点可以是被定位成彼此间隔0.1mm-5mm的直径为0.001mm-1mm的点。2D图案可以是具有至少两个维度的任何形式。参考遮光物可以包括具有不同颜色的图案。二维图案提供了二维阴影，该二维阴影能够实现对被测表面的倾斜的检测。在实施例中，两个或更多个光源12被安装到模块中以便对同一目标进行照明。这些光源可以被安装为使得在x、y平面中存在针对光的不同角度或定向。照亮参考遮光物13的两个或更多个光源提供了两个或更多个阴影。不同的光源提供了具有不同波长的照明，并且因此可以通过从由成像传感器捕获的图像选择不同的颜色来区分阴影。例如，可以同时使用蓝色和绿色。附加光源提供了遮光物和阴影的更多组合，从而提供了更精确的测量。不同的光源也可以在不同的定时点亮。这样，光不会彼此干扰。成像传感器14、14’、14”可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)、N型金属氧化物半导体(NMOS)、半导体电荷耦合装置(CCD)或量子图像传感器(QIS)。成像传感器可以检测可见波长、紫外波长或附加地检测近红外波长。成像传感器将图像转换成与图像相对应的电信号。成像传感器具有1–15兆像素的分辨率，尺寸为17mm2–1000mm2。在成像传感器与成像目标之间可以存在附加的光学元件15、15’、15”。诸如透镜的光学元件被用于使成像传感器聚焦或为成像传感器提供不同的焦距。诸如滤光器的光学元件也可以被用于光的偏振或滤波。诸如反射镜和棱镜的元件也可以被用于使光转向，使得成像传感器可以面向除直接面向成像目标之外的其它方向。光学元件可以被附接到成像传感器或模块的其它部件。成像传感器和可能的光学元件提供焦距17、17’、17”，在该焦距处可以捕获到很清晰的图像。聚焦区域61、61’通常为0.5–2.5mm，这取决于所使用的成像传感器和光学元件，并且这通常是遮光物13与被测平面11之间的距离的限制因素。计算设备16、26是一个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或类似的处理器和存储器，它们具有能够区分遮光物和阴影并从所捕获的图像测量遮光物与阴影之间的距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量平面物体(30)的厚度的测量装置，其中所述测量装置包括以已知的相互距离(29)定位于被测平面物体的相对位置上的第一光学传感器模块(10，10’)和第二光学传感器模块(20)，所述光学传感器模块具有至少一个光源(12，22，22”)，其特征在于，所述光学传感器模块还包括具有二维图案的参考遮光物(13，23，23”)和成像传感器(14，14’，14”)，其中所述至少一个光源被设置为以角度

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181221 FI 201871881.一种用于测量平面物体(30)的厚度的测量装置，其中所述测量装置包括以已知的相互距离(29)定位于被测平面物体的相对位置上的第一光学传感器模块(10，10’)和第二光学传感器模块(20)，所述光学传感器模块具有至少一个光源(12，22，22”)，其特征在于，所述光学传感器模块还包括具有二维图案的参考遮光物(13，23，23”)和成像传感器(14，14’，14”)，其中所述至少一个光源被设置为以角度朝向被测物体，并且所述参考遮光物被设置在所述光源与被测物体之间，以使得在被测物体的表面(11，21)上形成阴影，并且所述成像传感器被设置为使得所述成像传感器能够同时检测所述参考遮光物和所述阴影，并且计算设备(16，26)被配置为：从两个光学模块的检测到的遮光物与阴影之间的距离来计算被测物体的表面与传感器模块之间的距离，并且通过从所述模块之间的已知距离减去测得的距离来计算所述平面物体的厚度。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，利用基本上平行于被测平面(11，21)定位的元件来实现所述参考遮光物(13，23)。


3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述光源(12，22，22”)提供间隔为5ms-100ms且持续时间为0.1μs-100μs的光脉冲。


4.根据权利要求1-3所述的装置，其中，存在具有不同波长的多个光源(12)，所述多个光源(12)被附接以在x、y平面中从不同定向照亮所述遮光物和被测平面。


5.根据权利要求1-4所述的装置，其中，存在具有不同波长的多个光源(12)，所述多个光源(12)被附接以从不同角度照亮所述遮光物和被测平面。


6.根据权利要求1-5所述的装置，其中，所述装置至少包括光学、磁性、涡流和/或超声的相互的传感器对，以用于确定所述光学传感器模块之间的距离(29)。


7.根据权利要求1-6所述的装置，其中，具有或不具有附加光学元件(15，15’，15”)的成像传感器(14，14’，14”)被附接在所述模块内，以使得所述成像传感器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·莫蒂奥，
申请(专利权)人：维美德自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI