来源：时代航宇仪器

几何量测量技术随着科技的发展而发展着。目前，我国大部分企业中，为了保证产品的质量，花费在测量上的时间和人员数量是相当可观的，这严重影响了工厂生产效率、经济效益。因此，研究更好的，功能更强大，精度更高，更智能化，更人性化，对环境依赖性更小的非接触式测量方法究意义非凡了。

激光测厚仪的设计，充分考虑到现场的各种环境因素。为了减少温度对机体长度的影响，使用了铁铸造件做机壳；利用石英玻璃窗片，保护窗口内部件（主要是光学仪器）以及把测量车体做成“C”型，并使之能在轨道上移动，以利于维护检修。另外，为滤除背景杂波信号在接收镜头前加装滤光镜片。激光测厚仪是近年来开发出的高科技实用型设备，是用于热轧生产线上实时在线式连续测量成材厚度的非接触式测量设备。它有效地改善了工作环境，具有测量准确、精度高、实用性好、安全可靠、无辐射、非接触式测量等人工测量及其它测量方法无法比拟的优点，并为轧制钢材厚度控制提供了准确的信息，从而提高了生产效率和产品质量，降低了劳动强度。

光学系统设计

光学系统对成像质量有着十分重要的意义，它担负着传递目标光学信息的作用，直接影响成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸变等多项性能参数。对光学系统的基本要求是成像清晰、透光率强、杂散光少、像面照度分布均匀、图像畸变小、足够的相对孔径等。

由于相机利用钢板自身发出可见光成像，考虑到相机离钢板越远成像越不清晰，对镜头的要求也越苛刻，由于CCD成像设备安装位置应小于5米，所以本系统相机固定于4米高的地方。由于现场的环境比较恶劣，必须对测量设备采取防护措施。光学系统安装在防震的、带温度控制的、密封的箱体中。

箱体通过支架固定于钢板正上方4米的平台，平台上安装微调装置。该装置可在横向、纵向、垂直方向调节相机，使钢板正好可以成像到CCD中央位置。设备安装时用带有发光管(发光光谱近似880Co钢板的发光光谱)的标准长尺，对CCD相机进行标定。调节微调装置，使发光管诈好成像于CCD光敏阵列中央位置上，说明此时相机位置合格，可以进行在线检测。

设生产线上钢板宽度在2米左右，而所选CCD光敏面尺寸只有20.48mm，所以为使钢板宽度信息能完整的成像在光敏面上，相机最前端需要加一个光学镜头。合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像并获得正常视频信号的关键。各种CCD光学镜头种类繁多，光学镜头的主要参数都不尽相同，合适的参数指标应根据不同接口、CCD光敏面光学格式、光圈、视场、焦距、F数等来确定。

光学系统位于检测系统的前端，其性能直接影响着采集图像的质量。因此，光学系统的设计是决定表面检测系统成功与否的主要因素。根据待检钢板与传感器的参数，我们进行成像镜头的参数计算，主要从成像要求和照度匹配两方面来考虑镜头的选择。本系统中选用镜头焦距35mm，相机安装在距钢板4m高的地方。

图2.1是简化的镜头成像原理图

行走机构的设计

行走机构主要由步进电机、滚珠丝杠副、滑动导轨组成，采用的是丝杠转动螺母移动的方法。步进电机的转轴通过联轴器和丝杠直接连接，丝杠跟随电机一起转动，从而把电机的转动转化为螺母的移动。螺母上固定有螺母座，而螺母座又与安装在导轨滑块上的工作台底板连接，最终把电机的转动转化为工作台在导轨上的平动，实现传感器的位置移动。 1.系统步进电机的驱动

行走机构的驱动是以步进电机作为主动元件的，如何控制步进电机的运动是现厚度实时测量的一个重要内容，传感器相对于被测钢板的运动是通过步进电机有规律的转动实现的，为了完成钢板厚度参数的采集，步进电机的驱动系统应该具有下列功能：步进电机能够启动和停止；能够实现正转和反转；步进电机能够在任何位置锁定。

在测量过程中，为了提高运动精度，步进电机以三相六拍方式工作。本系统采用配套的步进电机驱动器进行控制。其特点是：驱动器性能对电机的依赖性极小，不同参数电机均可获得优异性能；具有多种细分模式；

具有脱机控制信号；电机位置掉电记忆；静止时半自动电流锁定；输入输出信号光电隔离。

测量部分是通过测量钢板的实际厚度和标准厚度的偏差来进行厚度测量的。测量前先用标准量块代替标准钢板对传感器进行零点调节，具体的做法是先调节测头到钢板的距离，使其在传感器的测量范围内，然后通过传感器的控制器对传感器进行复位，此时传感器的模拟输出电压值为零。测量时，若钢板的实际厚度与标准厚度存在偏差，即钢板上表面相对于传感器发生位移变化，传感器便输出一定量的模拟电压。模拟电压输出值与厚度偏差值存在固定的线形关系，我们由这个线形关系便可推算出钢板的实际厚度。

数据采集系统的设计：

测量系统中，为了实现对外界各种模拟信号的测量，必须通过数据采集系统将信号送入控制系统中，数据采集系统是外部信号进入计算机的必经之路。一般的数据采集系统由前置放大器A、采样保持放大器SHA、模数转换器ADC组成，其中前置放大器A的作用是将信号放大到ADC可以接受的范围，采样保持器的作用是保持输入信号在ADC转换期间不变，而ADC的作用就是把模拟量转化为数字量。目前，随着大规模集成电路工艺的发展，市场上已经出现了各种专用的数据采集芯片。这种芯片集高速度高精度SH、ADC、基准时钟源及数字接口与一体，可以达到很高的水平，本系统便采用了数据采集卡进行数据采集.该采集卡属于TDEC ISA系列，型号为TOP-10016，它是四通道同步并行数据采集模块，采用16Bit高精度A/D，每通道最高采样频率可同时达到100Kps，同时配有最高8M字节/通道的大容量SDRAM板载缓存，可实现多通道低速动态信号的实时记录。它具有高速、大容量、并行采集、同步扩展的特点。将采集卡插入PC机的插槽内工作，传感器将被测信号变为模拟电压信号，经屏蔽电缆与采集卡上的信号输入插槽直接连接，在配套TOPView2000虚拟仪器软件的控制下，可实现对模拟信号的采集和储存，并可在PC机上进一步完成数据的上是实时处理和后处理。

厚度数据的处理：

为了对钢板整体厚度进行精确的测量，本系统采用了多点采集厚度参数然后进行整体处理的方法。传感器采集的信息经过数据采集后送计算机储存，当达到要求的测量次数时对储存的数据进行处理，以达到对钢板厚度进行整体测量的目的，所有的数据处理都是通过软件编程实现的。

CCD的输出信号是脉冲信号，其中既包含被测尺寸的信息，又含有大量的复位噪声和电子系统的白噪声，使得有用信号难以提取。由于CCD本身的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性，CCD本身的光敏不均匀性、转移损失以及光源在通过待测目标边缘时的衍射现象等原因，使得CCD输出不会是理想的0/1信号，其包络的边缘必然带有明显的梯度，或者说，目标尺寸的两个边缘在CCD上成像的具体位置不可能十分确定。导致CCD输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过渡区，而且这一过渡区随着轮廓在视场中位置的变化而变化，这一变化直接影响捕捉真正代表物体边缘的特征点，进而影响测量精度。因此，除了减少外界干扰外，如何从CCD的输出信号中提取出真正代表物体边缘的特征信息，是测量的难点所在。真正表示物体的边缘点处，CCD输出信号的微分最大。由于被测物体的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大，该点就是滤波后的视频信号电压函数u=u(t)在过渡区内的拐点，由高等数学的知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。电路便于寻找为零的点。基于此，可设计微分法处理电路提取测量信号。

观察CCD的输出波形，发现原始信号上附加有许多细小的“毛刺”，即各种噪声信号，有器件本身的噪声（如散粒噪声、热噪声、1/f噪声等)，也有转移过程中附加的噪声(如复位噪声等)。为了准确地从中提取出有用的信号成分，必须尽可能地抑制或消除各种噪声干扰。归纳起来主要有以下几种方法：1）低通滤波法(LFS)2）双斜率积分法(DSI)3）嵌位切除法(CCS)4）相关双取样(CDS) 另外CCD的输出信号幅值为2V～3V，可以直接进行信号处理，不需要放大环节。信号处理原理图如图3.3.3所示：

激光测厚仪是近年来开发出的高科技实用型设备，是用于热轧生产线上实时在线式连续测量成材厚度的非接触式测量设备。它有效地改善了工作环境，具有测量准确、精度高、实用性好、安全可靠、无辐射、非接触式测量等人工测量及其它测量方法无法比拟的优点，并为轧制钢材厚度控制提供了准确的信息，从而提高了生产效率和产品质量，降低了劳动强度。