基于激光测距的板材厚度在线检测技术研究

冯小雷，崔忠信，杨现良，王海明，田绍鹏

（河钢集团钢研总院，河北 石家庄 050000）

钢铁工业在整个国民经济中占据重要位置，其中板材带钢的轧制是钢铁工业生产过程中的重要环节。在板材钢的众多的质量指标中，其厚度是最直接也是最严格的指标之一。因此，板材厚度检测在钢铁生产中具有重要作用，在板材生产过程中需要精准的板材厚度测量控制系统。由于钢铁生产的特殊性，需要使用非接触测量技术。根据检测原理分类，目前应用在国内外生产线上的板材厚度检测技术主要有：射线测厚仪，超声波测厚仪，激光测厚仪等。射线法测厚仪测量精度高，能够实现快速测量，应用较为广泛，但射线对人体有害，且污染环境；超声波测厚仪由于只能在静态工况下测量板材的厚度，因此使用范围较小。近年来，随着激光技术及光电技术的发展，应用激光技术的非接触测厚仪逐步发展起来。激光被应用于距离测量，除了因为现在光电技术的发展，数字电路技术的进步外，还因为激光具有亮度高，能量高度集中，方向性好，易于进行传输和控制；同时因为激光是一种特定波长的电磁波，集中在狭小的光谱波段或频率范围内，这一特点有效的减少了杂光干扰，提高了信噪比，提高了测量精度。当代先进技术的应用使得板材的厚度测量方法不断改进，测量精度进一步提高。

1 激光测距技术

1.1 激光技术

激光测距技术最主要应用在物体的长度、形状及表面轮廓的相关测量，能够为产品的制作过程设计优化检测控制等提供高精度三维结果，其中的长度是最重要的测量方面。比较著名的博世（BOSCH）手持红外测量仪在测量0.05～40米的范围内的能够达到精1.5mm的精度。瑞士徕卡的D810 Touch 脉冲激光测距仪在测量范围 0.05～200米内，实现了精度±10mm。

1.2 CCD 信号采集转换器件

CCD技术是20世纪70年代美国科学家发明的一种电荷耦合器件。经过几十年的飞速发展，CCD（Charge Coupled Device）图像传感器已经普遍应用在众多领域中。例如在贴近生活的数码相机、摄像机等都是应用了CCD图像传感器这个关键部件，在天文观测领域，宇宙射线的检测采集分析，都在使用CCD光电转换器件，进行光信号的转变。CCD芯片利用物理的光电效应，获取一定波段范围内的光信号。通过把曝光时间内接收到的入射光敏面上的光子，利用内部光电效应转化为电子，从而实现光信号的测量电子化，再通过电子线路对电子信号进行分析处理。CCD芯片的关键性能影响因素主要包括：信噪比、量子效率、响应度、暗信号非均匀度、动态范围、光子响应非均匀度、暗电流、非线性度误差、双倍温度常数等。

1.3 激光测距原理分析

利用激光技术结合CCD芯片进行距离的测量，原理如图1所示。

如图可见，距离D为待测的距离参数，激光发射仪以固定的角度发射出激光束斜射在待测钢板的侧面，钢板反射的光束反射在CCD器件上，通过计算CCD器件上光斑像点的位移量X，结合三角形相似原理，再经过数学运算，则可得到距离D的数据。利用激光和CCD芯片测量距离的计算示意图如图2所示。

图1 激光测距原理图

图2 激光测距示意图

计算过程如下：设入射光线与被测表面法线的夹角设为θ，成像光路光轴与被测表面法线的夹角设为α，CCD的像面与被测钢板平行。设成像物镜的焦距为f，物距为L，像为L’。

由于物体在左右方向上移动，光点的位置发生了变化，设变化量为X，根据物像关系以及相似三角形关系可以得到：

进而可以得到：

数据D即为所求的距离值。利用激光测距的优势是测量不受板材材质、温度等的影响，测量精度高。

2 板材厚度测量系统

2.1 厚度测量系统原理

由于板材通常处于运动状态而不是静止状态下测量其厚度，于是分析探讨结合差值测量板材厚度方法。整套系统使用上、下两个相互独立测量系统，确定测量的假定参考基准平面，也就是钢板的平面。通过激光束测量板材上表面以及板材下表面反射距离，计算分析出距离数值与参考基准面相差的长度距离D1及D2，并通过相关计算来得出板材的厚度H。如图3所示。

图3中激光器1和激光器2以固定间距D进行安装，并进行校订。测厚仪工作时激光器1发射一束激光照射被测钢板的上表面上，钢板上表面反射的激光再返回到激光器1内，反射的光斑被激光器内的CCD芯片吸收，通过对CCD芯片上光斑的位置进行分析计算，就可以得到激光器1到被测钢板上表面的实际距离D1；同理可以得到激光器2到被测钢板下表面的距离D2。利用两个激光器测头之间的恒定距离D减去两个激光器测头到被测物上下表面的距离D1和D2，即可得到被测钢板的厚度H。

图3 板材厚度测量原理图

该方法使用两套检测系统，弥补了单激光检测时板材的震动或偏移引起的检测误差，得到较高精度的检测值。

2.2 板材厚度测量系统

板材厚度测量系统整体结构如图4。测厚仪主要由车体、车轮、行走电机、C形架、活动支板、滚珠丝杠、副步进电机、直线导轨副、激光测头（激光位移传感器）等部分组成。

图4 板材厚度检测仪系统结构图

本激光测厚仪的优点在于它是非接触测量，不会因为磨损而损失精度，尤其适用于在运动中进行多点测量。而且，相对于超声波测厚仪精度更高，相对X射线测厚仪没有辐射污染。同时，测距传感器安装在可自动调整位置的C形支架上，能实现任意位置的厚度测量。

3 测量结果分析及误差分析

3.1 测量结果分析

利用板材厚度检测仪进行钢板厚度检测试验，测得的数据曲线如图5所示。通过钢板的厚度数据进行分析，测得板材厚度值范围在2.40～2.41mm，检测结果波动在控制范围以内，达到了预期的效果。

图5 实验测量连续数据曲线

3.2 测量误差

基于激光测距的测厚仪误差来源主要为系统误差。主要是由发射系统的响应时间、元器件在高频环境下的稳定性、晶振的频率稳定度、相位计算和接收器件随光强不同的非线性等因素造成。另外，环境的干扰也会产生误差，例如激光在空气中传播时，由于受介质、气压、温度、湿度的影响，传播速度会有一定的变化。