西安工业大学北方信息工程学院课程设计（论文）题目：非接触式钢板厚度测试仪系别：光电信息系专业：光电信息工程班级：B090104学号：B09010418姓名：韦华伟2012年10月29号目录第1章引言 (1)1.1 研究的背景和意义 (1)1.2 国内外研究状况 (1)第2章测量原理和方法论证 (2)2.1 检测系统的测量原理 (2)2.2 方案的可行性分析 (3)2.3 本章小结 (4)第3章系统设计 (4)3.1 光学系统设计 (4)3.2机械结构设计 (5)3.3 电路系统设计 (6)3.4 计算机软硬件系统设计 (15)第4章精度分析 (18)4.1 电路对测量精度的影响 (18)4.2 误差分析 (18)第5章总结 (19)参考文献 (20)第一章引言§1.1研究背景和意义传统的测量方法开始于接触式测量，这种测量方法检测效率低，劳动强度大，而且会使测量仪器的检测头发生磨损，从而造成仪器的测量精度下降。

毋庸置疑，科技的发展和社会的进步还没达到一个高度。

因此，在现代板材生产中，不论是轧制过程中还是最终产品的调整中，为获得较高的板材命中率和最佳的轧制过程及剪切效果，板材尺寸测量系统已成为生产线上不可缺少的设备之一。

第一台接触式速续测厚仪大约出现在1930年。

操作者用这台侧厚仪器去侧量铜材的厚度时, 必须把它推向待侧的钢带, 用机械的方法来测量距带材边沿几寸范围内的金属材料的厚度。

这种测量方法使用极其不便，而且测量精度也很低。

在我们看来，一般的物体尺寸的测量，无非长、宽、高（厚），三个方面，而厚度测量是生产中最常见的测量内容之一,常用量具是游标卡尺或千分尺,这些量具在使用时都必须和工件接触,虽然接触压力不大,但对一些特殊工件,在测量时不允许量具和工件接触,否则会在工件表面上留下压印或划痕，甚至有些测量环境环境下很难或无法进行接触式测量，那么，这就需要有一种新的方法来代替接触式测量. 随着科技大发展和生产力的要求，非接触式的测量方法出现了。

第一台成功的非接触式自动测厚仪应用了X射线吸收技术。

从此，非接触式测量方法开始了迅猛发展，其强大的功能和优点无法使传统的接触式测量望其项背，也为人类社会的发展，工业文明的进步做出了巨大的贡献。

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, 降低了劳动强度度。

激光测厚仪使用两年多以来, 具不完全统计, 因板厚误差造成的废品率下降了50%以上, 创经济效益上亿元, 广泛地受到人们的肯定与赞赏。

我们有理由相信，在未来的发展过程中，激光测厚仪作为非接触测量领域的一个重要分支将更能发挥其作用。

§1.2国内外研究现状近50年来，随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。

利用CCD 技术对产品表面质量进行实时检测、动态测量，具有结构简单、非接触、精度高、测量速度快、性能稳定可靠等优点。

摄像头的主要传感部件是CCD，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点。

CCD 产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5％的市场份额，在技术发展方面，主要厂商应为索尼、飞利普，NEC和柯达公司。

国内目前钢板测宽仪,其结构复杂,控制繁琐,需要标定，以及及时维护,实时操作性差。

而本文所要研究的，是在原有的钢板在线测宽仪的基础上，提出了一种改良型的系统。

系统中采用经济的线阵CCD 成像系统,应用CPLD 与单片机结合采集与处理测量数据，和边缘细化技术提高测量精度。

整套系统结构简洁,成本低廉,抗干扰性能好，调试方便。

第二章测量原理和方案论证§2.1激光三角法的基本原理激光三角法的基本原理,由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上 ,通过反射最后在检测器上成像。

物体表面的位置发生改变时,其所成的像在检测器上也发生相应的位移。

通过像移和实际位移之间的关系式 ,真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。

其中：是投影光轴与成像物镜光轴的夹角α；β是光电测试器受光面与成像物镜光轴的夹角，而s和s’分别是物距和像距,d是传感器上的成像点的偏移 ,而δ为实际的物体表面的偏移。

系统的相关参数为：偏置距离D为从传感器到被测表面参考点的距离;测盘范围为最大能检侧到的物体表面的偏移,即|δ|引的最大值；测量精度,传感器的最小测量单位；分辨率一般指测量的纵向分辨率 ,为测量精度和测量范围之比；横向分辨率为待测物体表面上所取测量点的最小间距。

为了实现完美聚焦 ,光路设计必须满足斯凯普夫拉格条件；成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线 ,如下图2.1中X点所示。

系统的非线性的输人输出函数为：（2.1）（2.2）其中：为三角测量系统的固定参数。

当物体偏转δ较小时，(2.1)以近似为线性关系：（2.3）图2.1 激光三角法的原理框图激光三角法的另一项重要的参数为线性度,就是三角测量法输人和输出关系线性近似程度。

可以证明,在三角测量中,可以通过缩小测量范围,增大接收透镜的共扼矩,增大三角测量系统的角度,缩小接收透镜的放大倍率,达到线性测量的结果。

此外,由(2.1)式对d求导,得到输入输出曲线的斜率,即激光三角法的放大倍率ρ：（2.4）§2.2 方案的可行性分析根据2.1节，系统主要由以下几部分构成：1)．光电转换；2)．信号采集与处理的硬件实现；3)．信号采集与处理的软件实现；4)．信号与上位机的通信。

对于信号采集部分，现有的信号采集结构按其是否与信号处理部分分离可分为以下几类：第一种是模拟输入专用信号采集系统，该类系统将采集卡放置在计算机内部，采集卡的作用是进行A/D转换并通过计算机总线将数据送入计算机内存，用软件实现处理；第二种是模拟输入采集处理一体化结构，此种结构是将采集、量化集成到一块板卡上，一般由输入输出接口、A/D转换数字化单元、高速缓冲区和微处理单元构成，这种结构设计大大减轻了计算机的处理负荷，但增加了电路设计实现的难度；第三种是数字输入，是采集和处理部分分离的采集系统，这类系统的前端是数字输出的CCD相机，输出的数字化信号直接接入处理器，这种采集结构传输距离长、受外部干扰小开发简单。

经过对上述几种采集结构的分析，了解到第一种耗费计算机资源，实时性不高，不适合大量数据的实时处理；第二种是基于母板的二次开发，仍然受到一定的限制；第三种处理结构是为线阵CCD相机专门设计的处理系统，用户接口考虑到与相机积分时间同步，采用LVDS格式的数据串行传输，开发相对简单、成本低，因此，我们采用第三种数据采集结构。

激光辅助测量法，采用了线结构光。

激光从激光器发出,经过柱面透镜后汇聚成宽度很窄的光带,称为结构光。

该光平面以一定角度入射在工件上,在工件上产生反射和散射，并可已知投影光线的空间方向。

这种光源有多优势。

此外，这种测量方法较激光三角法和偏转差值法有结构简单的优势。

所以我们采用激光辅助测量法。

§2.3本章小结本章首先了介绍了尺寸检测系统的整体设计方案，接下来分别阐述各模块设计的理论依据。

在此基础上引出了本课题的技术方案和可行性分析及其性能特点。

第三章系统设计§3.1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。

对其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。

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880C o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。

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3-1是简化的镜头成像原理图。

CCD 像敏面钢板图3.1 镜头成像原理图图中，物距为u ，像距为v ，像尺寸lx ，物体尺寸LX ，镜头焦距f ，半视角60。

对于检测系统来说，由于CCD 有效光敏面长度I=2048×10 μm=20.48mm ，钢板宽度2m ，则放大率13应满足如下要求：/20.48lx LX β<=㎜/2000㎜=0.01024 (3-1)又根据牛顿成像公式：//()v u f u f β==- (3-2)可知 39.6(1)u f ββ=<+㎜ (3-3) 所以系统中选择焦距为35mm 的F 口接口镜头。

此时放大倍数：35/40035β=-（）=0.0088半视角:a r c t a n (/2I f ω> (3-4) arctan(/2)(20.48/235)16.31I f =⨯= ㎜㎜，则视场角大于32.62 。

对于宽度为2m 钢板成像大小17.6lx LX β=⨯=㎜，钢板可完全成像到CCD 像敏面上，符合测量系统要求。

§3.2机械结构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。

3.2.1 步进电机的驱动系统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。