激光傳感器測厚方法及測厚裝置的設(shè)計【文獻綜述】

1、畢業(yè)設(shè)計開題報告測控技術(shù)與儀器激光傳感器測厚方法及測厚裝置的設(shè)計1 前言部分 （闡明課題的研究背景和意義）隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展， 市場經(jīng)濟的競爭日益激烈。 由于現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，單一的金屬或合金已難以完全滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對材料綜合性能的需求, 因此人們發(fā)展了復合材料。 復合材料是為達到預期的使用特性將兩種或兩種以上材料通過物理或化學的復合方法，在宏觀上組成了具有新性能的材料1 。金屬基復合材料作為復合材料中的一個重要代表， 以金屬、 合金或金屬間化合物為基體, 將高強度的第二項為增強體而制得的復合材料2 。 金屬基復合材料是近年來迅速發(fā)展起來的高性能材料之一, 最早應(yīng)用于航空、航天和軍事領(lǐng)域

2、。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展， 新型制造方法的出現(xiàn)， 金屬基復合材料正越來越多地應(yīng)用于汽車、機械、冶金、建材、電力等民用領(lǐng)域，將在各個領(lǐng)域發(fā)揮廣闊的應(yīng)用前景3 。由于金屬基復合材料的應(yīng)用領(lǐng)域的擴大， 復合材料生產(chǎn)線也將隨之增多。 此外， 我國加入世界貿(mào)易組織后， 隨著國際化的經(jīng)濟往來， 用戶對于產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。 在此， 對于復合板材的生產(chǎn)過程對復合板材質(zhì)量的嚴格把關(guān)是迫切需要的。復合板材的質(zhì)量取決于板材的厚度，則需要實時監(jiān)測復合板材的厚度?，F(xiàn)針對國內(nèi)中小型金屬復合板材企業(yè)的板厚測量方式進行改良， 結(jié)合現(xiàn)代化測試技術(shù)， 運用計算機數(shù)據(jù)處理及國內(nèi)外相關(guān)的、 成熟的監(jiān)測理論， 進行金屬復合板厚度

3、在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究4 。二、主題部分1 復合板材測厚在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在復合板材的生產(chǎn)過程中， 對于精軋后的復合板材厚度精度檢測有著較高要求的工序中， 采用測厚傳感器進行在線測量。 現(xiàn)階段的測厚傳感器主要有電容傳感器、電渦流傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器等，以不同的測量原理在不同的生產(chǎn)線上和生產(chǎn)環(huán)境發(fā)揮了各自的優(yōu)點。 但是由于生產(chǎn)設(shè)備的和實際情況， 在使用時有著不同的局限性。其中：1） 電容傳感器電容傳感器是將被測參數(shù)（如位移、力、速度）變換成電容量的測量裝置。電容式傳感器是用于精密測量的非接觸式器件， 可測量導電目標或絕緣材料的厚度與密度。 電容式傳感器的測量結(jié)果與被測材料的性質(zhì)無關(guān)。

4、電容式位移傳感器的分辨率為納米、頻率響應(yīng)為20KHz以上，測量范圍為10仙m10mm電容式傳感器對傳感器與被測物之間的間隙材料非常敏感。 因此， 在灰塵、 噴霧流體或金屬碎片等惡劣環(huán)境中， 電容式傳感器將不起作用。 電容式傳感器的優(yōu)點為測量范圍大，靈敏度高，動態(tài)穩(wěn)定性好，非接觸式測量；缺點為寄生電容影響較大，當電容傳感器用于變間隙原理進行測量時具有非線性輸出特性5 。（ 2）電渦流傳感器電渦流傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理， 塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時， 導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流， 即電渦流，上述現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感

5、器。電渦流傳感器能準確測量被測體 （必須是金屬導體） 與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。電渦流傳感器的分辨率為納米，頻率響應(yīng)在80KHz以上，測量范圍為0.5mm15mm。 電渦流傳感器不受污染物的影響， 可在惡劣環(huán)境和浸入式液體中工作。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)寬等特點， 應(yīng)用極其廣泛。 但是受到探測器線圈和目標尺寸、 二者的距離以及目標材料的影響6 。（ 3）超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。 超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波， 由換能晶片在電壓的激

6、勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的， 它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波傳感器的測量范圍取決于其使用的波長和頻率。 波長越長， 頻率越小， 檢測距離越大。 超聲波對液體、 固體的穿透本領(lǐng)很大， 尤其是在陽光不透明的固體中， 它可穿透幾十米的深度。 超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波， 碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 超聲波遇到空氣湍流、 氣流以及不同密度的空氣層都會使聲波發(fā)生折射， 或者產(chǎn)生回波， 信號被削弱或轉(zhuǎn)移到接收區(qū)域外 7 。（ 4）激光傳感器激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器 8 、激光檢測器和測量電路組成。 激光

7、傳感器測距的原理與無線電雷達相同， 將激光對準目標發(fā)射出去后， 測量它的往返時間， 再乘以光速即得到往返距離。 激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、 電干擾能力強等。 利用激光的高方向性、 高單色性和高亮度等特點可實現(xiàn)無接觸遠距離測量。激光傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測等。激光距離傳感器可用于其它技術(shù)無法應(yīng)用的場合9 ?，F(xiàn)代厚度傳感器可分為接觸式和非接觸式兩類。 接觸式傳感器通常采用兩個相同的位移傳感器分別安裝于被測材料的上下兩面，將兩個傳感器的測量值平均，以提高測量精度。接觸式厚度傳

8、感器可測量移動速度較低的材料, 精度可達0.11%。接觸式測厚方法對所測材料的成分不敏感，在測量過程中板材厚度與探頭的氣壓、溫度有關(guān)。當探頭氣壓超過0.3 MPa 時, 板材越厚 , 測量精度越低；理想條件下的環(huán)境溫度為 25 , 此時的測量精度最高 10 。非接觸式厚度傳感器適用于連續(xù)快速的測量。2 復合板材測厚的研究方向金屬基復合板材加工過程比較復雜， 在復合板生產(chǎn)過程中進行在線測量， 可以及時了解復合板的厚度情況， 達到實時記錄、 分析、 調(diào)整板材燒結(jié)厚度的目的，并且將金屬板材厚度公差控制在土0.01mm以內(nèi)口L由于被測板材表面為非金屬層， 而且該工藝過程對板材表面的光潔度要求較高， 不

9、允許在被測表面留下劃痕，所以選擇非接觸式測量方法。 根據(jù)上述板材的情況及其工況， 經(jīng)過分析比較各種非接觸式傳感器的特點，最終采用激光測距傳感器。目前， 在工業(yè)機械領(lǐng)域或現(xiàn)場應(yīng)用中， 最常用的是激光測距傳感器， 這種傳感器同時結(jié)合了分辨率高和測量范圍廣的特性。 目前傳感器廠家提供的型號大多是分辨率小于10m范圍在1米之內(nèi)的。高分辨率的定義是將較短距離的位移 變化完全顯示在相對的小窗口上，因此，1m的分辨率和1m的探測距離不會同 時出現(xiàn)。近距離激光測距傳感器一般采用激光三角法測距 12 ：系統(tǒng)用一束激光以某一角度聚焦在被測物體表面， 然后從另一角度對物體表面上的激光光斑進行成像， 物體表面激光照射

10、點的位置高度不同， 所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCDt電探測器測出光斑像的位置，就可以計算出主光線的角度和折射率，從而計算出物體表面激光照射點的位置高度 13 。當物體沿激光線方向發(fā)生移動時， 測量值就將發(fā)生改變， 從而實現(xiàn)用激光測量物體的厚度。 可根據(jù)激光源的入射光線與被測工件表面法線的角度關(guān)系分為直射式和斜射式14。本課題將采用直射式三角測量法進行研究。3 激光傳感器測厚裝置根據(jù)激光傳感器的工作原理, 首先建立激光在線測厚裝置的模型, 在板材的上下兩面各安裝一個傳感器， 并由 U 型工作臺進行固定。 由于激光三角法的原理限制了該測厚系統(tǒng)中的激光位移傳感器的測量范圍， 在一般情況下

11、傳感器的精度越高測量范圍越窄。在實際測量過程中，若要實現(xiàn)連續(xù)、有效地測量，必須保證測厚系統(tǒng)中的兩個激光位移傳感器對于被測面的相對位置處在其有效的測量范圍之內(nèi)。同時，板材的曲面變化以及不同厚度、規(guī)格，都會使被測面超出測量范圍。 現(xiàn)采用步進電機驅(qū)動的差動微位移機構(gòu)動態(tài)地調(diào)節(jié)工作臺， 即改變激光傳感器在板材表面的測量位置， 實現(xiàn)保證板材厚度測量的有效性和擴展系統(tǒng)測量范圍的目的 15 。但采用這種方案將帶來兩個問題：步進電機突然制動所引入的外來振動干擾引起厚度測量誤差以及因環(huán)境溫度變化所導致的工作臺變形引起厚度測量誤差4 。在線板厚的測量中， 由于檢測環(huán)境較惡劣， 干擾因素多， 且激光三角法易受到被測

12、表面的特性、 被測物或測量裝置的振動、 現(xiàn)場的干擾噪聲以及測量的實際要求等因素的影響， 使檢測信號受到外界干擾和隨機噪聲污染， 直接影響了測量結(jié)果的精度。若僅采用提高測厚裝置的制造、裝調(diào)精度，以及對測試條件的高要求等消除或減少誤差源的措施是很難達到的。 通過對測量數(shù)據(jù)的預處理分析動態(tài)的測量誤差，快速準確地提取實際板厚分布，已成為當前提高測試精度的主要目標。 同時， 復合板材厚度檢測為產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)， 數(shù)據(jù)預處理的過程要滿足實時性的要求，則需要構(gòu)建激光板厚測量的數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)16。三、總結(jié)部分1 全文總結(jié)本課題所提出的激光傳感器測厚裝置是使用兩個激光位移傳感器采用直式 激光三角法工作

13、原理對光潔復合板材進行厚度的在線監(jiān)測。 其中生產(chǎn)過程中的環(huán)境因素和測試裝置的客觀原因等將會影響測量結(jié)果。此激光測厚裝置通過運用差動式微位移機構(gòu)對激光位移傳感器的位置進行控制，實現(xiàn)掃描式動態(tài)監(jiān)測。測厚系統(tǒng)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換以電信號的方式傳送至數(shù)據(jù)處理中心進行分析處理， 實現(xiàn)實時監(jiān)測的目的。 本課題的研究是基于金屬復合板材生產(chǎn)過程中的厚度監(jiān)測，相對于傳統(tǒng)的測量，提供了在線測量，實時分析，能夠幫助生產(chǎn)線上的工作人員及時調(diào)整工作進程。2 課題研究方向課題研究方向的是對此測厚系統(tǒng)進行具體化的研究，對激光傳感器的選型，激光傳感器工作臺的安置， 激光傳感器的直式三角法測量距離的運算， 采用步進電

14、機驅(qū)動的差動微位移機構(gòu)的設(shè)計，PLC控制微位移機構(gòu)，將測量數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D傳送至數(shù)據(jù)庫，在labvIEW 中進行數(shù)據(jù)讀取、分析、存儲等功能，每一個環(huán)節(jié)都是非常重要的。 下一階段的主要任務(wù)是將上述步驟具體化研究， 繪制出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和電路原理圖并且進行實際操作， 并且對于課題中的重難點需要進行更進一步的研究。4 參考文獻 1 潘曉亮，高芝，謝世坤等. 金屬層狀材料的復合技術(shù)及其新進展 J 安徽冶金， 2008, （4） ： 20-23 2 胥鍇，劉政，劉萍. 金屬基復合材料的發(fā)展及其應(yīng)用 J . 南方金屬,2005（6）:1-6.3張效寧， 王華， 胡建杭等 . 金屬基復合材料研究進展J. 云南冶金

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