浮法玻璃非接觸式在線厚度檢測系統(tǒng)的研制

浮法玻璃非接觸式在線厚度檢測系統(tǒng)的研制

0浮法玻璃厚度測量系統(tǒng)浮法玻璃生產(chǎn)能力是目前平板玻璃生產(chǎn)的最先進(jìn)的工藝，它可以保證玻璃的平坦度和均勻厚度。浮法玻璃生產(chǎn)流程示意圖如圖1所示。傳統(tǒng)測厚做法是在切割區(qū)附近,使用螺旋測微計進(jìn)行人工測量,記錄數(shù)據(jù)并處理后,反饋給生產(chǎn)控制人員,然后進(jìn)行厚度調(diào)節(jié)。而此時從錫槽出口到切割區(qū)己有100多m玻璃處于不合格狀態(tài)。針對上述玻璃測厚做法的缺點(diǎn),研究浮法玻璃厚度測量系統(tǒng),可有效解決上述問題。設(shè)想在錫槽末端設(shè)置測厚裝置,將厚度信號轉(zhuǎn)化為電信號再經(jīng)計算機(jī)處理,迅速得到數(shù)據(jù)輸出。該測厚系統(tǒng)使數(shù)據(jù)獲得的時間大為縮短,可節(jié)省人力、物力,增加測量的可靠性和一致性。1系統(tǒng)設(shè)計1.1玻璃厚度的測量系統(tǒng)的光電傳感裝置置于浮法玻璃生產(chǎn)環(huán)節(jié)中錫槽的末端或錫槽與退火窯連接的輥臺內(nèi)部,由行走機(jī)構(gòu)帶動冷卻套桿和光電傳感裝置在玻璃板面上且垂直于玻璃傳送方向不停的來回掃描檢測,進(jìn)行多點(diǎn)測量。如圖2所示,當(dāng)光電傳感裝置中光源LD發(fā)出入射光照到玻璃表面,經(jīng)玻璃板上下表面雙重反射的平行光束帶有玻璃厚度信息,建立數(shù)學(xué)模型可推導(dǎo)出兩束平行光線的水平距離A與玻璃T的厚度呈線性關(guān)系:T=2K2?1√2AΤ=2Κ2-12A,玻璃折射率K=sinα/sinβ=2√/(2sinβ)Κ=sinα/sinβ=2/(2sinβ)。該平行光束經(jīng)過處理后,被CCD攝像機(jī)接收,CCD攝像機(jī)接收到兩束平行光線的位置,在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動下,可將光強(qiáng)分布信號轉(zhuǎn)換為時間序列的電信號,電信號經(jīng)后續(xù)電路處理后獲得與光束距離相對應(yīng)的脈寬,測量脈寬既可得平行光在CCD攝像機(jī)上的距離。CCD攝像機(jī)所接收的檢測信號是通過電纜傳送到計算機(jī),經(jīng)由計算機(jī)處理后在屏幕上顯示。1.2材料的主要技術(shù)指標(biāo)玻璃厚度測量系統(tǒng)要求:測量范圍1～20mm,測量精度±0.01mm.由式(1)得:Amin=1.069×103μm,Amax=2.1381×104μm.選擇型號為TCD1500C的線陣CCD即可滿足要求,其主要技術(shù)指標(biāo)為:像敏單元數(shù)目:5340像元;像敏單元大小:7μm×7μm×7μm(相鄰像元中心距為7μm);像元總長:37.38mm;光敏區(qū)域:采用高靈敏度PN結(jié)作為光敏單元;時鐘:二相(5V);內(nèi)部電路:包含采樣保持電路,輸出預(yù)放大電路。根據(jù)奈奎斯特定理:如果己知圖像的最大空間頻率,則采樣頻率應(yīng)大于圖像最大空間頻率的2倍。CCD極限分辨率對應(yīng)的圖像空間分辨率為114μm?1114μm-1,對應(yīng)圖像空間尺寸為14μm,測量系統(tǒng)放大率為1.70,最小分辨長度為8.2μm.2驅(qū)動和組成設(shè)計電路CCD應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵是驅(qū)動信號的產(chǎn)生及輸出信號的處理。目前雖然有部分CCD芯片同時集成了驅(qū)動電路和信號處理電路,但在不同使用場合,往往對信號輸出模式如采樣時間、采樣周期、信噪比等有不同的要求,因而需要根據(jù)實際情況設(shè)計CCD的驅(qū)動電路和信號處理電路。2.1驅(qū)動信號產(chǎn)生電路目前,已經(jīng)研究了使用通用邏輯電路、可編程器件(PLD、EPROM)、單片機(jī)等多種方式的CCD時序的產(chǎn)生方法,并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。TCD1500C比TCD1206UD多一片內(nèi)驅(qū)動器和采樣保持器,片內(nèi)驅(qū)動器使送入CCD的驅(qū)動脈沖簡化,只需3路驅(qū)動信號:轉(zhuǎn)移脈沖?SH,復(fù)位脈沖?R,時鐘脈沖?.?SP為片內(nèi)采樣保持電路的控制脈沖,加有?SP后,TCD1500C的輸出信號去掉了調(diào)幅脈沖成分,它的幅度直接反映像敏單元照度.設(shè)計中f?=1MHz,fRS=2MHz,TSH≥2708×103μs.驅(qū)動信號產(chǎn)生電路如圖3所示,包括脈沖發(fā)生電路、分頻電路、控制電路、脈寬調(diào)制電路。取自獨(dú)立脈沖源的脈沖由于其獨(dú)立性而精度高,且所產(chǎn)生的脈沖頻率可自由選擇,穩(wěn)定性好,因此驅(qū)動電路選用獨(dú)立脈沖源。二分頻電路由D觸發(fā)器構(gòu)成?？刂齐娐分杏蓡纹瑱C(jī)AT89C51對計數(shù)器82C54進(jìn)行初始化、計數(shù)器啟動停止、計數(shù)脈沖中斷等任務(wù)控制。脈寬調(diào)制電路主要由單穩(wěn)態(tài)電路74LS123構(gòu)成,用于調(diào)節(jié)各驅(qū)動脈沖相位關(guān)系。時鐘脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生頻率為4MHz的方波信號。將時鐘脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的信號通過分頻電路2次可得到頻率1MHz的方波脈沖?.82C54定時器0的計數(shù)脈沖取自分頻電路第一次分頻信號,頻率為2MHz,設(shè)置其計數(shù)初始值>2708μs,從OUT0口產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖?SH.脈沖δ作為定時器1的計數(shù)脈沖,計數(shù)初始值設(shè)為2,再將OUT1輸出信號接入脈寬調(diào)制電路對高電平進(jìn)行延時處理,得到復(fù)位脈沖?R,從而CCD的3路驅(qū)動信號全部獲得。2.2cd輸出電壓噪聲線陣CCD輸出信號為離散的模擬信號,其中混雜著各種噪聲和干擾信號,最主要的有復(fù)位噪聲、隨機(jī)噪聲、散粒噪聲和固定圖形噪聲等。CCD輸出電壓通常很小,一般只有幾百mV,因而常淹沒在噪聲中。CCD信號處理的目的就是盡可能的消除這些噪聲的同時保有圖像的細(xì)節(jié)。CCD信號處理框圖如圖4所示。2.2.1采樣系統(tǒng)相關(guān)雙取樣在高性能CCD信號處理系統(tǒng)中,多采用相關(guān)雙取樣法來完成對信號的檢測。實現(xiàn)相關(guān)雙取樣基本電路如圖5所示。兩次采樣時間需控制在沒有復(fù)位脈沖和水平轉(zhuǎn)移脈沖干擾區(qū)間,兩次采樣間隔一般要小于T/2,T為一像素周期。兩次采樣后電平模擬相減,差值為真正的信號電平。選用TL1591型采樣/保持放大器來完成相關(guān)雙取樣功能。因為相關(guān)雙取樣為點(diǎn)采樣,本身不具有低通濾波特性,所以在它之前要加前置低通濾波器來限制帶寬,從而組成相關(guān)雙取樣系統(tǒng)。在相關(guān)雙取樣電路前加一級帶寬為10MHz的低通濾波器。2.2.2圖像數(shù)據(jù)二值化經(jīng)過低通濾波、相關(guān)雙取樣、二次視頻放大后的CCD信號必須轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,以便于微機(jī)的進(jìn)一步處理。對于應(yīng)用于玻璃厚度測量系統(tǒng)的CCD信號對圖像灰度不做要求,為提高處理速度,降低成本這里采用二值化圖像處理方法。具體