基于激光測厚系統(tǒng)的精度補償技術(shù)

1

序言某特殊用途大型機械鋁合金網(wǎng)格壁板，其長寬尺寸為5000mm×2500mm，網(wǎng)格壁板厚度范圍為2～20mm。因板材需要較高的強度，且需要控制自身重量，所以設(shè)計人員對其厚度精度提出了較高的要求，厚度公差為±0.1mm。但板材尺寸較大，測量任務(wù)繁重，且精度要求較高，對傳統(tǒng)人工手持超聲測厚儀檢測方法提出了較大的挑戰(zhàn)。針對壁板厚度測量問題，引入了雙側(cè)激光測厚技術(shù)，通過在壁板的兩側(cè)對稱布置激光測距傳感器，兩傳感器距離值分別與兩傳感器測距值求差，即可得到壁板的厚度值。激光測量模塊配合運動控制裝置，可自動測量壁板的厚度。激光測厚系統(tǒng)的核心部分是激光測量模塊（見圖1），該模塊由一對激光線輪廓掃描傳感器組成。因產(chǎn)品精度要求較高，所以設(shè)計人員對系統(tǒng)的檢測精度提出了較高的要求，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差（測量模塊與壁板相對靜止時的測量誤差）應(yīng)控制在±0.02mm以內(nèi)。圖1激光測量模塊該系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜，但精度要求較高，在調(diào)試系統(tǒng)精度過程中，存在如下問題：①系統(tǒng)的時間穩(wěn)定性差，即從傳感器通電開始，隨著時間的推移，測量結(jié)果也隨之變化（漂移），需要等待較長的時間，傳感器才能提供穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。②傳感器存在明顯的線性誤差，導(dǎo)致檢測不同厚度的壁板時，測量精度差別較大。針對上述問題，需要對傳感器進行修正補償，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度，以滿足設(shè)計要求。2

系統(tǒng)測厚原理系統(tǒng)所使用的傳感器為某進口激光線輪廓掃描傳感器，傳感器的工作原理是基于激光三角測距法，光路如圖2所示。

圖2激光三角測距法光路該傳感器的組成主要包括激光光源、會聚透鏡、接收透鏡、探測器（主要是PSD或CCD）及信號處理控制器等。由激光光源發(fā)出的激光經(jīng)會聚透鏡到達被測產(chǎn)品的表面，其漫反射光經(jīng)接收透鏡形成光斑，并成像在光電檢測器件（PSD）上。該散射光斑的中心位置由傳感器與被測物體表面之間的距離決定。被測物體表面的位移改變會使光敏元件上成像光點產(chǎn)生位移，而光電檢測器件輸出的電信號與光斑的中心位置有關(guān)，通過對光電檢測器件輸出的電信號進行運算處理，就可獲得傳感器與被測物體表面之間的距離信息。假設(shè)當(dāng)物體位于參考面D時，光斑成像于PSD中心位置F處，被測面與參考面相距S時，光斑像點在PSD上的位移為△S，其中△S=FF’。則S為該傳感器可實時測量與被測物體表面之間的距離。本系統(tǒng)所使用的激光線輪廓掃描傳感器如圖3所示。Z方向為傳感器的測距方向，量程為80～120mm，即傳感器與被測產(chǎn)品之間的距離應(yīng)控制在Z方向量程范圍內(nèi)。X方向量程為50mm，即傳感器在X方向掃描測量范圍為50mm的線。圖3激光線輪廓掃描傳感器通過在被測壁板兩側(cè)同時安裝該傳感器，使壁板處于兩傳感器Z方向工作量程范圍內(nèi)，預(yù)先標(biāo)定兩傳感器的距離L，L與兩傳感器的測距值求差值，即可實現(xiàn)壁板厚度的測量。3

傳感器時間穩(wěn)定性（漂移）補償3.1問題分析傳感器的時間穩(wěn)定性較差，即傳感器從通電開始，不同時間對同一產(chǎn)品的同一位置進行測量，測量結(jié)果存在較大差異。測量現(xiàn)場為恒溫、無振動環(huán)境，排除了外界環(huán)境的影響。為了獲得傳感器示值隨時間的變化規(guī)律，進行了相關(guān)的試驗。因傳感器Z方向工作量程為80～120mm，需要研究傳感器在全量程內(nèi)的示值變化規(guī)律。從傳感器通電開始，持續(xù)跟蹤觀測傳感器Z方向80mm和120mm兩個靜態(tài)目標(biāo)，觀測時長為7200s，分別得到兩組示值變化曲線。以傳感器1為例，所得數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4傳感器1示值變化曲線從圖4中可獲得三點信息：①傳感器從開機通電至6000s，傳感器示值變化量＞0.05mm，若不增加補償措施，此時間段傳感器難以滿足使用要求。②6000s后，兩組數(shù)據(jù)均趨于穩(wěn)定，最終數(shù)值穩(wěn)定在±0.001mm以內(nèi)，可以滿足使用要求。③兩組數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，傳感器在量程范圍內(nèi)的一致性較好，且穩(wěn)定狀態(tài)下（6000s后），兩組數(shù)據(jù)的差值為0.0024mm，有利于對傳感器進行補償。綜上所述，傳感器從開機通電，需要等待6000s才能使用，難以滿足現(xiàn)場使用要求。需要通過增加補償措施，縮短傳感器從通電到穩(wěn)定狀態(tài)所需等待的時長，減小漂移量，提高傳感器的時間穩(wěn)定性，使傳感器盡快進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。3.2時間穩(wěn)定性（漂移）補償針對傳感器時間穩(wěn)定性問題，通過硬件和軟件算法相結(jié)合的方法進行補償。（1）補償原理以傳感器1為例，在傳感器Z方向量程下限位置安裝一個高精度的補償板，傳感器與補償板之間的距離記為Zmin，如圖5所示。該補償板為100mm×50mm的矩形薄板，薄板中間部分均勻的去掉90mm×40mm的矩形，保證傳感器工作時，激光線中間40mm可以透過補償板投射到被測產(chǎn)品上，用于測量被測產(chǎn)品的距離。兩側(cè)5mm激光線被補償板阻擋，用于補償。

圖5補償示意在傳感器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后（傳感器通電6000s之后），讀取Zmin處補償板的距離值，記為Zref，Zref為Zmin處的參考值。從傳感器開機通電開始，在任意時刻讀取補償板的值為Zcomp，Zmin處該時刻的實時補償值記為△fmin，△fmin為需要注意，傳感器量程下限Zmin和上限Zmax處，在穩(wěn)定后二者示值存在0.0024mm的偏差量，使用Zmin處的實時補償值△fmin不能直接用于補償全量程范圍內(nèi)的誤差值，需要增加補償修正值。為了方便獲得量程范圍內(nèi)修正值，此處采用了簡化求法，將0.0024mm在全量程范圍內(nèi)進行線性化分布處理，作為任意位置的修正值，記為△fmod。用Zobj表示傳感器在任意時刻獲取的壁板測量值，則△fmod為結(jié)合式（2）和式（3），可推算出被測目標(biāo)在傳感器進行時間穩(wěn)定性（漂移）補償后的數(shù)值Ztime（2）方案實施傳感器1和2在Z方向量程下限處增加補償板，如圖6所示。并將式（2）、式（3）和式（4）加入到算法中進行補償，用于改善系統(tǒng)的時間穩(wěn)定性（漂移）。圖6傳感器增加補償板（3）補償結(jié)果對補償后的測量結(jié)果進行驗證，從傳感器1和傳感器2開機通電開始，持續(xù)跟蹤觀察某一靜態(tài)目標(biāo)至7000s，兩傳感器的示值變化情況分別如圖7和圖8所示。圖7傳感器1示值變化情況

圖8傳感器2示值變化情況由圖7和8可知，兩傳感器均在開機通電1200s之后進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)波動量在±0.001mm范圍內(nèi)。與加入補償之前相比，系統(tǒng)提前了4800s進入穩(wěn)定階段，取得了不錯的效果。4

傳感器線性誤差補償4.1問題描述因被測壁板的厚度范圍為2～20mm，且壁板存在彎曲變形等問題，為了保證系統(tǒng)在上述條件下具有較高的精度，要求傳感器在全量程范圍內(nèi)應(yīng)具有較好的線性度。在傳感器穩(wěn)定工作狀態(tài)下（開機通電1200s之后），將被測樣件置于帶有高精度光柵尺（精度2μm/m，分辨率0.001μm）的移動機構(gòu)上，通過對傳感器1和傳感器2在全量程范圍內(nèi)進行觀測，并與光柵尺示值對比，分別得到兩傳感器在全量程范圍內(nèi)的線性誤差，如圖9所示。橫坐標(biāo)為光柵尺示值，縱坐標(biāo)為傳感器與光柵示值的偏差值。由圖9可知，兩傳感器在全量程范圍內(nèi)線性誤差較大，難以滿足使用要求，需要對線性誤差進行補償。

圖9傳感器線性誤差另外，在全量程內(nèi)對兩個傳感器進行重復(fù)測量試驗，兩傳感器的重復(fù)測量誤差均＜0.003mm，重復(fù)性較好，有利于對傳感器進行線性誤差補償。4.2線性誤差補償（1）補償原理和方法通過對圖9所示的偏差值數(shù)據(jù)進行換算，得到傳感器示值與線性誤差補償值的分段函數(shù)圖（相鄰兩點之間用直線連接），如圖10所示。圖10橫坐標(biāo)為傳感器示值，縱坐標(biāo)為傳感器對應(yīng)的線性誤差補償值，記為△flin。在傳感器的量程范圍內(nèi)，對于任意距離的測量值，均可通過圖10函數(shù)曲線得到對應(yīng)的線性誤差補償值△flin。將其加入到算法中進行補償，可以得到線性誤差補償后的測量結(jié)果。經(jīng)過線性誤差補償后的傳感器示值記為Zlin圖10傳感器示值與補償值分段函數(shù)（2）線性誤差補償結(jié)果對經(jīng)過線性誤差補償?shù)膫鞲衅鬟M行測試，與光柵尺示值進行對比，得到兩傳感器在全量程范圍內(nèi)線性誤差如圖11所示。由圖可知，兩傳感器的偏差值均在±0.006mm以內(nèi)。

圖11補償后傳感器線性誤差5

測量結(jié)果評定5.1標(biāo)定兩傳感器的距離值標(biāo)定兩傳感器的距離值如圖12所示，將標(biāo)準(zhǔn)樣板置于兩傳感器的中間位置，使標(biāo)準(zhǔn)樣板同時處于兩傳感器Z方向工作量程范圍內(nèi)。通過樣板的厚度與兩傳感器的示值進行求和，獲得兩傳感器的距離值Lcalib=200.102mm。

圖12標(biāo)定兩傳感器的距離值傳感器1和傳感器2經(jīng)過漂移補償和線性誤差補償后的測量值分別記為Zlin1和Zlin2，則被測壁板的厚度h為5.2厚度測量結(jié)果評定在靜態(tài)條件下，即傳感器與被測壁板樣件相對靜止時，將樣件置于系統(tǒng)量程范圍內(nèi)，應(yīng)用該測厚系統(tǒng)檢測壁板樣件，進行靜態(tài)測量試驗，如圖13所示。以開機時間和壁板樣件厚度為變量，獲取多組測量數(shù)據(jù)，將測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量機檢測結(jié)果進行對比，數(shù)據(jù)見表1，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。由表1可知，系