• 概述

  自從(cong) 上世紀60年代激光產(chan) 生以後，其高方向性和高亮度的*性就一直吸引著人們(men) 不斷探索它在各方麵的應用，其中，工業(ye) 生產(chan) 中的非接觸、在線測量是非常重要的應用領域，它可以完成許多用接觸式測量手段無法完成的檢測任務。普通的光學測量在大地測繪、建築工程方麵有悠久的應用曆史，其中距離測量的方法就是利用基本的三角幾何學。在上世紀80年代末90年代初，人們(men) 開始激光與(yu) 三角測量的原理相結合，形成了激光三角測距器。它的優(you) 點是精度高，不受被測物的材料、質地、型狀、反射率的限製。從(cong) 白色到黑色，從(cong) 金屬到陶瓷、塑料都可以測量。

• 激光三角測量的原理

激光三角測量法是人們(men) 將激光與(yu) 三角測量的原理相結合的產(chan) 物，其原理如下圖示：

它是將激光作光源，用線陣CCD作光電轉換器，用玻璃透鏡將被測物上的光斑聚焦

成點，再成像到線陣CCD上，線陣CCD上的光電信號再移到計算機處理，從(cong) 而得到距離信號。這就是激光三角測量的基本原理。

• *代激光三角測厚儀的原理

有了激光三角位移傳(chuan) 感器，就為(wei) 激光測厚儀(yi) 墊定基礎，其設計原理如下圖所示，

                 *代激光測厚儀(yi) 原理圖

從(cong) 上圖可得：厚度為(wei) ： 公式中，t表示厚度，z是上下兩(liang) 個(ge) 測頭間的距離，x是上測頭到被測物上表麵的距離，y是下測頭到被測物下表麵的距離，隻要z是恒定的，則，上下測頭測量出x，y，就可以通過上麵的公式算出厚度t，這樣，用兩(liang) 個(ge) 激光位移傳(chuan) 感器就可以做出測厚儀(yi) 。

• *代激光三角測厚儀的誤差分析

1. 上麵的厚度公式中我們假設z是恒定的，則，在靜止狀態下係統誤差就是上下測頭的測量誤差，我們令其表達式為：
2. 實際上，在高精度測量時，z並不是恒定的，因為，上下測頭是裝在U形支架上，而隨著溫度的變化，U形支架是會變形的，掃描寬度越寬其變形量就越大，所以，其在靜止狀態下的誤差表達式應為： ，見下圖示，

當溫度變化時。

1）假若U形支架的上臂向上變形一微米，下臂向下變形一微米，則，

2）假若U形支架的上臂向下變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

3）假若U形支架的上臂向上變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

4）假若U形支架的上臂向下變形一微米，下臂向上變形一微米，則，

5） 假若U形支架的上下臂向其它方向變形，則，誤差比較複雜。

1. 上麵分析是假設靜止狀態時的測量誤差表達，而實際上激光測厚儀是要求能做到在線，動態掃描測量的，我們再來分析動態測量時的誤差情況。

我們(men) 知道，線陣測頭的輸出值是一段時間的測量結果的平均值。在動態測厚過程中，激光焦點在被測物表麵掃描，由於(yu) 激光散斑的原因，表麵反射光強存在劇烈的起伏，導致一些采樣點的信號強度過低，成為(wei) 無效數據而剔除，若單測頭每次平均需m個(ge) 數據，之間會(hui) 剔除n個(ge) 數據，則需要增加測n個(ge) 數據，總數據量為(wei) m+n個(ge) ，這可形象地用下圖表示。

由於(yu) 上下表麵的數據是獨立的，因此，上下表麵數據序列中被剔除的數據也是獨立的（見上圖中的一個(ge) 箭頭表示一個(ge) 剔除數據）。如果物體(ti) 不動或高度不變，則剔除數據的位置沒有什麽(me) 影響，但當物體(ti) 抖動量較大時，被剔除數據的位置對平均值的影響將立刻顯現出來，例如當表麵上升時（下圖）

剔除數據的位置靠前則m個(ge) 數據的平均值偏大，反之則偏小。

由於(yu) 上下兩(liang) 個(ge) 測頭內(nei) 部對剔除數據的操作是獨立的，無法進行協調，因此，物體(ti) 抖動必然導致厚度測量結果的較大起伏！這種誤差的統計估計如下：

由上圖可知，兩(liang) 個(ge) 測頭的數據錯位範圍為(wei) （-n，+n），處於(yu) 各種錯位情形的概率均等，則由概率論知，均方差為(wei) 個(ge) 數據，若物體(ti) 移動速度為(wei) V，單次采樣時間為(wei) T，則造成的上下兩(liang) 測頭的厚度測量的概率誤差為(wei) ,例如，若v=10mm/s, T=10ms, n=2, 則e=0.115mm！若上下測頭組合儀(yi) 取p個(ge) 數平均，則厚度誤差均方差下降為(wei) ，若p=20，則e=0.026mm！對於(yu) 高精度測量仍然是無法容忍的！

由於(yu) 激光散斑是無法消除的，因此，被測物速度越大，誤差越大，因此原理上，上下獨立測頭不適宜抖動物體(ti) 的測厚！

• 結論

從(cong) 上麵的分析，我們(men) 可以知道：用激光位移傳(chuan) 感器構成的測厚儀(yi) 存在著原理上的缺陷，其誤差的產(chan) 生都是隨機的，所以，無法進行補償(chang) ，故，在高精度測量時不能滿足測量要求。

• 第二代激光測厚係統原理簡介

第二代激光三角測厚儀(yi) 是重新設計發展而來，它克服了*代由於(yu) U形支架變形、振動等導致測量精度不高，由於(yu) 采用二個(ge) 光電轉換部件導致工作不同步而導致上下兩(liang) 測頭的測量點不重合，及由此導致測量精度不高，測量精度不穩定等不足。第二代激光測厚儀(yi) 從(cong) 測量原理上做了重新設計，不再采用兩(liang) 個(ge) 位移傳(chuan) 感器分別測量上下測頭到被測物的上下表麵的距離來算出厚度，而是直接測量被測物的厚度，避免了U形支架變形、振動等導致測量誤差，大大提高了測量精度，而且不怕振動，並且安裝使用更簡單，工作更穩定，測量精度更高（+/-0.0015mm），它無環境汙染，對人無傷(shang) 害，對被測物無汙染無接觸，同時第二代激光三角測厚儀(yi) 有完整的數據輸出接口，這為(wei) 塗布機的日後閉環自動控製打下了基礎，

詳見原理圖

                         第二代激光測厚儀(yi) 原理

上述原理圖的工作原理：上下二個(ge) 激光器將激光束分別打在被測物的上下表麵，形成二個(ge) 光斑，無衍射光學係統將這二光斑成像到麵陣CCD或DSP等光電轉換部件上，則，這二個(ge) 光斑在麵陣CCD或DSP等光電轉換部件上的光斑的像之間的距離就是被測物厚度的映射，能過圖像處理技術就能算出被測物的厚度。

從(cong) 上麵的原理圖可知，U形支架上安裝的不是激光位移測頭，而是激光器，僅(jin) 作為(wei) 光源用，上下激光器照射到被測物的上下表麵形成上下二個(ge) 光斑，將這兩(liang) 個(ge) 光斑通過一個(ge) 無衍射光學係統成像到麵陣CCD上，則，這二個(ge) 光斑之間的距離就是被測物的厚度，這樣直接測量的是被測物的厚度，這就避免了由於(yu) U形支架的變形和上下測頭的測量誤差還有抖動等因素的影響，第二代係統隻有一個(ge) 誤差，就是無衍射光學係統的測量誤差，而這個(ge) 誤差不是隨機產(chan) 生的，是可以補償(chang) 的，同時我們(men) 的單鏡頭麵陣ccd測厚儀(yi) ，由於(yu) 是上下光斑同時測量，若出現上下任一光斑太暗，則該組上下光斑數據作廢，保證了用於(yu) 厚度數據的上下光斑的一一對應性！從(cong) 原理上避免了*代測厚儀(yi) 的多項誤差。故，第二代激光測厚係統比*代激光測厚係統有無比優(you) 異性能。

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