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1、华中科技大学 硕士学位论文 激光照明板厚测量系统的研究 姓名：王丹 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：赵斌 2011-01-15 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 摘摘 要要 厚度是钢板轧制过程中检测的一个重要项目指标， 它直接决定着轧制过程中轧辊辊 缝值的设定。因此，必须实时在线测量钢板的厚度，以保护轧机确保轧制生产线的安全 运行。本文对冶金工业中各种非接触实时在线板材厚度测量方法进行了分析比较，根据 热轧钢板厂的现场环境条件， 设计了一种激光倾斜照明光学成像法测量热轧钢板厚度的 系统。 本测量系统利用激光光束斜射到待测钢板侧面， 用工业摄像机将被测钢
2、板上的激光 光带成像于 CCD 靶面上，基于成像光带的像高与被测钢板的厚度的物象关系，计算出被 测钢板的厚度。系统采用倾斜成像，被测物面不垂直于光轴，物象不再满足线性关系； 其次，被测钢板沿宽度方向的运动会出现不同程度的离焦成像。因此，设计分析系统成 像光路得到物象函数关系是本文的重点， 设计中采用了激光三角法测量钢板沿宽度方向 的运动量，并对物面不垂直于光轴、离焦成像对测量结果的影响进行了分析修正。 热轧板厂现场测量结果表明，在 8120mm 厚的钢板测量范围内，测量偏差均在 0.5mm 的范围之内，达到了系统测量的各项指标要求。与目前用于热轧生产线的其它 非接触实时在线厚度测量方法相比较，
3、该测量方法不仅大大减小了热辐射的影响，而且 安装方便、可靠性高，在工业现场测量中有一定的实用性。 关键词：关键词：激光照明倾斜成像法 离焦成像 激光三角法 边缘检测 面阵 CCD I 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 Abstract Thickness is an important item index of steel rolling tests, which directly determines the setting of roller gap value. Therefore real-time and online thickness detection is
4、 necessary to protect mill and ensure production safety. In this thesis, plate thickness detection methods of non-contact online in metallurgical industry have been compared and analyzed. According to environment of hot-rolled steel plant, a hot-rolled steel plate thickness measuring system with las
5、er illumination and optical imaging is designed. In this system, laser beam obliquely incidence to the test side of steel plate, and the laser band is imaged on CCD target surface by industrial video camera. The thickness of steel plate can be calculated based on the object-image relation with the b
6、ands height. For imaging system is titled, test plates surface is not perpendicular to the optical axis, the relationship between the matter and the image no longer satisfies the linear relationship. Secondly, the steel plates movement along its width direction brings out-of-focus imaging in differe
7、nt degrees. Therefore, the key point of this thesis is to design and analyze the system optic imaging and obtain the function relation between object and image. Laser triangulation is used to measure the amount of the steel plates movement along its width direction. The influence of non-vertical to
8、the optical axis and out-of-focus imaging has been analyzed and corrected. The field results show that in the range of 8120mm thick steel plate, measured deviations are within the scope of 0.5mm,which meet the measuring indicators and requirements of the system. Compared with other current online no
9、n-contact thickness measurement methods which are used for hot rolling production line, this method not only greatly reduces influence of the heat radiation but also has the features of reliably function and easy in installing. It has a certain practicality in the industrial field. Keywords: tilt im
10、aging method with laser illumination out-of-focus imaging laser triangulation edge detection area-array CCD II 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：
11、日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 1 绪绪 论论 1.1 本课题的研究
12、背景本课题的研究背景 经济发展和社会工业自动化程度的提高，促进了家电行业、汽车行业、机械工业蓬 勃发展，国家大力发展基础设施建设，例如构筑城际高速铁路、修建公路及各种桥梁， 房屋建筑等等，所有这些急剧增加了钢铁的需求量。因此，钢铁企业一方面引进年产量 更高的连轧机设备，另一方面希望轧制生产线能够一直处于连续不间断的安全运行状 态，以增加产量满足社会的钢铁需求。 国内的大型钢铁企业大都是从国外引进的钢铁轧制生产线，整套生产线价格昂贵， 生产线上的某一架轧机出现故障就必须停机维修，系统维修技术要求较高，耗时较长， 直接影响企业的效益。当待轧钢板的厚度超出轧机辊缝预设值一定量时，被传送辊快速 传送到
13、轧机口的钢板就会将轧辊撞坏或者卡死在轧机的辊缝中，因此，需要在待轧钢板 进入轧辊之前测出钢板厚度值并实时反馈到控制室， 以便控制室轧机操作工人正确设定 轧机进出口辊缝值，保护轧机保证轧机安全运行。对于热轧钢板来说，人工用游标卡尺 测量高温的热轧钢板厚度的方法是不可操作的；对于冷轧生产线来说虽然具有可实施 性，但无法满足生产线实时在线测量的要求。 本课题以武钢热轧板厂的生产线现状为研究背景， 武钢热轧板厂仍然凭借轧机操作 工人的记忆力及目测结果来预设轧机进出口的辊缝值。 在钢板粗轧后轧制系统会给出钢 板的厚度值， 粗轧机的操作工人会通过对讲机将钢板厚度值报读一遍以提醒后面几架轧 机的操作工人，后
14、续轧机的操作工人会在一张轧制记录表上记下厚度值。经过很长的轧 制生产线以及生产线密集轧制钢板，传送辊道上钢板列队等待进入下一架轧机轧制，在 白天操作工人根据轧制表单记录， 同时凭借自己多年的轧制经验目测估计一下钢板的型 号来预设轧机辊缝值，但稍有疏忽也很容易出错；在夜间由于光线较暗，工人也比较疲 乏，仅靠表单记录已很难分清待轧钢板的厚度值，出错的概率更大。根据轧制现场操作 工人反映，这种仅靠人工控制的方法，由于钢板厚度判断失误造成轧机出现故障的频率 极高，同时无形之中也增加了操作工人的劳动强度。 综合上述分析，为了保护轧机，保证轧制生产线的安全顺利运行，减轻工人劳动强 度，实时在线非接触的钢板
15、厚度测量方法已成为钢铁企业的迫切需求。为此，本课题针 对冶金工业中的各种非接触厚度测量方法加以分析研究， 结合武钢热轧生产线的现场实 1 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 际情况设计一种钢板厚度测量系统。 1.2 工业生产线非接触测厚方法综述工业生产线非接触测厚方法综述 为了满足现代工业的高效准确、实时在线的主动测量要求，各种非接触在线测量方 法随之出现。据中国电子科技集团电子第二十七研究所贾治国1等人的统计分析，目前 工业生产线上采用的非接触在线测厚方法主要有电涡流法、电容法、放射线法、光学法 等。 天津大学阳鑫在研究基于PSD的钢板测厚系统2中对涡流法测厚的基本原理及优缺
16、 点进行了论述，程松波等人设计了电涡流式钢板在线测厚系统3，并对电涡流传感器的 设计、安装以及软件处理方面进行了详述。 李娟等学者提出了电涡流测量钢板厚度的温度补偿问题4，应用双差动法进行综合 补偿。即涡流法用于钢板厚度测量时，如图 1.1 所示采用固定距离D的双探测头分别位 于钢板的上下表面， 分别测得探测头距钢板的距离x1， x2， 从而实现对钢板厚度h的测量。 D x2x1 被测钢板 上探测头 下探测头 图 1.1 涡流测厚测量示意图 根据放射源的不同，放射线法主要有x射线、射线以及射线法等。国内冉亚斌、 江晶、廖平等人5-7研究了x射线测厚仪在轧制、薄膜、板材测量中的应用，分析了基本
