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1、中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书目 录1 引言 .11. 1 选题的背景和意义 .11. 2 国内外研究现状 .11.2.1 国外研究现状 .11.2.2 国内研究现状 .41.3 国内非接触测量技术对比 .41.4 本文主要内容 .51.5 工作流程 .52 各种非接触测厚系统简介 .62.1 非接触测厚系统分类 .62.2 超声测厚系统 .62.3 穿透式 射线测厚系统 .62.4 X 射线测厚系统 .72.5 高频涡流测厚系统 .72.6 激光测厚系统 .82.7 各种测厚系统对比总结 .83 非接触玻璃测厚系统的工作原理及仿真分析 .93.1 系统组成 .93.
2、1.1 激光发射器简介 .93.1.2 CCD 传感器器简介 .113.2 工作原理 .163.3 仿真分析 .173.3.1 仿真工具简介 .173.3.2 最佳入射角的确定 .203.3.3 玻璃厚度 .223.3.4 仿真数据分析 .234 实验数据 .234.1 游标卡尺测玻璃厚度 .234.2 测厚系统测玻璃厚度 .244.3 实验数据分析 .264.4 实验心得 .275 结论 .285.1 设计中出现的问题 .285.2 总结 .285.3 工作展望 .28附录：仿真程序代码 .30参 考 文 献 .31致 谢 .33中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 0
3、 页 共 34 页1 引言1. 1 选题的背景和意义国内玻璃生产企业大部分采用浮法玻璃生产方法 1,浮法玻璃生产就是让玻璃融液漂浮在锡液的上表面上,在锡槽内700900的温度区间内调整玻璃厚度，然后在玻璃冷却后再进行厚度检测的方法。这种落后的生产方法导致玻璃厚度测量反馈信号滞后于玻璃厚度控制系统 2,很容易因玻璃厚度与国家标准不符合而造成损失。因此,对玻璃厚度在高温时进行非接触测量具有很高的实际意义。而且这种测量方法可广泛用于生产线上对各种透明材料的厚度、宽度、轮廓的实时测量 3, 具有非接触测量、不损伤物体表面、无环境污染、抗干扰能力强、精度高等优点。非接触测厚系统是工业生产线产品质量控制的
4、重要设备，相信在未来我国工业向高科技高精密模式转型中会得到更大的应用。1. 2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状在厚度精确测量方面日本处于业内先进水品。日本基恩士公司的LK-G系列位移传感器可用来检测透明材料的厚度，具有高精度和高反应速度 4。以LK-G5000为例，其再现性（检测固定目标物时，模拟输出电压也会因内部杂波而有轻微波动。波动的量就叫做再现性。波动越小再现性就越高。 ）为0.01m，测量范围为9-1000mm,传感器反应频率为392K赫兹。其重复性可以达到0.005m，测量精度为0.02%。可用于透明物体的厚度测量。由此可见无论是测量精度还是反应速度都同类产品中处于领先地位。
5、除此之外，Lk-G5000的优点在于其采用CCD传感器，普通激光位移传感器一般用PSD作为光接收元件，而LK系列则使用CD作为光接收器件。目标物反射的光穿过接收透镜被聚焦到PSD或CCD上。PSD利用进入光接收元件的整个光点的光亮分布来测定光点中心并将这个中心确定为目标物位置。但是光亮的分布会受到目标物表面状况的影响，造成测量数值的偏差。CCD检测每个像素上光点的光亮分布峰值并将这个确定为目标位置。因此可以不考虑光点光亮分布状况如何。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 34 页图1.1 光接收元件上的光亮分布与取值美国的 Filmetrics 公司的 F70
6、系列是通用的厚度测量仪器 3，能够测量厚度达13毫米的薄膜。常见的应用包括玻璃，塑料板材，镜头，容器，和半导体晶圆。其采用色差公焦测量的测量方式，最多可以同时测量两层。这种方式较不易受待测样品表面粗糙度、均匀性、曲率的影响。CMT 厚度测量基本上是藉由探测待测薄膜层上下介面之距离进而获得厚度值。透过专业透镜聚焦不同波长的光，而聚焦在待测样品上下界面的光反射回侦测器后，就会在光谱图中看到二处讯号波峰，进而推算出波峰之间的距离，即为待测薄膜的厚度值。F70搭配不同的透镜可以测量不同厚度范围的玻璃。厚度测量范围为15nm-13mm，波长范围为380-1050nm。中 北 大 学 2013 届 毕 业
7、 设 计 说 明 书第 2 页 共 34 页图1.2 F70 测量系统的波长与厚度F70的优势在于其有内置的自动波长校准，系统包括独立的软件能储存历史记录并复制，绘制测量结果。测量结果几秒钟就可显示出来。图1.3 F70 测量结果显示德国 CHRocodile IT 系列光学传感器配合红外线灯光进行工作，完美适用于非接触式厚度测量，即便材料的一面不透明。不同的型号确保针对大量的应用提供最优解决方案。针对所有加工阶段中的晶片可以在 10 m - 3000 m 的厚度范围内进行精确的离线和在线测量。其它应用领域包括不透明材料的厚度测量，以及透明塑料产品的厚度测量。具体性能参数如下：1、测量次数/秒
8、：40002、干扰测试的测量范围： CHRocodile IT 500：37 m - 4700 m；CHRocodile IT 1000：64 m - 8200 m； CHRocodile IT 500 RW：45 m - 5600 m；CHRocodile IT 1000 RW ：57 m 7300 m3、分辨率：10 -7 x 最大测量范围 (23 Bit)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 34 页4、可重复性：10 -4 x 最大测量范围5、与外部设备同步：触发器输入端、同步输出端、3 个编码器输入端其优势在于有自动光亮控制和非常高的分辨率。可以测量
9、透明的和不透明的物体。物体表面的粗糙程度对测量结果影响不大。1.2.2 国内研究现状国内非接触玻璃测厚系统的典型代表是西安星悦激光红外技术有限公的HD5000型激光测厚仪。HD5000适用于玻璃管、玻璃板等透明管材及板材的厚度的在线测量。也适用于各种玻璃瓶、玻璃 杯、灯 泡、灯管的壁厚的在线或静态测量。其采用无污染激光测量法，连续对被测物进行非接触、无损伤厚度测量，采样速度快精度高，性能稳定，操作简单，可设定测值上下限，超出界限值时主机自动报警。可以实现在线实时测量监控、数字显示、自动报警、生产过程控制调节及计算机 RS485串口通讯。其工作参数如下：1、测量范围：0.120mm（或可按要求设定范围）2、测量速度：每秒2000次3、显示速度：每秒23次（或可按要求定制）4、测量精度：0.01mm5、输出信号：010V 电压输出6、RS485串口通讯：本仪器可与计算机通过 RS485串口相联，两机之间传输距离可达数百米1.3 国内非接触测量技术对比可以看出无论是在非接触测量的理论研究、测量精确度、系统复杂度上，国内都落后于国外同行。国内测量精度约为0.01mm,日本基恩士公司仪器能达到0.02%。从测量系统的智能性和功能性来说，德国的 CHRocodile IT 系列仪器还能实现编程控制功能，而且测量扫描速度约为国内的2倍。究其原因还是因为国内在激
