文献综述激光传感器测厚方法及测厚装置的设计1前言部分（阐明课题的研究背景和意义）随着我国经济的迅速发展，市场经济的竞争日益激烈由于现代工业的快速 发展，单一的金属或合金已难以完全满足现代化生产对材料综合性能的需求，因 此人们发展了复合材札复合材料是为达到预期的使用特性将两种或两种以上材 料通过物理或化学的复合方法，在宏观上组成了具有新性能的材料⑴金属基复合材料作为复合材料中的一个重要代表，以金属、合金或金属间化 合物为基体，将高强度的第二项为增强体而制得的复合材料.金属基复合材料 是近年来迅速发展起来的高性能材料之一，最早应用于航空、航天和军事领域 随着科学技术的不断发展，新型制造方法的出现，金属基复合材料正越来越多地 应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域，将在各个领域发挥广阔的应 用前景C3]o由于金属基复合材料的应用领域的扩大，复合材料生产线也将随之增多此 外，我国加入世界贸易组织后，随着国际化的经济往来，用户对于产品质量的要 求越来越高在此，对于复合板材的生产过程对复合板材质量的严格把关是迫切 需要的复合板材的质量取决于板材的厚度，则需要实时监测复合板材的厚度 现针对国内中小型金属复合板材企业的板厚测量方式进行改良，结合现代化测试 技术，运用计算机数据处理及国内外相关的、成熟的监测理论，进行金属复合板 厚度监测系统的设计研究⑴。
二、主题部分1复合板材测厚在国内外发展现状在复合板材的生产过程中，对•于精轧后的复合板材厚度精度检测有着较高要 求的工序中，采用测厚传感器进行测量现阶段的测厚传感器主要有电容传 感器、电涡流传感器、超声波传感器、激光传感器等，以不同的测量原理在不同 的生产线上和生产环境发挥了各自的优点但是由于生产设备的和实际情况，在 使用时有着不同的局限性其中：（1）电容传感器电容传感器是将被测参数（如位移、力、速度）变换成电容量的测量装置 电容式传感器是用于精密测量的非接触式器件，可测量导电n标或绝缘材料的厚 度与密度电容式传感器的测量结果与被测材料的性质无关电容式位移传感器 的分辨率为纳米、频率响应为20KHz以上，测量范围为10um lOmmo电容式传感 器对传感器与被测物之间的间隙材料非常敏感因此，在灰尘、喷雾流体或金属 碎片等恶劣环境中，电容式传感器将不起作用电容式传感器的优点为测量范围 大，灵敏度高，动态稳定性好，非接触式测量；缺点为寄生电容影响较大，当电 容传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性⑸2） 电涡流传感器电涡流传感器是根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中 或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，即电涡流, 上述现象称为电涡流效应。
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器 电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态 的相对位移变化电涡流传感器的分辨率为纳米，频率响应在80KHz以上，测量 范围为0.5nini、15nini电涡流传感器不受污染物的影响，可在恶劣环境和浸入式液 体中工作电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表而温度、速度、应 力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响 应宽等特点，应用极其广泛但是受到探测器线圈和目标尺寸、二者的距离以及 目标材料的影响⑹3） 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器超声波是一,种振动频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率 高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点 超声波传感器的测量范围取决于其使用的波长和频率波长越长，频率越小，检 测距离越大超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体 中，它可穿透几十米的深度超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射 成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应超声波遇到空气湍流、气流以及不同 密度的空气层都会使声波发生折射，或者产生回波，信号被削弱或转移到接收区 域外［7］。
4） 激光传感器激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器它由激光器⑻、激光检测 器和测量电路组成激光传感器测距的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标 发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离激光传感器是新 型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大， 抗光、电干扰能力强等利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现 无接触远距离测量激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量 的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等激光距离传感器可用于其它技 术无法应用的场合⑼现代厚度传感器可分为接触式和非接触式两类接触式传感器通常采用两个 相同的位移传感器分别安装于被测材料的上下两面，将两个传感器的测量值平 均，以提高测量精度接触式厚度传感器可测量移动速度较低的材料，精度可达0. 1〜1%接触式测厚方法对所测材料的成分不敏感，在测量过程中板材厚度与 探头的气压、温度有关当探头气压超过0. 3 MPa时，板材越厚，测量精度越低； 理想条件下的环境温度为25 C,此时的测量精度最高」非接触式厚度传感器 适用于连续快速的测量2复合板材测厚的研究方向金属基复合板材加工过程比较复杂，在复合板生产过程中进行测量，可 以及时了解复合板的厚度情况，达到实时记录、分析、调整板材烧结厚度的目的, 并且将金属板材厚度公差控制在土0.01mm以内口气由于被测板材表面为非金属 层，而且该工艺过程对板材表面的光洁度要求较高，不允许在被测表而留下划痕, 所以选择非接触式测量方法。
根据上述板材的情况及其工况，经过分析比较各种 非接触式传感器的特点，最终采用激光测距传感器目前，在工业机械领域或现场应用中，最常用的是激光测距传感器，这种传 感器同时结合了分辨率高和测量范围广的特性目前传感器厂家提供的型号大多 是分辨率小于10um范围在1米之内的高分辨率的定义是将较短距离的位移 变化完全显示在相对的小窗口上，因此，1 um的分辨率和Im的探测距离不会同 时出现近距离激光测距传感器一般采用激光三角法测距”气 系统用一•束激光 以某一角度聚焦在被测物体表而，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行 成像，物体表而激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不 同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度和折射率, 从而计算出物体表而激光照射点的位置高度［I3o半物体沿激光线方向发生移动 时，测量值就将发生改变，从而实现用激光测量物体的厚度可根据激光源的入 射光线与被测工件表面法线的角度关系分为直射式和斜射式［，4］o本课题将采用 直射式三角测量法进行研究3激光传感器测厚装置根据激光传感器的工作原理，首先建立激光测厚装置的模型，在板材的 上下两面各安装一个传感器，并由U型工作台进行固定。
由于激光三角法的原理 限制了该测厚系统中的激光位移传感器的测量范围，在一般情况下传感器的精度 越高测量范围越窄在实际测量过程中，若要实现连续、有效地测量，必须保证 测厚系统中的两个激光位移传感器对于被测面的相对位置处在其有效的测量范 围之内同时，板材的曲面变化以及不同厚度、规格，都会使被测面超出测量范 围现采用步进电机驱动的差动微位移机构动态地调节工作台，即改变激光传感 器在板材表面的测量位置，实现保证板材厚度测量的有效性和扩展系统测量范围 的目的口叫 但采用这种方案将带来两个问题：步进电机突然制动所引入的外来 振动干扰引起厚度测量误差以及因环境温度变化所导致的工作台变形引起厚度 测量误差⑷板厚的测量中，由于检测环境较恶劣，干扰因素多，且激光三角法易受 到被测表面的特性、被测物或测量装置的振动、现场的干扰噪声以及测量的实际 要求等因素的影响，使检测信号受到外界干扰和随机噪声污染，直接影响了测量 结果的精度若仅采用提高测厚装置的制造、装调精度，以及对测试条件的高要 求等消除或减少误差源的措施是很难达到的通过对测量数据的预处理分析动态 的测量误差，快速准确地提取实际板厚分布，己成为当前提高测试精度的主要目 标。
同时，复合板材厚度检测为产品质量控制系统的一个环节，数据预处理的过 程要满足实时性的要求，则需要构建激光板厚测量的数据预处理系统［16o三、总结部分1全文总结本课题所提出的激光传感器测厚装置是使用两个激光位移传感器采用直式 激光三角法工作原理对光洁复合板材进行厚度的监测其中生产过程中的环 境因素和测试装置的客观原因等将会影响测量结果此激光测厚装置通过运用差 动式微位移机构对激光位移传感器的位置进行控制，实现扫描式动态监测测厚 系统所监测到的数据经过A/D转换以电信号的方式传送至数据处理中心进行分 析处理，实现实时监测的目的本课题的研究是基于金属复合板材生产过程中的 厚度监测，相对于传统的测量，提供了测量，实时分析，能够帮助生产线上 的工作人员及时调整工作进程2课题研究方向课题研究方向的是对此测厚系统进行具体化的研究，对激光传感器的选型， 激光传感器工作台的安置，激光传感器的直式三角法测量距离的运算，采用步进 电机驴动的差动微位移机构的设计，PLC控制微位移机构，将测量数据经过A/D 传送至数据库，在labvIEW中进行数据读取、分析、存储等功能，每一个环节都 是非常重要的下一阶段的主要任务是将上述步骤具体化研究，绘制出系统结构 图和电路原理图并且进行实际操作，并且对于课题中的重难点需要进行更进一步 的研究。
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