一種基于激光超聲的板材厚度在線測量系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無損測量技術領域，尤其涉及一種對工業(yè)生產板材進行激光超聲在線 測厚的系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合在高溫、強腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下在線測量板材的厚度。
【背景技術】
[0002] 實際工業(yè)生產過程中，板材厚度的均勻性是一項重要指標，直接關系到后續(xù)加工 量大小，影響產品最終成材率及整體加工成本。能否快速、精確的在線測量板材厚度值、能 否及時根據(jù)測量結果對工藝流程做出調整，對于板材的厚度均勻性而言非常重要。由于工 業(yè)生產用板材往往為表面粗糙、高低不平、溫度不定的情況，且工作環(huán)境通常為高溫、強腐 蝕、高輻射等極端環(huán)境，一般的測厚裝置由于不適合在高溫、強腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下 工作，所以一般的測厚裝置并不適用于工業(yè)板材的厚度在線測量，因此研宄一種適合工業(yè) 用板材的厚度在線測量系統(tǒng)很有必要。
[0003] 國內外現(xiàn)有板材測厚方式大體分為兩類：接觸式測量與非接觸式測量。接觸式測 量因為對板材有一定損傷、在線測量難度大等劣勢基本已被非接觸式測量所取代，接觸式 測量對板材有一定損傷是因為：（1)傳感器在板材表面直接接觸作用可能損傷板材表面， (2)耦合劑為有機物質，可能對塑料等有機被測對象產生腐蝕等作用。目前常用的非接觸式 測量方法主要有：超聲測厚、放射性射線測厚、激光測厚等。其中，放射性射線測厚因為對環(huán) 境、人體具有較大損傷已逐步淡出企業(yè)視野。當前用的較多的是超聲測厚以及激光測厚方 法。然而，由于在高溫、強腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下，超聲測厚所使用的耦合劑會出現(xiàn)失效 問題，因而導致超聲測厚儀無法在高溫、強腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下使用，于是，激光測厚 方法慢慢進入企業(yè)選用范圍。激光測厚也分為兩種模式：利用光學原理測厚以及利用激光 超聲學原理測厚。
[0004] 公告號CN 2349537Y，名稱"激光在線測厚儀"，公告號CN 203203562U，名稱"激光 測厚裝置"，公布號CN 203605912 U，名稱"一種激光測厚裝置"等為代表的是利用光學原 理測厚。其主要原理是板材厚度變化引起反射激光角度發(fā)生偏轉，通過激光接收器、信號轉 換器等裝置將位移變化轉換為厚度變化從而實現(xiàn)對板材厚度的測量。無疑，利用光學原理 測厚，理論上講其精度很高，在板材表面絕對平整情況下理想測量厚度值甚至可以達到微 米級，然而，工業(yè)生產板材往往都是表面極為粗糙、高低不平、溫度不定的情況，所以，入射 激光在板材表面往往遵循漫反射定律而不是反射定律，此類情況下，激光反射角度幾乎就 是在一定角度內隨機分布，而不是遵循類似光滑表面時反射角等于入射角的Snell規(guī)律。 此類情況下，利用激光接收器、信號轉換器等尋找反射激光角的偏差值從而獲取板材厚度 值變化就存在較大誤差，或許該方法在光學元件測厚領域適用，但由于工業(yè)生產板材往往 都是表面粗糙、高低不平、溫度不定的情況，因此該方法對于工業(yè)生產板材測厚而言誤差較 大，因此不是合理選擇。而且，該類裝置基本組成部分包含激光發(fā)射器、激光接收器、光電信 號轉化器等設備，該三種設備成本都比較高，整體設備造價也是不容樂觀。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中的上述不足，提供一種利用激光超聲學原理測厚、適合在 高溫、強腐蝕、高輻射等極端環(huán)境下在線測量板材的厚度、厚度測量準確、誤差小、整體造價 不高的基于激光超聲的板材厚度在線測量系統(tǒng)。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下的技術方案：
[0007] -種基于激光超聲的板材厚度在線測量系統(tǒng)，包括光路系統(tǒng)集成、高溫檢測計、數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)集成、以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成；
[0008] 所述光路系統(tǒng)集成包括U型接地架、豎向移動臺、以及集成有激光發(fā)射器、光路調 節(jié)系統(tǒng)和掃描振鏡的控制柜，所述控制柜通過螺栓固接在豎向移動臺的移動平臺上以實現(xiàn) 控制柜沿豎向的移動，所述豎向移動臺通過螺栓固接在U型接地架上方，U型接地架的開 口水平布置，板材由輸送機構輸送水平地通過U型接地架的開口；所述光路調節(jié)系統(tǒng)包括 分光鏡、凸透鏡、反射鏡，所述激光發(fā)射器發(fā)射出的激光經過分光鏡分成第一激光束和第二 激光束，第一激光束自分光鏡豎直向下射出并通過觸發(fā)電路形成觸發(fā)信號作用于數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)集成的高速數(shù)據(jù)采集卡的使能口，第二激光束自分光鏡水平射出并射入凸透鏡的中心 以縮小第二激光束的激光光斑面積從而使得激發(fā)出的激光超聲波頻率滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 集成的電容式位移傳感器對應的位移采集精度，經過凸透鏡聚焦后的第二激光束射向反射 鏡，反射鏡將第二激光束運動方向自水平改為豎直向下，使得第二激光束直接入射到掃描 振鏡的中心位置，掃描振鏡控制第二激光束以一定速度在板材上表面一定范圍內進行掃描 入射，掃描入射的第二激光束在板材上表面激發(fā)激光超聲波，該激光超聲波包括只能在板 材上表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?、以及可以透射入板材內以球面波形式傳播的縱波和橫波，與掃描 振鏡中心的水平距離為L處的電容式位移傳感器的正下方對應板材上表面的0點，因為縱 波速度大于表面波速度，表面波速度大于橫波速度，因此首先會因為從板材上表面直接傳 播到〇點的縱波、表面波、橫波的依次作用而使得〇點產生三次上下位移變化，其次，以球面 波形式在板材內部傳播的縱波、橫波會首先以一定角度入射到板材下表面，之后從板材下 表面反射回板材上表面，其中，一定入射角度的縱波和橫波會經下表面一次反射再次傳播 到板材上表面的0點，而引起0點位移上下變化，因為板材內部的縱波和橫波是以球面形式 傳播，所以不僅有上述經過下表面一次反射到達〇點的縱波和橫波，還有經過下表面和上 表面之間的多次反射也即經過下表面兩次、三次等多次反射才到達0點的縱波和橫波，這 些到達0點的縱波和橫波使得0點位移發(fā)生上下變化；當作用的激光超聲波離開0點時，板 材上表面0點恢復初始狀態(tài)，在激光超聲波傳播過程中，板材的厚度不發(fā)生變化；由于激光 超聲波在板材內傳播會有能量衰減，因此縱波和橫波前兩次到達板材上表面0點時所攜帶 的能量最大，可激發(fā)0點的位移最大，因此利用縱波和橫波前兩次到達板材上表面0點的信 號進行數(shù)據(jù)處理后所獲得信號的峰值越清晰，所以取縱波和橫波前兩次到達板材上表面0 點的時間計算板材的厚度值，這樣可以提高板材厚度的計算準確度；
[0009] 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成包括電容式位移傳感器、前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集卡，電 容式位移傳感器設置在板材上表面上方第一距離處與板材為非接觸式測量關系，如前所 述，電容式位移傳感器的中心點距離所述掃描振鏡的水平距離為L，該L是已知量，可以在 掃描振鏡及電容式位移傳感器放置好后直接測量得到，板材水平地在電容式位移傳感器下 方經過，因此可實時測量板材與電容式位移傳感器對應的各處厚度值以衡量板材的厚度均 勻性；板材構成電容式位移傳感器的第一極板，電容式位移傳感器的第二極板由振動膜構 成，振動膜由高彈、耐高溫、抗輻射材料制成因此可在高溫、強腐蝕、高輻射的極端環(huán)境下正 常工作，當激光超聲波到達板材上表面O點時，O點因為波的作用產生上下位移變化，電容 式位移傳感器的第一極板和第二極板在對應O點處的距離發(fā)生變化，因此電容式位移傳感 器在對應O點處的電容發(fā)生變化并使得電容式位移傳感器在對應O點處的輸出電壓發(fā)生變 化；電容式位移傳感器的電壓輸出端通過數(shù)據(jù)線連接前置放大器，前置放大器的輸出端通 過數(shù)據(jù)線連接高速數(shù)據(jù)采集卡，電容式位移傳感器的輸出電壓信號通過前置放大器進行信 號放大后輸入高速數(shù)據(jù)采集卡中，被第一激光束觸發(fā)而開始工作的高速數(shù)據(jù)采集卡用于采 集前置放大器的輸出電壓信號，高速數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為IOOMHZ ;采用激光發(fā)射的光 路系統(tǒng)集成以及作為