一种基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统技术方案

一种基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统，包括板材辊压机构与板材厚度在线检测机构，板材辊压机构包括上辊轮、下辊轮、上下辊轮间距调整机构、以及PLC控制系统，板材厚度在线检测机构包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成，数据处理系统集成将峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而准确获得纵波、横波前两次到达板材上表面O点处的时间进而计算板材厚度值，将测得的板材厚度值与PLC控制系统内的板材预设厚度值进行比较，通过PLC控制系统对伺服电机发送正转/反转运动指令，从而调节上辊轮相对下辊轮的间距以使板材厚度值与板材预设厚度值一致。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统
本专利技术属于板材加工制造领域，尤其涉及一种基于激光超声的板材厚度检测及调整系统，该系统能够在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度，并能够自动消除板材厚度生产偏差，保证板材厚度的均匀性。
技术介绍
实际工业生产过程中，板材厚度的均匀性是一项重要指标，直接关系到后续加工量大小，影响产品最终成材率及整体加工成本。能否快速、精确的在线检测板材厚度值、能否及时根据检测结果对工艺流程做出调整，对于板材的厚度均匀性而言非常重要。由于工业生产板材往往为表面粗糙、高低不平、温度不定的情况，且工作环境通常为高温、强腐蚀、高辐射等极端环境，而一般的测厚装置并不适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下工作，所以一般的测厚装置并不适合于工业板材的厚度在线检测，因此研究一种适合工业板材的厚度在线检测系统很有必要。同时，在一般的工业板材生产过程中，板材厚度控制一般需要工艺人员在板材冷却后对其厚度进行测量，再手动调节上辊轮相对下辊轮的距离以调整板材厚度值。显然，这个调整过程不仅费时费力，且调节精度低，不利于工厂的连续化生产。国内外现有板材测厚方式大体分为两类：接触式测量与非接触式测量。接触式测量因为对板材有一定损伤、在线测量难度大等劣势基本已被非接触式测量所取代，接触式测量对板材有一定损伤是因为：(1)传感器在板材表面直接接触作用可能损伤板材表面，(2)耦合剂为有机物质，可能对塑料等有机被测对象产生腐蚀等作用。目前常用的非接触式测量方法主要有：超声测厚、放射性射线测厚、激光测厚等。其中，放射性射线测厚因为对环境、人体具有较大损伤已逐步淡出企业视野。当前用的较多的是超声测厚以及激光测厚方法，然而，由于在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下，超声测厚所使用的耦合剂会出现失效问题，因而导致超声测厚仪无法在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下使用，于是，激光测厚方法慢慢进入企业选用范围。激光测厚也分为两种模式：利用光学原理测厚以及利用激光超声学原理测厚。公告号CN2349537Y，名称“激光在线测厚仪”，公告号CN203203562U，名称“激光测厚装置”，公告号CN203605912U，名称“一种激光测厚装置”等为代表的是利用光学原理测厚，公告号CN101543844B，名称“一种金属及合金板带热轧机在线测量厚度与控制的方法”的专利还对生产的金属板厚度进行了反馈控制。这些专利的主要原理是板材厚度变化引起反射激光角度发生偏转，通过激光接收器、信号转换器等装置将位移变化转换为厚度变化从而实现对板材厚度的测量。无疑，利用光学原理测厚，理论上讲其精度很高，在板材表面绝对平整情况下理想测量厚度值甚至可以达到微米级，然而，工业生产板材往往都是表面极为粗糙、高低不平、温度不定的情况，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，此类情况下，激光反射角度几乎就是在一定角度内随机分布，而不是遵循类似光滑表面时反射角等于入射角的Snell规律。此类情况下，利用激光接收器、信号转换器等寻找反射激光角的偏差值从而获取板材厚度值变化就存在较大误差，或许该方法在光学元件测厚领域适用，但由于工业生产板材往往都是表面粗糙、高低不平、温度不定的情况，因此该方法对于工业生产板材测厚而言误差较大，因此不是合理选择。而且，该类装置基本组成部分包含激光发射器、激光接收器、光电信号转化器等设备，该三种设备成本都比较高，整体设备造价也是不容乐观。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的上述不足，提供一种基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统，该系统利用激光超声学原理测量板材厚度，并利用该测得厚度值与PLC控制系统的厚度预设值进行比较，根据比较结果调整上辊轮相对下辊轮的间距以自动改变后续生产板材的厚度值，使生产板材厚度值能与PLC控制系统的厚度预设值一致，从而保证生产板材的厚度均匀性，该系统能适应高温、强腐蚀、高辐射等极端环境，并且厚度测量准确、误差小、整体造价不高。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下的技术方案：一种基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统，包括板材辊压机构与板材厚度在线检测机构，所述板材辊压机构包括上辊轮、下辊轮、上下辊轮间距调整机构、以及PLC控制系统，所述板材厚度在线检测机构包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成；所述上下辊轮间距调整机构包括左支架、右支架，左支架和右支架上分别竖向设置有第一丝杆，左侧的第一丝杆通过轴承可转动地设置在左支架上，右侧的第一丝杆通过轴承可转动地设置在右支架上，左侧的第一丝杆的两侧分别设置有竖向布置的第一导向杆，右侧的第一丝杆的两侧也分别设置有竖向布置的第一导向杆，所述左支架和右支架上分别设置有第一电机安装室，第一电机安装室内设置有可驱动第一丝杆正转或反转的伺服电机，伺服电机的输出端连接减速器，减速器的输出端连接所述第一丝杆，左边的第一丝杆螺纹连接有可竖向移动的第一移动平台，右侧的第一丝杆也螺纹连接有可竖向移动的第一移动平台，第一移动平台的中部设置有与第一丝杆啮合的第一螺纹孔，左侧的第一移动平台套在左侧的第一导向杆上以平稳地上下移动，右侧的第一移动平台套在右侧的第一导向杆上以平稳地上下移动，第一电机安装室的外部还设置有可粗调第一移动平台竖向位置的第一手动旋钮；左侧的第一移动平台和右侧的第一移动平台之间连接有水平布置的上辊轮，上辊轮的两端通过轴承可转动地设置在左侧和右侧的第一移动平台内，所述下辊轮的两端通过轴承可转动地设置在左支架和右支架内，板材在上辊轮和下辊轮之间的间距内辊压穿过，板材的厚度与上辊轮和下辊轮之间的间距配合，板材在上辊轮和下辊轮的同步转动作用下水平地移动；非工作状态下，通过第一手动旋钮的转动使第一丝杆正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖直方向的运动，以初步调节上辊轮和下辊轮之间的间距，工作状态下，所述伺服电机接受由PLC控制系统发出的指令，通过减速器带动第一丝杠正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖直方向的运动，从而调节第一移动平台的竖向位置，也即调整上辊轮的竖向位置，从而改变上辊轮和下辊轮之间的间距进而调节板材厚度值；所述光路系统集成包括U型接地架、竖向移动台、以及集成有激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜，所述控制柜通过螺栓固接在竖向移动台的第二移动平台上以实现控制柜沿竖向的移动，所述竖向移动台通过螺栓固接在U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，板材由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；所述光路调节系统包括分光镜、凸透镜、反射镜，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜竖直向下射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜水平射出并射入凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而使得激发出的激光超声波频率满足数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为竖直向下，使得第二激光束直接入射到扫描振镜的中心位置，扫描振镜控制第二激光束以一定速度在板材上表面一定范围内进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统，其特征在于：包括板材辊压机构与板材厚度在线检测机构，所述板材辊压机构包括上辊轮、下辊轮、上下辊轮间距调整机构、以及PLC控制系统，所述板材厚度在线检测机构包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成；所述上下辊轮间距调整机构包括左支架、右支架，左支架和右支架上分别竖向设置有第一丝杆，左侧的第一丝杆通过轴承可转动地设置在左支架上，右侧的第一丝杆通过轴承可转动地设置在右支架上，左侧的第一丝杆的两侧分别设置有竖向布置的第一导向杆，右侧的第一丝杆的两侧也分别设置有竖向布置的第一导向杆，所述左支架和右支架上分别设置有第一电机安装室，第一电机安装室内设置有可驱动第一丝杆正转或反转的伺服电机，伺服电机的输出端连接减速器，减速器的输出端连接所述第一丝杆，左边的第一丝杆螺纹连接有可竖向移动的第一移动平台，右侧的第一丝杆也螺纹连接有可竖向移动的第一移动平台，第一移动平台的中部设置有与第一丝杆啮合的第一螺纹孔，左侧的第一移动平台套在左侧的第一导向杆上以平稳地上下移动，右侧的第一移动平台套在右侧的第一导向杆上以平稳地上下移动，第一电机安装室的外部还设置有可粗调第一移动平台竖向位置的第一手动旋钮；左侧的第一移动平台和右侧的第一移动平台之间连接有水平布置的上辊轮，上辊轮的两端通过轴承可转动地设置在左侧和右侧的第一移动平台内，所述下辊轮的两端通过轴承可转动地设置在左支架和右支架内，板材在上辊轮和下辊轮之间的间距内辊压穿过，板材的厚度与上辊轮和下辊轮之间的间距配合，板材在上辊轮和下辊轮的同步转动作用下水平地移动；非工作状态下，通过第一手动旋钮的转动使第一丝杆正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖直方向的运动，以初步调节上辊轮和下辊轮之间的间距，工作状态下，所述伺服电机接受由PLC控制系统发出的指令，通过减速器带动第一丝杠正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖直方向的运动，从而调节第一移动平台的竖向位置，也即调整上辊轮的竖向位置，从而改变上辊轮和下辊轮之间的间距进而调节板材厚度值；所述光路系统集成包括U型接地架、竖向移动台、以及集成有激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜，所述控制柜通过螺栓固接在竖向移动台的第二移动平台上以实现控制柜沿竖向的移动，所述竖向移动台通过螺栓固接在U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，板材由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；所述光路调节系统包括分光镜、凸透镜、反射镜，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜竖直向下射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜水平射出并射入凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而使得激发出的激光超声波频率满足数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为竖直向下，使得第二激光束直接入射到扫描振镜的中心位置，扫描振镜控制第二激光束以一定速度在板材上表面一定范围内进行扫描入射，扫描入射的第二激光束射在板材的位于上辊轮和下辊轮的输出侧，扫描入射的第二激光束在板材上表面激发激光超声波，该激光超声波包括只能在板材上表面传播的表面波、以及可以透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，与扫描振镜中心的水平距离为L处的电容式位移传感器的正下方对应板材上表面的O点，因为纵波速度大于表面波速度，表面波速度大于横波速度，因此首先会因为从板材上表面直接传播到O点的纵波、表面波、横波的依次作用而使得O点产生三次上下位移变化，其次，以球面波形式在板材内部传播的纵波、横波会首先以一定角度入射到板材下表面，之后从板材下表面反射回板材上表面，其中，一定入射角度的纵波和横波会经下表面一次反射再次传播到板材上表面的O点，而引起O点位移上下变化，因为板材内部的纵波和横波是以球面形式传播，所以不仅有上述经过下表面一次反射到达O点的纵波和横波，还有经过下表面和上表面之间的多次反射也即经过下表面两次、三次等多次反射才到达O点的纵波和横波，这些到达O点的纵波和横波使得O点位移发生上下变化；当作用的激光超声波离开O点时，板材上表面O点恢复初始状态，在激光超声波传播过程中，板材的厚度不发生变化；由于激光超声波在板材内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材上表面O点时所携带的能量最大，可激发O点的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材上表面O点的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波前两次到达板材上表面O点的时间计算板材的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统，其特征在于：包括板材辊压机构与板材厚度在线检测机构，所述板材辊压机构包括上辊轮、下辊轮、上下辊轮间距调整机构、以及PLC控制系统，所述板材厚度在线检测机构包括光路系统集成、高温检测计、数据采集系统集成、以及数据处理系统集成；所述上下辊轮间距调整机构包括左支架、右支架，左支架和右支架上分别竖向设置有第一丝杆，左侧的第一丝杆通过轴承可转动地设置在左支架上，右侧的第一丝杆通过轴承可转动地设置在右支架上，左侧的第一丝杆的两侧分别设置有竖向布置的第一导向杆，右侧的第一丝杆的两侧也分别设置有竖向布置的第一导向杆，所述左支架和右支架上分别设置有第一电机安装室，第一电机安装室内设置有可驱动第一丝杆正转或反转的伺服电机，伺服电机的输出端连接减速器，减速器的输出端连接所述第一丝杆，左边的第一丝杆螺纹连接有可竖向移动的第一移动平台，右侧的第一丝杆也螺纹连接有可竖向移动的第一移动平台，第一移动平台的中部设置有与第一丝杆啮合的第一螺纹孔，左侧的第一移动平台套在左侧的第一导向杆上以平稳地上下移动，右侧的第一移动平台套在右侧的第一导向杆上以平稳地上下移动，第一电机安装室的外部还设置有可粗调第一移动平台竖向位置的第一手动旋钮；左侧的第一移动平台和右侧的第一移动平台之间连接有水平布置的上辊轮，上辊轮的两端通过轴承可转动地设置在左侧和右侧的第一移动平台内，所述下辊轮的两端通过轴承可转动地设置在左支架和右支架内，板材在上辊轮和下辊轮之间的间距内辊压穿过，板材的厚度与上辊轮和下辊轮之间的间距配合，板材在上辊轮和下辊轮的同步转动作用下水平地移动；非工作状态下，通过第一手动旋钮的转动使第一丝杆正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖直方向的运动，以初步调节上辊轮和下辊轮之间的间距，工作状态下，所述伺服电机接受由PLC控制系统发出的指令，通过减速器带动第一丝杆正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖直方向的运动，从而调节第一移动平台的竖向位置，也即调整上辊轮的竖向位置，从而改变上辊轮和下辊轮之间的间距进而调节板材厚度值；所述光路系统集成包括U型接地架、竖向移动台、以及集成有激光发射器、光路调节系统和扫描振镜的控制柜，所述控制柜通过螺栓固接在竖向移动台的第二移动平台上以实现控制柜沿竖向的移动，所述竖向移动台通过螺栓固接在U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，板材由输送机构输送水平地通过U型接地架的开口；所述光路调节系统包括分光镜、凸透镜、反射镜，所述激光发射器发射出的激光经过分光镜分成第一激光束和第二激光束，第一激光束自分光镜竖直向下射出并通过触发电路形成触发信号作用于数据采集系统集成的高速数据采集卡的使能口，第二激光束自分光镜水平射出并射入凸透镜的中心以缩小第二激光束的激光光斑面积从而使得激发出的激光超声波频率满足数据采集系统集成的电容式位移传感器对应的位移采集精度，经过凸透镜聚焦后的第二激光束射向反射镜，反射镜将第二激光束运动方向自水平改为竖直向下，使得第二激光束直接入射到扫描振镜的中心位置，扫描振镜控制第二激光束以一定速度在板材上表面一定范围内进行扫描入射，扫描入射的第二激光束射在板材的位于上辊轮和下辊轮的输出侧，扫描入射的第二激光束在板材上表面激发激光超声波，该激光超声波包括只能在板材上表面传播的表面波、以及可以透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，与扫描振镜中心的水平距离为L处的电容式位移传感器的正下方对应板材上表面的O点，因为纵波速度大于表面波速度，表面波速度大于横波速度，因此首先会因为从板材上表面直接传播到O点的纵波、表面波、横波的依次作用而使得O点产生三次上下位移变化，其次，以球面波形式在板材内部传播的纵波、横波会首先以一定角度入射到板材下表面，之后从板材下表面反射回板材上表面，其中，一定入射角度的纵波和横波会经下表面一次反射再次传播到板材上表面的O点，而引起O点位移上下变化，因为板材内部的纵波和横波是以球面形式传播，所以不仅有上述经过下表面一次反射到达O点的纵波和横波，还有经过下表面和上表面之间的多次反射也即经过下表面两次、三次等多次反射才到达O点的纵波和横波，这些到达O点的纵波和横波使得O点位移发生上下变化；当作用的激光超声波离开O点时，板材上表面O点恢复初始状态，在激光超声波传播过程中，板材的厚度不发生变化；由于激光超声波在板材内传播会有能量衰减，因此纵波和横波前两次到达板材上表面O点时所携带的能量最大，可激发O点的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材上表面O点的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波前两次到达板材上表面O点的时间计算板材的厚度值，这样可以提高板材厚度的计算准确度；所述数据采集系统集成包括电容式位移传感器、前置放大器、高速数据采集卡，电容式位移传感器设置在板材上表面上方第一距离处与板材为非接触式测量关系，如前所述，电容式位移传感器的中心点距离所述扫描振镜的水平距离为L，该L是已知量，可以在扫描振镜及电容式位移传感器放置好后直接测量得到，板材水平地在电容式位移传感器下方经过，因此可实时测量板材与电容式位移传感器对应的各处厚度值以衡量板材的厚度均匀性；板材构成电容式位移传感器的第一极板，电容式位移传感器的第二极板由振动膜构成，振动膜由高弹、耐高温、抗辐射材料制成，因此可在高温、强腐蚀、高辐射的极端环境下正常工作，当激光超声波到达板材上表面O点时，O点因为波的作用产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对应O点处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对应O点处的电容发生变化并使得电容式位移传感器在对应O点处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的电压输出端通过数据线连接前置放大器，前置放大器的输出端通过数据线连接高速数据采集卡，电容式位移传感器的输出电压信号通过前置放大器进行信号放大后输入高速数据采集卡中，被第一激光束触发而开始工作的高速数据采集卡用于采集前置放大器的输出电压信号，高速数据采集卡的采样频率为100MHz；采用激光发射的光路系统集成以及作为非接触式测量元件的电容式位移传感器的搭配使用实现了板材厚度的非接触式测量；所述数据处理系统集成包括数据处理系统和显示屏，由于高速数据采集卡采集的数据为峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号，数据处理系统用于对高速数据采集卡采集的双极性信号依次进行一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理，以使峰值混叠、背景噪声复杂的双极性信号转换成峰值清晰、背景噪声小的单极性信号，从而分别准确获得纵波、表面波、横波第一次到达板材上表面O点处的时间以及纵波、横波经过板材下表面一次反射到达板材上表面O点处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生纵波的第一次波峰，之后是表面波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生表面波的第一次波峰，之后是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生横波的第一次波峰，因为表面波速度与横波速度几乎相同，因此当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较小时表面波和横波的波峰因为时间差过小而混叠为一个波峰，当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较大时表面波和横波的波峰将因时间差变大而区分开，在纵波、表面波、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世锡，刘永强，甘春标，刘学坤，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33