基于CCD位移傳感器在玻璃厚度測(cè)量時(shí)的性能研究

1、 收稿日期:2006-02-23收修改稿日期:2006-06-20基于CCD 位移傳感器在玻璃厚度測(cè)量時(shí)的性能研究王偉,王召巴(中北大學(xué)信息工程系,山西太原030051摘要:玻璃是建材行業(yè)的支柱性產(chǎn)品之一,其中應(yīng)用最為廣泛的就是平板玻璃。玻璃厚度測(cè)量是玻璃產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。在玻璃改板時(shí),需經(jīng)過一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)工藝調(diào)整,在此期間玻璃帶的厚度不穩(wěn)定,造成巨大的浪費(fèi)。如果能在錫槽上或退火窯熱端實(shí)時(shí)檢測(cè)玻璃帶的厚度,及時(shí)提供的厚度變化數(shù)據(jù),就能縮短玻璃改板周期,降低生產(chǎn)成本。浮法玻璃生產(chǎn)線玻璃帶厚度在線檢測(cè)技術(shù)采用了激光三角法位移測(cè)量原理,在退火窯熱端進(jìn)行玻璃帶測(cè)厚的方案。從而提高了測(cè)量精度,

2、穩(wěn)定性,提高了玻璃生產(chǎn)質(zhì)量,減少能耗。關(guān)鍵詞:CC D ;三角法;精確度中圖分類號(hào):TP21219文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1002-1841(200609-0044-02C apability R esearch of G lass Thickness DetectionB ased on CCD Displacement SensorW ANG Wei ,W ANG Zhao 2ba(Dep artment of I nform ation E ngineering ,N orth U niversity of China ,T aiyu an 030051,ChinaAbstract :

3、G lass is one of mainstay productions in the materials of building ,while Sheet glass is m ost widely used.The detection of glass thickness is an im portant standard of glass productions quality.When change the thickness of class ,the regulation of product method will take a long time.During the tim

4、e ,the thickness of glass brand is not stable ,s o it results in great waste.I f we can detect the glass thickness in the hot side of the tinbath or annealing kiln and provide the data in time ,we can shorten the cycle which the change of the glass thickness needs ,then reduce the cost.Adopt laser t

5、rig onometry displacement measure theory in the detection of glass thickness on line and the method in the hot side of annealing kiln.The research im proves precision and stability of the detection ,and glass production quality ,meanwhile ,it can cut down the production cost.K ey w ords :CC D ;trig

6、onometry ;precision 0引言隨著半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展,基于光三角法的激光三角位移傳感器在小型化、高速度、非接觸、高精度等方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)越性。特別是作為掃描測(cè)頭非接觸的測(cè)量軟性、易劃傷物體時(shí),具有接觸式測(cè)頭無法替代的作用。測(cè)量是將激光器發(fā)出的光束會(huì)聚于被測(cè)物體上形成一個(gè)微小光斑以模擬接觸式測(cè)頭的探針。光斑的大小將影響傳感器的橫向分辨力、測(cè)量范圍和測(cè)量精度等參數(shù)。平板玻璃的制造工藝普遍采用浮法工藝,一條生產(chǎn)線一般在200m 左右,在玻璃改板時(shí),需經(jīng)過一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)工藝調(diào)整,在此期間玻璃帶的厚度不穩(wěn)定,造成巨大的浪費(fèi)。如果能在錫槽上或退火窯熱端實(shí)時(shí)檢測(cè)玻璃帶的厚度,及時(shí)提供

7、的厚度變化數(shù)據(jù),就能縮短玻璃改板周期,降低生產(chǎn)成本。提出以一種以線陣CC D 位移傳感器來測(cè)量玻璃厚度。對(duì)玻璃厚度實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度測(cè)量,較大地提高了系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性1,2。1位移傳感器測(cè)量原理CC D 激光位移傳感器使用一個(gè)三角量測(cè)系統(tǒng)。采用了日本KEYE NCE 公司的LK-085CC D 位移傳感器。該傳感器使用1個(gè)最新開發(fā)的CC D 當(dāng)作光接收元件。由標(biāo)的物反射的光線通過接受器鏡片組聚焦于CC D 上。CC D 以進(jìn)入光線元件的整個(gè)光點(diǎn)之光量分布來決定光點(diǎn)的中心,并用32位之超高速RISC 處理器進(jìn)行信號(hào)處理,并以此作為標(biāo)的物的位置。然而,由于光量的分布會(huì)受標(biāo)的物表面條件所影

8、響,所以會(huì)造成量測(cè)上的誤差。如圖1采用的LK -085是一種長(zhǎng)距離非接觸式的位移傳感器,它的測(cè)量參考距離為80mm ,測(cè)量范圍為15mm ,在參考距離的光點(diǎn)直徑為70m ,分辨率為3m ,采樣周期為1024s ,模擬輸出5V (3mm/V ,通過控制器LK-2110得到位移電壓。2玻璃厚度測(cè)量系統(tǒng)原理玻璃厚度測(cè)量方案見圖2所示,采用2個(gè)激光位移傳感器分別同時(shí)測(cè)量玻璃帶上下表面的位移,根據(jù)2個(gè)傳感器的位移,計(jì)算玻璃帶的厚度。由于玻璃是透明體,為了避免一個(gè)傳感器所發(fā)射激光束對(duì)另一個(gè)傳感器的干擾,2個(gè)傳感器在垂直方向要錯(cuò)開幾個(gè)mm.按照生產(chǎn)工藝,退火窯從熱端到冷端玻璃帶的環(huán)境溫度要保持一個(gè)遞減的過程

9、,才能保證生產(chǎn)質(zhì)量。退火窯熱端過渡滾臺(tái)處的環(huán)境溫度為600左右,測(cè)厚系統(tǒng)必須有冷卻裝置才能正常工作。系統(tǒng)采用將測(cè)厚系統(tǒng)放置在冷卻管中,接助外部高壓冷氣進(jìn)行冷卻,保證測(cè)厚系統(tǒng)環(huán)境溫度在40以下。2006年第9期儀表技術(shù)與傳感器Instrument T echnique and Sens or 2006N o 19 整個(gè)系統(tǒng)是由2套KEYE NCE 的LK -085及LK 2110,A/D 采集卡,計(jì)算機(jī)組成。2套LK-085分別安裝在固定支架上,傾斜安裝。A/D 采集卡通過外接擴(kuò)展卡AC146與感測(cè)器連接 。圖1位移傳感器原理框圖圖2玻璃厚度測(cè)量方案2套LK-085及LK 2110采用24V 供

10、電,輸出的電壓信號(hào)送A/D 采集卡,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。A/D 采集卡初始設(shè)置為雙通道采集,10V 的輸入范圍,333MH z 的采樣頻率。將2套位移傳感器適當(dāng)?shù)膬A斜安裝,這樣進(jìn)入CC D 的光量將會(huì)增加,因而增加解析度,由于傳感器的傾斜安裝,則光線也是傾斜入射,所以采集電壓輸出值與實(shí)際距離有一個(gè)角度關(guān)系,入下圖3所示。由圖中可有公式d =x -x 1cos 1-x 2cos 2利用塊規(guī)對(duì)x 以及x 1cos 1、x 2cos 2進(jìn)行標(biāo)定。3測(cè)量數(shù)據(jù)獲取及分析系統(tǒng)的測(cè)量目標(biāo)是玻璃,玻璃厚度是玻璃生產(chǎn)主要的工藝參數(shù)之一。是檢測(cè)玻璃產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)玻璃平均厚度的檢測(cè),多采用千分尺人工測(cè)量玻璃

11、邊緣部位的多點(diǎn)厚度值,手工計(jì)算出平均厚度值的方法。此種方法讀數(shù)誤差較大、不迅速、難以測(cè)量到遠(yuǎn)離玻璃邊緣部位厚度值。目前國(guó)家有關(guān)于浮法玻璃厚度標(biāo)準(zhǔn)見表1。在2個(gè)傳感器的測(cè)量范圍內(nèi),得到了22個(gè)測(cè)量位置的測(cè)量數(shù)據(jù),每個(gè)測(cè)量位置之間的距離為1mm.在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中可以采用3組感測(cè)頭,每組有上下2個(gè),分布在玻璃帶的兩側(cè)和中間,這樣可以準(zhǔn)確地掌握玻璃的厚度,得到更為精確的測(cè)量值3。表1浮法玻璃國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)mm厚度種類厚度允許偏差同一片玻璃厚薄差20120123012012401201350120136012013801301310013013120141501619110按照前文所介紹的方法通過測(cè)量厚度

12、為3143mm (千分尺多次測(cè)量的玻璃,得到了表2的數(shù)據(jù)。表2測(cè)量數(shù)據(jù)mm測(cè)量位置測(cè)量值測(cè)量位置測(cè)量值測(cè)量位置測(cè)量值13 1 38493143317314352314131031432183143833143111314301931436431437123143020314325314371331432213141963143814314352231395731436153143383143516314314準(zhǔn)確度分析運(yùn)用matlab 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到了圖4。圖3信號(hào)反射原理圖4數(shù)據(jù)分析由圖4可以得到,20個(gè)左右的測(cè)量位置的玻璃誤差在0102mm 之內(nèi),覆蓋了目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的浮法玻璃厚度種類,

13、而且精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)家的厚度允許偏差,這樣不僅可以提高生產(chǎn)效率,而且能夠大大減少原材料的浪費(fèi)4。影響CC D 位移測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度的主要因素就是測(cè)量環(huán)境的影響。主要包括測(cè)量環(huán)境溫度、測(cè)量環(huán)境的穩(wěn)定性、測(cè)量物體的狀態(tài)等等。由于浮法玻璃的生產(chǎn)是在一個(gè)高溫的環(huán)境下進(jìn)行的。測(cè)量位置是在退火窯熱端過渡滾臺(tái)處的環(huán)境溫度為600左右,所以必須對(duì)測(cè)量的CC D 傳感器采取降溫保護(hù)措施,使測(cè)量環(huán)境溫度達(dá)到40左右,來保證測(cè)量?jī)x器的正常工作。在工業(yè)生產(chǎn)線上機(jī)械振動(dòng)時(shí)不可避免的,那么對(duì)于玻璃這樣的高精度測(cè)量要求,微小的振動(dòng)都會(huì)造成非常大的影響,由于采用了上下兩個(gè)傳感器進(jìn)行同時(shí)測(cè)量,所以避免了相對(duì)的振動(dòng),這樣就可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。5結(jié)束語測(cè)試信號(hào)經(jīng)去噪及判斷計(jì)數(shù)處理后的微位移測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)位移測(cè)量方法相比,靈敏度、準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度等方面都有了顯著的提高,具有較高的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。參考文獻(xiàn):1王慶有,何在新,張以謨,等.CCD 應(yīng)用技術(shù)發(fā)展動(dòng)向.光電子技術(shù)與信息