基于CCD位移传感器在玻璃厚度测量时的性能研究

收稿日期:2006-02-23　　收修改稿日期:2006-06-20

基于CCD 位移传感器在玻璃厚度测量时的性能研究

王　伟,王召巴

(中北大学　信息工程系,山西太原　030051)

　　摘要:玻璃是建材行业的支柱性产品之一,其中应用最为广泛的就是平板玻璃。玻璃厚度测量是玻璃产品质量的一项重要标准。在玻璃改板时,需经过一个较长时间的生产工艺调整,在此期间玻璃带的厚度不稳定,造成巨大的浪费。如果能在锡槽上或退火窑热端实时检测玻璃带的厚度,及时提供的厚度变化数据,就能缩短玻璃改板周期,降低生产成本。浮法玻璃生产线玻璃带厚度在线检测技术采用了激光三角法位移测量原理,在退火窑热端进行玻璃带测厚的方案。从而提高了测量精度,稳定性,提高了玻璃生产质量,减少能耗。关键词:CC D ;三角法;精确度

中图分类号:TP21219　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1002-1841(2006)09-0044-02

C apability R esearch of G lass Thickness Detection

B ased on CCD Displacement Sensor

W ANG Wei ,W ANG Zhao 2ba

(Dep artment of I nform ation E ngineering ,N orth U niversity of China ,T aiyu an 030051,China)

Abstract :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 time ,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 trig 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 onometry ;precision 0　引言

随着半导体工业的迅速发展,基于光三角法的激光三角位移传感器在小型化、高速度、非接触、高精度等方面表现出较强的优越性。特别是作为扫描测头非接触的测量软性、易划伤物体时,具有接触式测头无法替代的作用。测量是将激光器发出的光束会聚于被测物体上形成一个微小光斑以模拟接触式测头的探针。光斑的大小将影响传感器的横向分辨力、测量范围和测量精度等参数。平板玻璃的制造工艺普遍采用浮法工艺,一条生产线一般在200m 左右,在玻璃改板时,需经过一个较长时间的生产工艺调整,在此期间玻璃带的厚度不稳定,造成巨大的浪费。如果能在锡槽上或退火窑热端实时检测玻璃带的厚度,及时提供的厚度变化数据,就能缩短玻璃改板周期,降低生产成本。提出以一种以线阵

CC D 位移传感器来测量玻璃厚度。对玻璃厚度实现了高准确

度测量,较大地提高了系统的测量准确度和系统的稳定性

[1,2]

。

1　位移传感器测量原理

CC D 激光位移传感器使用一个三角量测系统。采用了日

本KEYE NCE 公司的LK-085CC D 位移传感器。该传感器使用

1个最新开发的CC D 当作光接收元件。由标的物反射的光线

通过接受器镜片组聚焦于CC D 上。CC D 以进入光线元件的整个光点之光量分布来决定光点的中心,并用32位之超高速

RISC 处理器进行信号处理,并以此作为标的物的位置。然而,

由于光量的分布会受标的物表面条件所影响,所以会造成量测上的误差。如图1采用的LK -085是一种长距离非接触式的位移传感器,它的测量参考距离为80mm ,测量范围为15mm ,在参考距离的光点直径为70μm ,分辨率为3μm ,采样周期为

1024μs ,模拟输出5V (3mm/V ),通过控制器LK-2110得到位

移电压。

2　玻璃厚度测量系统原理

玻璃厚度测量方案见图2所示,采用2个激光位移传感器分别同时测量玻璃带上下表面的位移,根据2个传感器的位移,计算玻璃带的厚度。由于玻璃是透明体,为了避免一个传感器所发射激光束对另一个传感器的干扰,2个传感器在垂直方向要错开几个mm.

按照生产工艺,退火窑从热端到冷端玻璃带的环境温度要保持一个递减的过程,才能保证生产质量。退火窑热端过渡滚台处的环境温度为600℃左右,测厚系统必须有冷却装置才能正常工作。系统采用将测厚系统放置在冷却管中,接助外部高压冷气进行冷却,保证测厚系统环境温度在40℃以下。

　2006年　第9期

仪表技术与传感器

Instrument 　T echnique 　and 　Sens or 2006　

N o 19　

整个系统是由2套KEYE NCE 的LK -085及LK 2110,A/D 采集卡,计算机组成。2套LK-085分别安装在固定支架上,倾斜安装。A/D 采集卡通过外接扩展卡AC146与感测器连接

。

图1　位移传感器原理框图

图2　玻璃厚度测量方案

　　2套LK-085及LK 2110采用24V 供电,输出的电压信号送

A/D 采集卡,进行数据采集。A/D 采集卡初始设置为双通道采

集,±10V 的输入范围,333MH z 的采样频率。

将2套位移传感器适当的倾斜安装,这样进入CC D 的光量将会增加,因而增加解析度,由于传感器的倾斜安装,则光线也是倾斜入射,所以采集电压输出值与实际距离有一个角度关系,入下图3所示。

由图中可有公式

d =x -x 1cos α1-x 2cos α2

利用块规对x 以及x 1cos α1、x 2cos α2进行标定。

3　测量数据获取及分析

系统的测量目标是玻璃,玻璃厚度是玻璃生产主要的工艺参数之一。是检测玻璃产品质量的重要指标。目前国内玻璃平均厚度的检测,多采用千分尺人工测量玻璃边缘部位的多点厚度值,手工计算出平均厚度值的方法。此种方法读数误差较大、不迅速、难以测量到远离玻璃边缘部位厚度值。目前国家有关于浮法玻璃厚度标准见表1。

　　在2个传感器的测量范围内,得到了22个测量位置的测量数据,每个测量位置之间的距离为1mm.

在实际测量系统中可以采用3组感测头,每组有上下2个,分布在玻璃带的两侧和中间,这样可以准确地掌握玻璃的厚度,得到更为精确的测量值[3]。

表1　浮法玻璃国家质量标准

mm

厚度种类

厚度允许偏差

同一片玻璃厚薄差

2±012

0123±0120124±0120135±0120136±0120138±01301310±013013

12±014—

15±016—19

±110

—

　　按照前文所介绍的方法通过测量厚度为3143mm (千分尺多次测量)的玻璃,得到了表2的数据。

表2　测量数据

mm

测量位置

测量值

测量位置

测量值

测量位置

测量值

1

3

1

38493143317

31435231413103143218314383314311131430193143314371231430203143253143713314322131419631438143143522

31395

73143615314338

31435

16

31431

4　准确度分析

运用matlab 进行数据分析,得到了图4。

图3　信号反射原理

图4　数据分析

　　由图4可以得到,20个左右的测量位置的玻璃误差在0102

mm 之内,覆盖了目前国家标准的浮法玻璃厚度种类,而且精度

远远大于国家的厚度允许偏差,这样不仅可以提高生产效率,而且能够大大减少原材料的浪费[4]。

影响CC D 位移测量系统准确度的主要因素就是测量环境的影响。主要包括测量环境温度、测量环境的稳定性、测量物体的状态等等。

由于浮法玻璃的生产是在一个高温的环境下进行的。测量位置是在退火窑热端过渡滚台处的环境温度为600℃左右,所以必须对测量的CC D 传感器采取降温保护措施,使测量环境温度达到40℃左右,来保证测量仪器的正常工作。

在工业生产线上机械振动时不可避免的,那么对于玻璃这样的高精度测量要求,微小的振动都会造成非常大的影响,由于采用了上下两个传感器进行同时测量,所以避免了相对的振动,这样就可以保证测量的准确性。

5　结束语

测试信号经去噪及判断计数处理后的微位移测量系统与传统位移测量方法相比,灵敏度、准确度及稳定度等方面都有了显著的提高,具有较高的实用价值和发展前景。参考文献:

[1]　王庆有,何在新,张以谟,等.CCD 应用技术发展动向.光电子技术

与信息,1994(2):141-174.

[2]　关胜晓.不规则形体面积的CCD 测量研究.仪表技术与传感器,

1998(11):31-34.

[3]　杨健.我国浮法玻璃成形过程中影响质量和品种的一些因素.玻

璃,1998(3):29-31.

[4]　于从新,项世法.激光扫描测厚的信号处理.光电工程,1995(2):69

-72.

作者简介:王伟(1978—

),硕士,研究方向为信息信号处理,智能检测。　　　

　第9期

王伟等:基于CC D 位移传感器在玻璃厚度测量时的性能研究

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