一种基于激光超声的板材厚度在线测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无损测量技术领域，尤其涉及一种对工业生产板材进行激光超声在线 测厚的系统，该系统适合在高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度。
【背景技术】
[0002] 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、精确的在线测量板材厚度值、能 否及时根据测量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 业生产用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，一般的测厚装置由于不适合在高温、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用于工业板材的厚度在线测量，因此研宄一种适合工业 用板材的厚度在线测量系统很有必要。
[0003] 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。
[0004] 公告号CN 2349537Y，名称"激光在线测厚仪"，公告号CN 203203562U，名称"激光 测厚装置"，公布号CN 203605912 U，名称"一种激光测厚装置"等为代表的是利用光学原 理测厚。其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。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术中的上述不足，提供一种利用激光超声学原理测厚、适合在 高温、强腐蚀、高辐射等极端环境下在线测量板材的厚度、厚度测量准确、误差小、整体造价 不高的基于激光超声的板材厚度在线测量系统。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
[0007] -种基于激光超声的板材厚度在线测量系统，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；
[0008] 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0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 播到〇点的纵波、表面波、横波的依次作用而使得〇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0点，而引起0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〇点的纵波和横波，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0点的纵波和横波，这 些到达0点的纵波和横波使得0点位移发生上下变化；当作用的激光超声波离开0点时，板 材上表面0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0点时所携带 的能量最大，可激发0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0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0 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；
[0009] 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IOOMHZ ;采用激光发射的光 路系统集成以及作为