基于CMOS激光位移传感器的板厚测量系统
基于CMOS激光位移传感器的板厚测量系统
作者:雷霆;秦东兴;胡峰;金伟
厚度是板状材料的重要几何尺寸,随着工业的发展对板状材料的厚度测量提出了更高的要求, 传统的接触式测量已经不能满足时代的需要。激光三角法具有精度高,非接触,抗干扰强,能实现实时在线检测的特点,在位移与工件表面三维形貌的测量中得到了广泛的应用 。本系统采用激光测距传感器通过自身内部的信号处理有效克服了传统PSD 激光位移传感器因为颜色变化,材料不同和表面粗糙度不同而过多影响其测量精度的问题。系统建立在基于PCI总线的MPC08运动控制卡控制机械结构动作与计算机对数据进行管理的基础上,提高了板材生产效率与测量精度。
1 系统工作原理
测量系统采用2 个非接触式测头(CMOS 激光位移传感器) 检测,通过对射方式,测量薄板的厚度。测量方式是沿板的长度方向测量3 或5 条截面线的厚度(每条线5 个测量点的自动测量模式),或者板上指定点的厚度(指定位置测量模式)。
本系统采用激光三角法来检测板的厚度。激光三角法的基本原理。半导体激光器产生的光束投射到被测物体的表面上产生一光点,光点的一部分散射光(含反射光)通过会聚透镜成像于CMOS 表面。如果被测物体沿着激光束方向发生了位置移动,那么MOS 表面上的像点也会随之移动,通过像点的移动距离就可以检测出被测面的移动距离。
在激光探头的检测过程中,先扫描2mm 标准块,将上下表面标定为零点基准面,再用激光探头测量出板材厚度与标准样块(量块)的差值,该差值信号由传感器的扩展模块(控制器)采集后,通过和差运算,得到板材厚度的绝对值。因为激光位移传感器原理上是线性的, 通过线性拟合[4],可以获得量程范围内精确的微米电压当量(eq mV/um)。
2 系统硬件构成
板厚检测装置由Z 轴测头机构、激光位移传感器(即测头)、X-Y 运动平台、板固定装置、底座、标定块及固定装置、电气控制系统、数据采集系统和工控计算机等部分组成。
板材两边由固定装置夹紧,MPC08 运动控制卡驱动伺服电机,控制X-Y 平台运动,使传感器到达板指定位置检测,传感器得到测点处的模拟电压值,经由传感器通信单元DL-RS1A将采集信号进行A/D转换后,传送到计算机进行数据处理。调节Z 轴机构,可以使两传感器实现对中测量。
3 系统软件设计
3.1 程序流程设计
软件采用VC++ 语言编制,采用面向对象(OO)的开发技术,以人性化的图像操作界面完成自动测试中的人机交互。
3.2 外部设备与计算机通信
运动控制卡是一种基于PC 机PCI总线的步进电机或伺服电机的上位控制单元[5]。运动控制卡通过PCI 插槽与计算机PCI 总线相连。在Windows 平台下,程序调用动态链接库文件MPC08.dll,完成对运动函数的加载。通过对运动函数的调用完成对交流伺服电机进行控制,从而控制X-Y 运动平台。
传感器采用全双工通信模式,通过RS232 接口与计算机相连。在VC++程序里调用MSComm控件完成与下位机的通信,在通信进行前,需要对通信的波特率、奇偶效验、数据位、停止位、输入输出缓冲区的大小进行设置。
3.3 上位机程序设计
上位机程序主要是针对运动控制卡发出指令脉冲,控制激光传感器沿X 、Y 向运动,到达指定位置测得模拟电压量,传感器通信单元DL-RS1A 获得数据并进行A/D 转换,由计算机对测量数据进行采集和数据处理,最终形成EX-CEL 数据文件,对测量数据进行分析存储并打印输出。数据库使用的是Microsoft Access数据库。
4、测量数据
为了检验系统精度,使用不同厚度的标准0 级量块采用自动测量模式对系统进行效验。本系统分辨率0.001mm,测量精度±0.01mm,达到了设计要求。
5 结束语
本文采用激光位移传感器实现了板材元件厚度的非接触自动与定点测量,使检测效率大幅提高,同时节省了人工成本。实验表明该系统运行稳定可靠,实用性好。
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