[发明专利]基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统

摘要

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，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底面对心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。

主权项

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四丝杆，左侧的第四丝杆通过轴承可转动地设置在左支架上，右侧的第四丝杆通过轴承可转动地设置在右支架上，左侧的第四丝杆的两侧分别设置有竖向布置的第四导向杆，右侧的第四丝杆的两侧也分别设置有竖向布置的第四导向杆，所述左支架和右支架上分别设置有第四电机安装室，第四电机安装室内设置有可驱动第四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四丝杆，左边的第四丝杆螺纹连接有可竖向移动的第四移动平台，右侧的第四丝杆也螺纹连接有可竖向移动的第四移动平台，第四移动平台的中部设置有与第四丝杆啮合的第四螺纹孔，左侧的第四移动平台套在左侧的第四导向杆上以平稳地上下移动，右侧的第四移动平台套在右侧的第四导向杆上以平稳地上下移动，第四电机安装室的外部还设置有可粗调第四移动平台竖向位置的第四手动旋钮；左侧的第四移动平台和右侧的第四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四移动平台内，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，通过第四手动旋钮的转动使第四丝杆正转或反转，第四移动平台由于第四螺纹孔与第四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，通过减速器带动第四丝杠正转或反转，第四移动平台由于第四螺纹孔与第四丝杆的啮合实现竖直方向的运动，从而调节第四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、三维移动平台、以及集成有激光发射器和光路调节系统的控制柜，所述三维移动平台包括Z向移动台、X向移动台、Y向移动台，所述控制柜通过螺栓固接在Z向移动台的第一移动平台上，Z向移动台通过螺栓固接在X向移动台的第二移动平台上方，X向移动台通过螺栓固接在Y向移动台的第三移动平台上方，由此可实现控制柜在Z、X、Y三个空间方向的移动；所述Y向移动台固定在所述U型接地架上方，U型接地架的开口水平布置，经所述上辊轮和下辊轮辊压后的板材水平地通过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提高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，使得第二激光束垂直入射到板材顶面，第二激光束射在板材的靠近上辊轮和下辊轮的输出侧以方便PLC控制系统根据实时计算结果调整上辊轮的位置以及时调整板材厚度值；第二激光束在板材顶面激发激光超声波，该激光超声波包括在板材顶面传播的表面波、以及透射入板材内以球面波形式传播的纵波和横波，从板材顶面垂直入射到板材底面对心处的纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射，纵波的传播速度大于横波的传播速度，当纵波和横波到达板材底面对心处时，板材底面对心处因为波的作用而产生上下位移变化，当纵波和横波反射离开板材底面对心处时，板材底面对心处恢复初始状态，纵波和横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底面对心处时，其所携带的能量最大，可激发板材底面对心处的位移最大，因此利用纵波和横波前两次到达板材底面对心处的信号进行数据处理后所获得信号的峰值越清晰，所以取纵波和横波的前两次到达板材底面对心处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；纵波和横波在板材底面对心处和顶面之间垂直地来回反射过程中，板材的厚度不发生变化；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底面对心处下方第一距离处，板材水平地经过下方的电容式位移传感器，因此可实时测量板材对应电容式位移传感器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极端环境下正常工作，当纵波和横波到达板材的底面时，板材底面对心处产生上下位移变化，电容式位移传感器的第一极板和第二极板在对心处的距离发生变化，因此电容式位移传感器在对心处的电容发生变化并使得对心处的输出电压发生变化；电容式位移传感器的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；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所采集的信号为峰值混叠、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所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，从而准确获得纵波第一次到达板材底面对心处、横波第一次到达板材底面对心处、纵波第二次到达板材底面对心处、横波第二次到达板材底面对心处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波第一次到达板材底面对心处产生纵波的第一次波峰，之后是横波第一次到达板材底面对心处产生横波的第一次波峰，之后纵波和横波分别垂直地反射至板材顶面，再由板材顶面垂直地反射回板材底面对心处，所以之后是纵波第二次到达板材底面对心处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材底面对心处产生横波的第二次波峰，纵波的第一次波峰和横波的第一次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T1，纵波的第一次波峰和纵波的第二次波峰的时间间隔为纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T2，横波的第一次波峰和横波的第二次波峰的时间间隔为横波第一次到达板材底面对心处和横波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T3，所述高温检测计设置在板材的上方用于测量板材的温度，根据板材的材料属性以及测量温度值，可以查得纵波在板材内的传播速度Vp以及横波在板材内的传播速度Vs，于是板材的厚度h有以下三种计算方法：方法一，利用纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔T1计算板材的厚度h，时间间隔T1的起点是纵波第一次到达板材底面对心处的时刻，时间间隔T1的终点是横波第一次到达板材底面对心处的时刻，假设板材的厚度为h，则纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔为于是当纵波第一次到达板材底面对心处和横波第一次到达板材底面对心处的时间间隔为T1时，由得到板材的厚度h=T11Vs-1Vp;]]>方法二，利用纵波第一次到达板材底面对心处和纵波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T2计算板材的厚度h，时间间隔T2内纵波从板材底面对心处垂直地反射回顶面并继续由顶面垂直地反射回底面对心处，因此时间间隔T2内纵波经过了板材厚度的两倍，于是板材的厚度h为纵波第一次和第二次到达板材底面对心处的时间间隔T2乘以纵波在板材内的传播速度Vp再除以2，也即h=12T2Vp;]]>方法三，利用横波第一次到达板材底面对心处和横波第二次到达板材底面对心处的时间间隔T3计算板材的厚度h，时间间隔T3内横波从板材底面对心处垂直地反射回顶面并继续由顶面垂直地反射回底面对心处，因此时间间隔T3内横波经过了板材厚度的两倍，于是板材的厚度h为横波第一次和第二次到达板材底面对心处的时间间隔T3乘以横波在板材内的传播速度Vs再除以2，也即h=12T3Vs;]]>上述计算板材厚度的三种方法中，本系统优选方法二计算板材厚度值，所述显示屏用于显示经过一次降噪、求解单边包络、二次降噪、平滑处理之后得到的单极性信号的图形，以及经计算之后得到的板材的厚度值，显示屏所显示的单极性信号图形的横坐标为时间，纵坐标为经数据处理系统处理后的高速数据采集卡的采集电压，另外工作人员还可在显示屏上直接查看板材的计算厚度值；板材的计算厚度值通过数据线从数据处理系统传送到PLC控制系统，PLC控制系统中预存有期望的板材预设厚度值，PLC控制系统将板材的计算厚度值与板材预设厚度值进行比较，并根据比较结果向所述伺服电机发送正转/反转运动指令，伺服电机正转或反转使得上辊轮向上或向下移动以调整上辊轮和下辊轮之间的间距使得后续生产板材的厚度值与PLC控制系统的板材预设厚度值一致；PLC控制系统的具体算法是，首先将板材的计算厚度值与板材预设厚度值进行比较并得到计算厚度值与板材预设厚度值的差值，若差值的绝对值超过预定许可范围，表示系统可能出现重大故障，则PLC控制系统控制蜂鸣器发出报警蜂鸣，同时向上位机发出指令控制停机，等待检测；若差值的绝对值在预定许可范围内并且差值为正，表明板材的实际厚度值偏大，于是PLC控制系统发送指令控制所述伺服电机正转，伺服电机通过减速器带动第四丝杆正向旋转，第四移动平台因为第四螺纹孔和第四丝杆的啮合会向下运动，上辊轮同时向下运动，下辊轮固定不动，于是上辊轮和下辊轮之间的间距变小，后续生产板材厚度值减小进而向板材预设厚度值靠拢，如果没有达到板材预设厚度值，则上述使板材厚度值减小的过程会再次重复进行，直到板材计算厚度值与板材预设厚度值相等；若差值的绝对值在许可范围内并且差值为负，表明板材的实际厚度值偏小，于是PLC控制系统发送指令控制所述伺服电机反转，伺服电机通过减速器带动第四丝杆反向旋转，第四移动平台因为第四螺纹孔和第四丝杆的啮合会向上运动，上辊轮同时向上运动，下辊轮固定不动，于是上辊轮和下辊轮之间的间距变大，后续生产板材厚度值增大进向板材预设厚度值靠拢，如果没有达到板材预设厚度值，则上述使板材厚度值增加的过程会再次重复进行，直到板材计算厚度值与板材预设厚度值相等。