[发明专利]一种基于激光超声的板材厚度在线检测及调整系统

摘要

一种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，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，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上表面O点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

一种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一丝杆，左侧的第一丝杆通过轴承可转动地设置在左支架上，右侧的第一丝杆通过轴承可转动地设置在右支架上，左侧的第一丝杆的两侧分别设置有竖向布置的第一导向杆，右侧的第一丝杆的两侧也分别设置有竖向布置的第一导向杆，所述左支架和右支架上分别设置有第一电机安装室，第一电机安装室内设置有可驱动第一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一丝杆，左边的第一丝杆螺纹连接有可竖向移动的第一移动平台，右侧的第一丝杆也螺纹连接有可竖向移动的第一移动平台，第一移动平台的中部设置有与第一丝杆啮合的第一螺纹孔，左侧的第一移动平台套在左侧的第一导向杆上以平稳地上下移动，右侧的第一移动平台套在右侧的第一导向杆上以平稳地上下移动，第一电机安装室的外部还设置有可粗调第一移动平台竖向位置的第一手动旋钮；左侧的第一移动平台和右侧的第一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一移动平台内，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，通过第一手动旋钮的转动使第一丝杆正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一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，通过减速器带动第一丝杆正转或反转，第一移动平台由于第一螺纹孔与第一丝杆的啮合实现竖直方向的运动，从而调节第一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、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第二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射在板材的位于上辊轮和下辊轮的输出侧，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O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O点的纵波、表面波、横波的依次作用而使得O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O点，而引起O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O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O点的纵波和横波，这些到达O点的纵波和横波使得O点位移发生上下变化；当作用的激光超声波离开O点时，板材上表面O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O点时所携带的能量最大，可激发O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O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O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；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100MHz；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采集的数据为峰值混叠、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，从而分别准确获得纵波、表面波、横波第一次到达板材上表面O点处的时间以及纵波、横波经过板材下表面一次反射到达板材上表面O点处的时间，根据时间轴自左向右的顺序，首先是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生纵波的第一次波峰，之后是表面波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生表面波的第一次波峰，之后是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处产生横波的第一次波峰，因为表面波速度与横波速度几乎相同，因此当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较小时表面波和横波的波峰因为时间差过小而混叠为一个波峰，当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较大时表面波和横波的波峰将因时间差变大而区分开，在纵波、表面波、横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处之后，透射入板材内的纵波和横波以一定入射角分别入射至板材下表面，再由板材下表面反射至板材上表面O点处，所以之后是纵波第二次到达板材上表面O点处产生纵波的第二次波峰，再之后是横波第二次到达板材上表面O点处产生横波的第二次波峰，再之后则依次是纵波和横波经过板材下表面的一次反射到达板材上表面，再由板材上表面反射至板材下表面，并由板材下表面二次反射后第三次到达板材上表面O点处产生的第三次波峰，纵波和横波到达板材上表面O点处产生的第四次及第四次以上的波峰以此类推，这里我们只关注纵波、横波前两次到达板材上表面O点处产生的波峰，纵波的第一次波峰与第二次波峰的时间间隔为纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T1，横波的第一次波峰与第二次波峰的时间间隔为横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T2，所述高温检测计设置在板材的上方用于测量板材的温度，根据板材的板材属性以及高温检测计的测量温度值，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主要有以下两种计算方法：方法一，利用纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T1计算板材的厚度h，时间间隔T1的起点是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的时刻，时间间隔T1的终点是纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时刻，假设板材的厚度为h，则纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的路径长度为L，传播时间为而纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的路径长度为传播时间为于是纵波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和纵波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为于是当纵波第一次到达板材上表面O点处和纵波第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为T1时，由得到板材的厚度方法二，利用横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔T2计算板材的厚度h，时间间隔T2的起点是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的时刻，时间间隔T2的终点是横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时刻，假设板材的厚度为h，则横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处的路径长度为L，传播时间为而横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的路径长度为传播时间为于是横波沿板材上表面传播第一次到达板材上表面O点处和横波经过板材下表面一次反射后第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为于是当横波第一次到达板材上表面O点处和横波第二次到达板材上表面O点处的时间间隔为T2时，由得到板材的厚度上述两种板材厚度计算方法中，因为当电容式位移传感器的中心点与扫描振镜的水平距离L较小时，第一次到达板材上表面O点处的表面波及横波是混叠在一起的，不利于横波到达时间的甄别，其次因为纵波第一次和第二次到达板材上表面O点处的时间相对横波更短，因此利用方法一来计算板材厚度所记录数据量更小、且时间间隔短、误差小；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前置放大器的输出电压，工作人员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一丝杆正向旋转，第一移动平台因为第一螺纹孔和第一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一丝杆反向旋转，第一移动平台因为第一螺纹孔和第一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。