摘要：分析激光板凸度检测原理，根据测量间隙参数的变化，建立检测系统传感器位置状态表，将系统中传感器的位置关系分为正间隙、有效负间隙、无效负间隙三类。三种关系下系统的测量范围分别为：1) 4mm 以上;2) 0-4mm;3) 不能测量。由此提出一种传感器位置调节方法，以位置状态表作为调节判据，运用伺服跟踪技术，在检测过程中使传感器自动处于最佳的位置关系，实现检测的智能化。差动式厚度试验表明，本方法具有高效、精确、自动化程度高的特点，位置调节精度达到±1μm。
引 言
板凸度是目前衡量板材质量的重要标准之一，在线板凸度的控制效果很大程度上依赖于板材板凸度的检测精度。板材的板凸度是通过检测板材的横向厚度分布而得出的。高精度的板凸度检测装置，可以看作是一种厚度测量系统，以扫描或多点测量的方式检测板材横断面的厚度分布。板凸度的测量有多种方式，其中对于差动式激光板凸度检测方式而言，其原理是基于激光三角测距的差动式厚度检测，系统由两个激光位移传感器构成。由于激光三角法的原理决定了该类系统中的位移传感器都具有一定的测量范围限制。因而，在实际测量中，要实现连续、有效地测量，必须保证装置的两个激光传感器对于被测面的相对位置处于其有效的测量范围之内[1]。而实际中，同一板带的曲面变化以及不同厚度规格的板材曲面，对于检测装置而言，都是应用参数的改变，都有可能造成测量有效性的丧失。因此，分析激光板凸度检测系统中传感器的最优位置关系，研究如何根据应用场合、应用参数的变化，自适应地调节系统的参数范围，对于保证测量的可靠性和连续性，实现测量的智能化，拓展装置应用领域都具有重要意义。
1 系统分析
1.1 检测原理
激光板凸度检测系统中采用的传感器是基于三角测量法的激光位移传感器。本研究采用的激光传感器如图 1，从激光源发射的激光束射到被测表面，在被测表面上形成一个光斑;从光斑散射的光线经透镜聚光后，射在线性 CCD(Charge Coupled Device)阵列上。被测面位移的检测通过光学三角法原理计算出来[1]。本研究采用的传感器线性中点距离为25mm，测量范围为2mm，分辨率达到0.1μm。
板凸度检测系统是基于差动原理的板材厚度测量，由两个上下两个激光位移传感器构成。为了分析问题的方便，在图2 中标出了差动式厚度测量的相关参数。如图2，其中包括的平面有：C1-被测板材上表面; C2-被测板材下表面; S10-上传感器线性中点平面; S11-上传感器测量范围上界; S12-上传感器测量范下界; S20-下传感器线性中点平面; S21-下传感器测量范围上界; S22-下传感器测量范围下界。
其它参数还包括：
L-激光传感器的线性距离，本系统为 25mm;
R-激光传感器的测量范围，本系统为 2mm;
J-测量间隙，上传感器测量范围下界 S12与下传感器测量范围下界 S22之间距离。约定 S12高于 S22时，J >0;S12重合S22时，J=0;S12低于 S22时J <0;
W-被测板材的厚度;D-两个激光传感器的位置间隙;
H1-被测板材上表面测量值;
H2-被测板材下表面测量值;
D1-被测板材上表面与上传感器线性中点的距离，与H1一样反映上表面测量值;
D2-被测板材下表面与下传感器线性中点的距离，与H2一样反映下表面测量值。
显然，如果要完成测量，首先必须保证 C1面处于S11与 S12之间;保证C2面处于S21与S22之间。即保证了被测板材上表面在上传感器测量范围之内，被测板材下表面在下传感器测量范围之内，上、下表面都有测量值。则被测铝板的厚度可表示为
式中L 和R 都是常值，可推出，D 与J 实际上是一次线性关系。本文接下来的研究都是用参数J 进行分析。
1.2 位置关系分析
差动厚度检测系统中，两个激光传感器在测量中的相互位置关系有多种情况。对于每种位置状态，系统的测量围有所不同。用参数C 表示各种状态下的测量范围，其上限为Cmax，下限为Cmin，可以推出：
当两传感器的相对位置发生变化时，意味测量间隙J 的变化，不同的状态，其测量范围是不同的，根据J 的不同取值，将差动厚度检测系统中两个激光传感器的位置状态分为三种情况：
1) 状态 A：J≥ 0，存在着测量间隙，为正间隙状态。状态A 又有 A1, A2两种情况。
对于本系统而言，R 为2mm，则不同位置下的测量范围如表1 所示。
1.3 有效性判别规律
根据以上的分析，在基于差动厚度测量的板凸度检测系统中，必须使两个激光传感器的位置状态工作在状态 A 或者状态 B。对于不同的被测板材的厚度值，必然有最佳的位置状态与之对应。对于本研究涉及的系统而言，如表2 所示，将被测板材厚度区间分为3 段：0-2mm, 2-4mm 以及 4mm 以上，3 段分别对应的最佳位置为A2, A1,A1。其中，当被测值为 4mm 以上时，间隙的范围要随着被测厚度的增加而作相应的增加。通过计算J 的值可以判断位置状态。
1.4 调节策略
根据以上位置关系分析，本研究采用伺服调节的方式[2-3]，根据应用参数的变化，动态调节传感器的位置关系，跟踪被测板材表面。检测系统传感器位置调节流程如图3 所示，调节的目标以数据有效性为依据。首先在标定环节计算测量间隙，根据测量间隙从而判断位置状态。再根据被测厚度的范围判断位置状态是否处于最佳。如果是最佳位置，进入测量环节进行测量;若不是，继续跟踪调节，直至最佳为止。
1.5 算例
一个测量过程，由标定和测量两个环节构成。
2) 测量：测量板材的厚度，设实际测量时，测得 D1=0.3224mm，D2=0.4387mm。则由式(2) 可求出板材厚度为
2 实 验
建立差动式厚度检测试验系统，图4 是系统的原理框图。用框架将两个激光传感器相连，沿x 方向左右移动实现扫描测量，传感器信号经控制器、采集卡进入到PC 中进行分析。同时，PC 机控制驱动装置使两个传感器沿z方向上下动作，实现位置的调节[4]。采用本系统，对不同规格的标准量块进行测量实验。
采用标定过的不同规格的量块进行测量，试验结果表明，当被测物厚度发生变化时，为保证测量的有效性，测量间隙作相应的调整以适应这种变化。图5 为被测厚度变化时，测量间隙变化曲线图，表示了系统随被测参数变化而进行的动态调节过程。试验表明调节系统具有良好的特性，调节位置精度达到了±1μm。
3 结 论
激光板凸度检测系统是基于光学三角法的差动原理厚度测量系统，激光传感器原理引起的测量范围的限制造成检测过程中测量有效性的丧失，动态地调节系统中传感器位置可以保证测量的有效性。理论分析表明，根据激光板凸度检测系统的特点，可将系统中传感器的位置关系分为三类，系统在不同关系下的测量范围不同，且对于不同被测厚度范围，系统中激光传感器存在着最佳位置关系与之对应，据此形成了最佳的跟踪调节策略。试验研究证明了本研究所述方法的有效性，且适用于其它类似系统。
参考文献：
[1] F.-J. SHIOU，T. PFEIFER . Strategies and processes to measure the dimensional geometry of sheet metal parts for exact lasercutting[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2002，19(2)：106-116.
[2] 王学军. 激光自动变位测量汽车三位形状的研究[J]. 中国激光，1998，25(11)：1051-1055.WANG Xue-jun. Study of a laser automatic position shifting measuring system for the auto-body 3-D shape measurement[J].Chinese Journal of Lasers，1998，25(11)：1051-1055.
[3] 童 凯，任 锐，李志全. 三维形貌测量中自动调焦系统的设计[J]. 光电工程，2004，31(3)：56-59.TONG Kai，REN Rui，LI Zhi-quan. Design of an automatic focusing system for 3-D topography measurement [J].Opto-ElectroNIc Engineering，2004，31(3)：56-59.
[4] 邹 华，张孟伟. 用步进电动机实现连续变焦距光学镜头的变焦控制[J]. 光电工程，2003，30(1)：29-31.ZOU Hua，ZHANG Meng-wei. Realization of zooming control for a continuous zoom optional lens with step motor [J].Opto-Electronic Engineering，2003，30(1)：29-31.
基金项目：国家 863 项目
作者简介：周俊峰(1976-)，男(汉族)，河南郑州人，博士生，主要从事机电系统控制与检测技术研究。E-mail: zjf2222@163.com
