機(jī)械課程設(shè)計--板料厚度測量儀設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　根據(jù)超聲波脈沖反射來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此測量。按此設(shè)計的可對各種板材和各種加工零件作精確測量，也可以對生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測它

2、們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度?？蓮V泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各個領(lǐng)域儀器采用最新的高性能、低功耗微處理器技術(shù)，基于超聲波測量原理，可以測量金屬及其它多種材料的厚度，并可以對材料的聲速進(jìn)行測量。本機(jī)利用單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用液晶顯示測量厚度值,并同時顯示聲速,自動校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了已知聲速測量厚度及已知厚度測量聲速兩大功能.操作簡單,穩(wěn)定可靠,是無損檢測工作者的理想檢測工具.</p><p>　　【關(guān)鍵詞】

3、超聲波脈沖反射；電渦流傳感器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；CCD輸出信號。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Thickness measurement, according to the ultrasonic pulse reflection when the launch of the ultrasonic pulse probe thr

4、ough the material object to be tested interface, the pulse is reflected back to the probe, through the accurate measurement of ultrasonic wave propagation in the material time to determine the thickness of the material b

5、eing tested. Those that make the ultrasonic wave at a constant speed in its internal communications can adopt the measure of various materials. According to this d</p><p>　　【key words】 ultrasonic pulse refle

6、ction; The eddy current sensor; Data acquisition system; The CCD output signal.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 引 言1</b></p><p>　　1.1研究背景和意義1</p>

7、<p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　第二章 測量原理和方案論證3</p><p>　　2.1系統(tǒng)的測量原理3</p><p>　　2.1.1激光三角法測量3</p><p>　　2.1.2非接觸高精度厚度測量方法3</p><p>　　2.1.3 線陣CCD 用于光學(xué)三角法測量

8、金屬板厚4</p><p>　　2.2 測量方案的比較與確定6</p><p>　　第三章 系統(tǒng)設(shè)計6</p><p>　　3.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計6</p><p>　　3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計7</p><p>　　3.2.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計7</p><p>　　3.2.2 測量部分的設(shè)計

9、9</p><p>　　3.3電路系統(tǒng)設(shè)計11</p><p>　　第四章 精度分析13</p><p>　　4.1電路對測量精度的影響13</p><p>　　4.2誤差分析13</p><p><b>　　第五章 總結(jié)16</b></p><p><b

10、>　　參考文獻(xiàn)17</b></p><p><b>　　致謝18</b></p><p><b>　　第一章 引 言</b></p><p>　　1.1研究背景和意義</p><p>　　幾何量測量技術(shù)隨著科技的發(fā)展而發(fā)展著。從19世紀(jì)開始出現(xiàn)的線刻尺，到現(xiàn)在的游標(biāo)尺、千分尺及

11、其它機(jī)械式的測微儀，使幾何量測量技術(shù)向前邁了一大步。目前，我國大部分企業(yè)中，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，花費(fèi)在測量上的時間和人員數(shù)量是相當(dāng)可觀的，這嚴(yán)重影響了工廠生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益。而目前傳統(tǒng)的接觸式測量技術(shù)顯然跟不上現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械加工、材料加工的非接觸要求，相反已成為提高生產(chǎn)效率和加工精度的制約因素. ，那么，這就需要有一種新的方法來代替接觸式測量. 隨著科技大發(fā)展和生產(chǎn)力的要求，非接觸式的測量方法出現(xiàn)了。第一臺成功的非接觸式自動測厚儀應(yīng)用了X

12、射線吸收技術(shù)。從此，非接觸式測量方法開始了迅猛發(fā)展，其強(qiáng)大的功能和優(yōu)點(diǎn)無法使傳統(tǒng)的接觸式測量望其項背，也為人類社會的發(fā)展，工業(yè)文明的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，人類已經(jīng)在非接觸式測量方面取得了巨大成就，但是，我們還是不能滿足于當(dāng)前的現(xiàn)狀，因?yàn)樯鐣倪M(jìn)步，生產(chǎn)力的發(fā)展，時不時還有新的問題出現(xiàn)在我們面前，對測量的各個方面有新的更高的要求，這些都擺在我們面前亟待解決。因此，研究更好的，功能更強(qiáng)大，精度更高，更智能化，更人性化對，環(huán)境依賴性更小

13、的非接觸式測量方法究意義非凡了</p><p>　　激光測厚儀的設(shè)計，充分考慮到現(xiàn)場的各種環(huán)境因素。為了減少溫度對機(jī)體長度的影響，使用了鐵鑄造件做機(jī)殼；利用石英玻璃窗片，保護(hù)窗口內(nèi)部件(主要是光學(xué)儀器)以及把測量車體做成“C”型，并使之能在軌道上移動，以利于維護(hù)檢修。另外，為濾除背景雜波信號在接收鏡頭前加裝濾光鏡片。激光測厚儀的安裝、調(diào)試用了兩個星期的時間，遇到不少困難。在安裝調(diào)試時，由于測量車體內(nèi)空間太小，不便

14、操作，加上在高電壓的狀態(tài)下工作，必須小心謹(jǐn)慎。調(diào)試光學(xué)系統(tǒng)時，因上下兩臂距離較遠(yuǎn)，給調(diào)試工作也帶來不少麻煩。激光測厚儀是近年來開發(fā)出的高科技實(shí)用型設(shè)備，是用于熱軋生產(chǎn)線上實(shí)時在線式連續(xù)測量成材厚度的非接觸式測量設(shè)備。它有效地改善了工作環(huán)境，具有測量準(zhǔn)確、精度高、實(shí)用性好、安全可靠、無輻射、非接觸式測量等人工測量及其它測量方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，并為軋制鋼材厚度控制提供了準(zhǔn)確的信息，從而提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了勞動強(qiáng)度。激光測厚儀使用

15、兩年多以來，具不完全統(tǒng)計，因板厚誤差造成的廢品率下降了50%以上，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益近千萬元，受到各級部門和工作人員的肯定與贊賞。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　光電法測厚的基礎(chǔ)理論研究及測量儀器的研制在國外是比較早的，而且比較完善，如在日本、美國、英國、德國等國家，尤其是在日本、德國，由于一向注重于光電子技術(shù)的應(yīng)用，因而在這一方面的發(fā)展更為矚目，從光源到光電檢測元

16、件最為齊全，光電檢測技術(shù)應(yīng)用也比較普光遍。從18世紀(jì)工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)以前所未有的速度在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是近50年來，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于檢測儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測儀器的主要指標(biāo)。利用CCD 技術(shù)對產(chǎn)品表面質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時檢測、動態(tài)測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、精度高、測量速度快、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。攝

17、像頭的主要傳感部件是CCD，它具有靈敏度高、畸變小、壽命長、抗震動、抗磁場、體積小、無殘影等特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的是CCD技術(shù)，在現(xiàn)代板材生產(chǎn)中，不論是軋制過程中還是最終產(chǎn)品的調(diào)整中，為獲得較高的板材命中率和最佳的軋制過程及剪切效果，板材尺寸測量系統(tǒng)已成為生產(chǎn)線上不可缺少的設(shè)備之一。寬度偏差每減少1mm，成材率就可以提高0．1％左右，因此尺寸控制技術(shù)可顯</p><p>　　國內(nèi)目前鋼板測寬儀,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制繁瑣

18、,需要標(biāo)定，以及及時維護(hù),實(shí)時操作性差。而本文所要研究的，是在原有的鋼板在線測寬儀的基礎(chǔ)上，提出了一種改良型的系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用經(jīng)濟(jì)的線陣CCD 成像系統(tǒng),應(yīng)用CPLD 與單片機(jī)結(jié)合采集與處理測量數(shù)據(jù)，和邊緣細(xì)化技術(shù)提高測量精度。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔,成本低廉,抗干擾性能好，調(diào)試方便。</p><p>　　第二章 測量原理和方案論證</p><p>　　2.1系統(tǒng)的測量原理</p>

19、<p>　　2.1.1激光三角法測量</p><p>　　如圖2.1所示，直射式激光三角法測量是利用入射光點(diǎn)與反射光點(diǎn)所滿足的幾何光路，再運(yùn)用相似三角形各邊之間的比例關(guān)系，求得被測物體厚度：</p><p>　　式中，ｌ為激光束光軸和接收光軸的交點(diǎn)到接收透鏡前主面的距離；ｌ′為接收透鏡后主面到成像面中心點(diǎn)的距離；α為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角；</p>&

20、lt;p>　　β為探測器與接收透鏡光軸之間的夾角；Ｌ為像點(diǎn)位移量；ｘ為物面位移量．當(dāng)被測物表面Ａ位于零參考面之上時取“－”，被測物表面Ｂ位于零參考面之下時取“＋”。</p><p>　　圖2.1 激光三角法測量原理圖</p><p>　　2.1.2非接觸高精度厚度測量方法</p><p>　　采用2個非接觸電渦流探頭進(jìn)行比較測量,其原理如下圖1所示，探頭1和2

21、共軸,2 探頭之間的距離D固定不變,并且和被測工件垂直,被測件和標(biāo)準(zhǔn)件的材質(zhì)相同,這樣它們的厚度和距離之間有以下關(guān)系式：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式中 標(biāo)準(zhǔn)件和被測件的厚度</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)件和被測件到探頭1和2的距離</p><p><b>　　圖2.2測

22、量原理圖</b></p><p>　　由于T0可以預(yù)先測量，所以，只要測得D1，D2和D3，D4就可以求出Tx，即可以用測量2個探頭到被測件的距離的方法測出其厚度這里必要的條件為：要保證測得的數(shù)據(jù)和實(shí)際距離之間的線性關(guān)系；2個探頭應(yīng)有相同的靈敏度；對標(biāo)準(zhǔn)件和被測件的2次測量之間不應(yīng)該有零點(diǎn)的漂移。</p><p>　　實(shí)際上,在自然的條件下很難同時滿足以上3個條件,應(yīng)針對情況分

23、別進(jìn)行處理。</p><p>　　a.對于線性不好的探頭要預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定測量，根據(jù)測量結(jié)果設(shè)計插值函數(shù)軟件或查表軟件對數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，不能使用曲線非單調(diào)性的探頭。</p><p>　　b.對于2個靈敏度不同的探頭要分別進(jìn)行插值運(yùn)算。</p><p>　　c.為解決隨時間的漂移問題，應(yīng)進(jìn)行即時標(biāo)定測量，并緊接著對被測件進(jìn)行測量。</p><p>

24、　　除此之外，機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)保證足夠的精度和具有穩(wěn)定的可操作性。</p><p>　　2.1.3 線陣CCD 用于光學(xué)三角法測量金屬板厚</p><p>　　我們分三種情況來討論：（1）是金屬板不動的情況。這時較簡單，如圖2.3 所示，設(shè)基準(zhǔn)平面的位置在Z0，已知金屬板的位置在Z1位置，把待測金屬板緊貼著已知金屬板的平面，它的另一平面的位置在Z2。用前述辦法測量出Z1、Z2</p>

25、<p>　　到Z0的距離d1、d2，則金屬板厚為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　（2.7）</b></p><p>　　圖 2.3 測量金屬板厚的實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　( 2)是當(dāng)被測板的面積太大時，這時得采用兩套CCD裝置，讓它

26、們有共同的起始位置Z0，再分別測量出金屬板兩端面的位置d1和d2，則金屬的板厚仍可按(2.6)式計算。</p><p>　?。?）如果待測的金屬板是在軋制過程中，設(shè)板軋制的前進(jìn)方向是沿著X，但是在 Z方向也會有一定的移動。如果移動的方向與Z方向有一定的偏離，則必需把此偏角ε測量出來，按下式對所測量的金屬板厚度進(jìn)行修正</p><p><b>　　（2.8）</b>&l

27、t;/p><p>　　我們知道激光束并非一條線而是有橫截面的，在橫截面上的光強(qiáng)分布是高斯分布，當(dāng)金屬板的反射率有變化時，或者激光光強(qiáng)發(fā)生變化時，高斯分布的高度和寬度都會發(fā)生變化，二值化后得到的矩形脈沖的寬度也會隨之而變化，如圖 2.4所示，光強(qiáng)減小時脈寬也變狹，即t2<t1。故不能取脈沖的前沿（會隨脈寬而變化），而必須取矩形脈沖中心位置（不會隨脈寬而變化）作為測量的依據(jù)。</p><p>

28、;　　圖2.4光斑光強(qiáng)變化時，CCD二值化輸出的矩形脈沖的寬度也發(fā)生變化</p><p>　　經(jīng)過比較以上三種方案的比較，第三種更簡單，實(shí)用，精確度高。第二種方案精度低，第一種方案太過于復(fù)雜，不實(shí)用。</p><p>　　2.2 測量方案的比較與確定</p><p>　　激光輔助測量法，采用了線結(jié)構(gòu)光。激光從激光器發(fā)出,經(jīng)過柱面透鏡后匯聚成寬度很窄的光帶,稱為結(jié)構(gòu)光

29、。該光平面以一定角度入射在工件上,在工件上產(chǎn)生反射和散射，并可已知投影光線的空間方向。這種光源有多優(yōu)勢。此外，這種測量方法較激光三角法和偏轉(zhuǎn)差值法有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢。所以我們采用激光輔助測量法。</p><p><b>　　第三章 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　

30、光學(xué)系統(tǒng)對成像質(zhì)量有著十分重要的意義，它擔(dān)負(fù)著傳遞目標(biāo)光學(xué)信息的作用，直接影響成像系統(tǒng)的工作距離、視場、分辨率、靈敏度和畸變等多項性能參數(shù)。對光學(xué)系統(tǒng)的基本要求是成像清晰、透光率強(qiáng)、雜散光少、像面照度分布均勻、圖像畸變小、足夠的相對孔徑等。</p><p>　　由于相機(jī)利用鋼板自身發(fā)出可見光成像，考慮到相機(jī)離鋼板越遠(yuǎn)成像越不清晰，對鏡頭的要求也越苛刻，由于CCD成像設(shè)備安裝位置應(yīng)小于5米，所以本系統(tǒng)相機(jī)固定于4米

31、高的地方。由于現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣，必須對測量設(shè)備采取防護(hù)措施。光學(xué)系統(tǒng)安裝在防震的、帶溫度控制的、密封的箱體中。</p><p>　　箱體通過支架固定于鋼板正上方4米的平臺，平臺上安裝微調(diào)裝置。該裝置可在橫向、縱向、垂直方向調(diào)節(jié)相機(jī)，使鋼板正好可以成像到CCD中央位置。設(shè)備安裝時用帶有發(fā)光管(發(fā)光光譜近似880鋼板的發(fā)光光譜)的標(biāo)準(zhǔn)長尺，對CCD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。調(diào)節(jié)微調(diào)裝置，使發(fā)光管詐好成像于CCD光敏陣列中央位置

32、上，說明此時相機(jī)位置合格，可以進(jìn)行在線檢測。</p><p>　　設(shè)生產(chǎn)線上鋼板寬度在2米左右，而所選CCD光敏面尺寸只有20.48mm，所以為使鋼板寬度信息能完整的成像在光敏面上，相機(jī)最前端需要加一個光學(xué)鏡頭。合理選擇并安裝光學(xué)鏡頭是保證清晰成像并獲得正常視頻信號的關(guān)鍵。各種CCD光學(xué)鏡頭種類繁多，光學(xué)鏡頭的主要參數(shù)都不盡相同，合適的參數(shù)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)不同接口、CCD光敏面光學(xué)格式、光圈、視場、焦距、F數(shù)等來確定。

33、</p><p>　　光學(xué)系統(tǒng)位于檢測系統(tǒng)的前端，其性能直接影響著采集圖像的質(zhì)量。因此，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計是決定表面檢測系統(tǒng)成功與否的主要因素。根據(jù)待檢鋼板與傳感器的參數(shù)，我們進(jìn)行成像鏡頭的參數(shù)計算，主要從成像要求和照度匹配兩方面來考慮鏡頭的選擇。本系統(tǒng)中選用鏡頭焦距35mm，相機(jī)安裝在距鋼板4m高的地方。圖3-2是簡化的鏡頭成像原理圖</p><p>　　圖3.1 鏡頭成像原理圖</p

34、><p><b>　　3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　3.2.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　行走機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠副、滑動導(dǎo)軌組成，采用的是絲杠轉(zhuǎn)動螺母移動的方法。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器和絲杠直接連接，絲杠跟隨電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，從而把電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為螺母的移動。螺母上固定有螺母座，而螺母座又與安裝在導(dǎo)軌滑塊上的工作

35、臺底板連接，最終把電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為工作臺在導(dǎo)軌上的平動，實(shí)現(xiàn)傳感器的位置移動。</p><p>　　1.系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動</p><p>　　行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動是以步進(jìn)電機(jī)作為主動元件的，如何控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動是現(xiàn)厚度實(shí)時測量的一個重要內(nèi)容，傳感器相對于被測鋼板的運(yùn)動是通過步進(jìn)電機(jī)有規(guī)律的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)的，為了完成鋼板厚度參數(shù)的采集，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)該具有下列功能：步進(jìn)電機(jī)能夠啟動和停止；能夠

36、實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)能夠在任何位置鎖定。</p><p>　　在測量過程中，為了提高運(yùn)動精度，步進(jìn)電機(jī)以三相六拍方式工作。本系統(tǒng)采用配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行控制。其特點(diǎn)是：驅(qū)動器性能對電機(jī)的依賴性極小，不同參數(shù)電機(jī)均可獲得優(yōu)異性能；具有多種細(xì)分模式；</p><p>　　具有脫機(jī)控制信號；電機(jī)位置掉電記憶；靜止時半自動電流鎖定；輸入輸出信號光電隔離。</p><p&

37、gt;　　2. 滾珠絲杠的選擇</p><p>　　根據(jù)估算工作臺、支架和測桿等上部組件的重量，假定壓在滾珠絲杠上的重量為w=1500N，工作臺的設(shè)計行走行程為800mm。</p><p>　　把以上計算所得數(shù)據(jù)與FFZD3205-3型滾珠絲杠的各項參數(shù)比較，可知該型號絲杠完全滿足設(shè)計要求。</p><p>　　3.2.2 測量部分的設(shè)計</p>&l

38、t;p>　　測量部分是通過測量鋼板的實(shí)際厚度和標(biāo)準(zhǔn)厚度的偏差來進(jìn)行厚度測量的。測量前先用標(biāo)準(zhǔn)量塊代替標(biāo)準(zhǔn)鋼板對傳感器進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)，具體的做法是先調(diào)節(jié)測頭到鋼板的距離，使其在傳感器的測量范圍內(nèi)，然后通過傳感器的控制器對傳感器進(jìn)行復(fù)位，此時傳感器的模擬輸出電壓值為零。測量時，若鋼板的實(shí)際厚度與標(biāo)準(zhǔn)厚度存在偏差，即鋼板上表面相對于傳感器發(fā)生位移變化，傳感器便輸出一定量的模擬電壓。模擬電壓輸出值與厚度偏差值存在固定的線形關(guān)系，我們由這個線

39、形關(guān)系便可推算出鋼板的實(shí)際厚度。</p><p><b>　　1.傳感器的選擇。</b></p><p>　　電渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、測量線性范圍大，而且具有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用的便是基士恩公司生產(chǎn)的EX-200系列中的EX-416圓柱形渦電流位移傳感器，它具有如下的優(yōu)點(diǎn)：微小位移的精確模擬輸

40、出，EX-200系列以F.S.的0.04％的解析度來測量目標(biāo)物，有兩種模擬輸出（電壓/電流）可供連接到外部設(shè)備；EX-200系列使用內(nèi)置線性化電路，可以精確的輸出絕對位移值；高反應(yīng)速度，EX-200系列提供最高達(dá)18KHZ反應(yīng)頻率，可以測量快速移動的物體；自動歸零鍵，按下自動歸零鍵就可以把當(dāng)前的電壓輸出設(shè)定為0V，只要按下歸零鍵即可</p><p>　　完成參考目標(biāo)物的零值調(diào)節(jié)，在產(chǎn)品更換時可以容易而快速度地設(shè)定

41、傳感器。本傳感器的解析度為F.S的0.04％，測量范圍為5mm，所以分辨率為2um，能夠滿足設(shè)計的要求。</p><p>　　2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。</p><p>　　測量系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對外界各種模擬信號的測量，必須通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號送入控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是外部信號進(jìn)入計算機(jī)的必經(jīng)之路。一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由前置放大器A、采樣保持放大器SHA、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC組成，其中前置放

42、大器A的作用是將信號放大到ADC可以接受的范圍，采樣保持器的作用是保持輸入信號在ADC轉(zhuǎn)換期間不變，而ADC的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。目前，隨著大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了各種專用的數(shù)據(jù)采集芯片。這種芯片集高速度高精度SH、ADC、基準(zhǔn)時鐘源及數(shù)字接口與一體，可以達(dá)到很高的水平，本系統(tǒng)便采用了數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.該采集卡屬于TDEC ISA系列，型號為TOP-10016，它是四通道同步并行數(shù)據(jù)采集模塊，采用16B

43、it高精度A/D，每通道最高采樣頻率可同時達(dá)到100Kps，同時配有最高8M字節(jié)/通道的大容量SDRAM板載緩存，可實(shí)現(xiàn)多通道低速動態(tài)信號的實(shí)時記錄。它具有高速、大容量、并行采集、同步擴(kuò)展的特點(diǎn)。將采集卡插入PC機(jī)的插槽內(nèi)工作，傳感器將被測信號變?yōu)槟M電壓信號，經(jīng)屏蔽電纜與采集卡上的信號輸入插槽直接連接，在配套TOPView2000虛擬儀</p><p>　　3.厚度數(shù)據(jù)的處理。</p><p

44、>　　為了對鋼板整體厚度進(jìn)行精確的測量，本系統(tǒng)采用了多點(diǎn)采集厚度參數(shù)然后進(jìn)行整體處理的方法。傳感器采集的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后送計算機(jī)儲存，當(dāng)達(dá)到要求的測量次數(shù)時對儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以達(dá)到對鋼板厚度進(jìn)行整體測量的目的，所有的數(shù)據(jù)處理都是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)的。</p><p><b>　　3.3電路系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　CCD的輸出信號是脈沖信號，其中

45、既包含被測尺寸的信息，又含有大量的復(fù)位噪聲和電子系統(tǒng)的白噪聲，使得有用信號難以提取。由于CCD本身的感光單元有一定間距，加上照明光源在視場內(nèi)光強(qiáng)分布的不均勻性，CCD本身的光敏不均勻性、轉(zhuǎn)移損失以及光源在通過待測目標(biāo)邊緣時的衍射現(xiàn)象等原因，使得CCD輸出不會是理想的0/1信號，其包絡(luò)的邊緣必然帶有明顯的梯度，或者說，目標(biāo)尺寸的兩個邊緣在CCD上成像的具體位置不可能十分確定。導(dǎo)致CCD輸出信號波形在輪廓邊緣處有一漸緩的過渡區(qū)，而且這一過渡

46、區(qū)隨著輪廓在視場中位置的變化而變化，這一變化直接影響捕捉真正代表物體邊緣的特征點(diǎn)，進(jìn)而影響測量精度。因此，除了減少外界干擾外，如何從CCD的輸出信號中提取出真正代表物體邊緣的特征信息，是測量的難點(diǎn)所在。真正表示物體的邊緣點(diǎn)處，CCD輸出信號的微分最大。由于被測物體的邊緣是通光和擋光的交界點(diǎn)，理論上該處的光強(qiáng)變化率最大，該點(diǎn)就是濾波后的視頻信號電壓函數(shù)u=u(t)在過渡區(qū)內(nèi)的拐點(diǎn)，由高等數(shù)學(xué)的知識知道，在拐點(diǎn)處，電壓函數(shù)的一次微分為最大值

47、，二次微分為零。電路便于尋找為零的點(diǎn)。基于此，可設(shè)計微分法處理電路提取測量信號。</p><p>　　圖3.3.1未放工件輸出信號</p><p>　　圖3.3.2放出工件輸出信號</p><p>　　觀察CCD的輸出波形，發(fā)現(xiàn)原始信號上附加有許多細(xì)小的“毛刺”，即各種噪聲信號，有器件本身的噪聲（如散粒噪聲、熱噪聲、1/f噪聲等)，也有轉(zhuǎn)移過程中附加的噪聲(如復(fù)位噪

48、聲等)。為了準(zhǔn)確地從中提取出有用的信號成分，必須盡可能地抑制或消除各種噪聲干擾。歸納起來主要有以下幾種方法：1）低通濾波法(LFS)2）雙斜率積分法(DSI)3）嵌位切除法(CCS)4）相關(guān)雙取樣(CDS)</p><p>　　另外CCD的輸出信號幅值為2V～3V，可以直接進(jìn)行信號處理，不需要放大環(huán)節(jié)。信號處理原理圖如圖3.3.3所示：</p><p>　　圖 3.3.3 信號提取電路示意

49、圖</p><p><b>　　第四章 精度分析</b></p><p>　　4.1電路對測量精度的影響</p><p>　　由于外界環(huán)境及電路自身元器件的不穩(wěn)定性，會使得測量結(jié)果偏離理想狀況，下面主要介紹零點(diǎn)漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因</p><p>　　1、什么是零點(diǎn)漂移現(xiàn)象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的現(xiàn)象。</p&

50、gt;<p>　　2.產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，器件老化。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂。</p><p>　　3.克服溫漂的方法：引入直流負(fù)反饋，溫度補(bǔ)償。典型電路：差分放大電路</p><p><b>　　4.2誤差分析</b></p><p>　　產(chǎn)生誤差的原因較多，有些是可以采取一定方法避免

51、或減小的，有些則是在設(shè)計中固有的或是客觀環(huán)境中存在的，是不可避免的。總體來說可以分為實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生誤差，系統(tǒng)硬件產(chǎn)生誤差以及軟件算法引起誤差等。</p><p>　　(1)實(shí)驗(yàn)條件引起誤差</p><p>　　主要是由于在實(shí)驗(yàn)室無法創(chuàng)造與工業(yè)現(xiàn)場完全相同的條件。實(shí)驗(yàn)室無法模擬軋鋼現(xiàn)場溫度、灰塵、電機(jī)震動等各種復(fù)雜因素，實(shí)驗(yàn)環(huán)境要理想許多；電爐加熱溫度不能完全達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場鋼板溫度；實(shí)驗(yàn)測量相機(jī)

52、高度及鏡頭選擇與軋鋼現(xiàn)場選擇不同。同時人工測量的是冷卻后鋼板寬度作為標(biāo)度，但CCD采集的是熾熱鋼板寬度，由于熱脹冷縮，這也會引起試驗(yàn)誤差。</p><p>　　(2)系統(tǒng)硬件引發(fā)誤差</p><p>　　理想狀況下CCD應(yīng)該固定在與測量鋼板垂直的正上方，但在實(shí)驗(yàn)時CCD相機(jī)位置固定時容易發(fā)生晃動，使成像大小發(fā)生變化，從而影響本系統(tǒng)的測量精度。CCD像元尺寸也是影響測量精度的一個因素，主要表

53、現(xiàn)在邊緣檢測時，像元尺寸越小，檢測精度越高。另外實(shí)驗(yàn)時兩塊擋板平行才能模擬鋼板，但人為因素造成擺放擋板不能絕對平行，這一點(diǎn)可以通過測量擋板間多點(diǎn)間距求平均值作為實(shí)際測量值來修正。</p><p>　　(3)軟件算法引起的誤差</p><p>　　雖然在系統(tǒng)設(shè)計時考慮到采用硬件電路對信號進(jìn)行處理會引入更多誤差，但是每一種軟件算法都有其自身的局限性。本系統(tǒng)使用單片機(jī)作為微處理器，單片機(jī)計算速度

54、比較慢，片上資源有限，這些都制約了我們軟件算法設(shè)計時，只能選擇實(shí)現(xiàn)簡單，耗時少的濾波及二值化算法，這些算法固有的局限性都會使最終計算結(jié)果產(chǎn)生誤差。</p><p>　　設(shè)計過程中的誤差分配指定一個合理的誤差量（根據(jù)儀器設(shè)計精度δ）分配給上述電器產(chǎn)生的隨機(jī)誤差項，特別是分配給光源，以便獲得光源的選擇參數(shù)和穩(wěn)定性參數(shù)，同時可以適當(dāng)?shù)胤峙浣oCCD傳感器，電路，數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)。</p><p>　

55、　（1）光源不穩(wěn)定引起的誤差</p><p>　?。?）CCD感光單元靈敏度不均勻誤差</p><p>　?。?）單片機(jī)硬件計數(shù)存在誤差</p><p>　　（4）環(huán)境造成的影響</p><p>　　隨機(jī)誤差ΔΣ系統(tǒng)即為上述1）～4）項的誤差和，也可以采用絕對值累加，也可以采用平方和開平方進(jìn)行累加，本系統(tǒng)中采用開平方累加。</p>

56、<p>　　由分析可以得到如下系統(tǒng)誤差：1）光源發(fā)散角引起的誤差Δll，2）成像鏡頭引起的誤差Δes，3）被測工件傾斜引起的系統(tǒng)測量誤差Δmt，4）被測工件不均勻性引起的誤差Δmm。</p><p>　?。?）光源發(fā)散角引起的誤差</p><p>　?。?）成像鏡頭引起的誤差</p><p>　　（3）被測工件傾斜引起的系統(tǒng)測量誤差</p>

57、<p>　　（4）被測工件不均勻性引起的誤差</p><p>　　儀器的總誤差來源為：</p><p><b>　　第五章 總結(jié)</b></p><p>　　針對目前國內(nèi)鋼板生產(chǎn)設(shè)備由于缺乏有效的厚度實(shí)時測量手段，而影響產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)效益這一實(shí)際問題，本系統(tǒng)提供了系統(tǒng)的研究方法，提出了以電渦流傳感器為基礎(chǔ)、以計算機(jī)控制技術(shù)為核心的

58、系統(tǒng)設(shè)計方案，在測量系統(tǒng)的各關(guān)鍵部分的設(shè)計中，充分利用了現(xiàn)代設(shè)計理論和設(shè)計方法，在總體上達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計的要求。綜上所述，本課題的研究主要做了以下方面的工作：</p><p>　　(1)分析現(xiàn)有鋼板尺寸檢測系統(tǒng)，在充分理解各種系統(tǒng)存在的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的單線陣CCD檢測系統(tǒng)，而且用單線陣CCD實(shí)現(xiàn)了鋼板斜置的判斷。</p><p>　　(2)針對設(shè)計方案，通過分析系統(tǒng)要求，選擇了合

59、適的CCD相機(jī)，設(shè)計了光學(xué)采集模塊，完成了信號接收電路及單片機(jī)外圍電路的設(shè)計。</p><p>　　(3）系統(tǒng)的設(shè)計、光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)、鏡頭裝調(diào)和校驗(yàn)</p><p>　　本文所設(shè)計的采集系統(tǒng)由于條件所限，未能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，其可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外測量的最終目的是要實(shí)現(xiàn)控制，所以今后還需開展進(jìn)一步的工作.</p><p><b>　　參考文

60、獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張克敏,王世耕.測厚儀在板帶軋制中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2006,7:80-82.</p><p>　　[2] 陳陽，王慕坤.光學(xué)式非接觸厚度-微位移測量儀的研制[D].哈爾濱理工大學(xué).2004(02).</p><p>　　[3] 趙世強(qiáng)，王玉田.CCD光電式測厚儀及其系統(tǒng)研究[D].燕山大學(xué).2003(0

61、2).</p><p>　　[4] 費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998</p><p>　　[5] 崔遇功,海潮智. 鋁及鋁合金中厚板在線激光測厚新技術(shù)[J]. 輕合金加工技術(shù),1997,27(1):21-24.</p><p>　　[6] 楊齊民,王翊,鐘麗云,宮愛玲,佘燦麟,張文碧.CCD用于光學(xué)三角法測量金屬板厚[J].激光雜志.

62、</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。在我撰寫論文的過程中，老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了X老師悉心細(xì)致的教誨和無私的幫助，特別是他廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)