单CCD双光路三角法宽幅膜在线测厚研究发表时间:2022-07-24 17:08 单CCD双光路三角法宽幅膜在线测厚研究 学位申请人:学科 专业:指 导教师:答 辩 日 期:陈海平 测试测量技术及仪器赵斌教授2013.1.16 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree for the Master of Engineering Design of a Single-CCD Dual-optical Path Laser Triangulation Online Thickness Measurement System for Wide-film Candidate : Chen Haiping Major : Test and Measurement Technology and Instruments Supervisor: Prof. Zhao Bin Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China January, 2013 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中己经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年月 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囗, 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囗。 (请在以上方框内打“丿”) 学位论文作者签名:日期: 年月 指导教师签名:日期: 年 月 摘 要锂电池是目前较为理想的移动电源,被广泛应用于便携电子产品、电动交通工具、 UPS以及电力传输系统等。电池极片涂层厚度及其均匀性直接关系到锂电池的性能,包括其电容容量、使用寿命、安全性等。因此,对锂电池极片涂层厚度的在线测量有着非常重要的意义。本文对国内现有的涂层厚度测量方法进行分析比较,根据锂电池涂层厚度测量的需求,设计了一种单CCD双光路三角法宽幅膜在线测厚的系统。 本测量系统将上、下两束激光束聚焦到待测件的上、下表面,然后分别通过上、下光路将上、下两光斑成像到同一个CCD像面上。基于厚度值与成像光斑之间的关系,计算得到待测件的厚度。但是由于本系统上、下光路相对独立,而且光路都存在一定的非线性像差和光线偏转,因此待测件厚度与成像得到的两光斑之间不再是简单的关系。 本系统根据成像的特点,建立了一种非线性模型校正待测件厚度和成像光斑之间的关系。同时本文还通过实验分析了本系统的散斑影响、温度影响以及物面倾斜影响,并提出了相应的解决方法,得到较好的结果。 现场测量结果表明,在测量范围内,本系统的测量误差在± 2um以内,对同一厚度的物体进行动态测量时,其重复性精度在± lum以内。满足锂电池涂层厚度在线测量的要求。而且本系统可以应用于其他不透明薄膜、薄板的厚度在线测量。比较现有的其他测量系统,本系统具有对人体无害、可靠性高等优点。 关键词:激光三角法非接触测量厚度在线检测 双光路 AbstractNowadays, Lithium battery is a relatively ideal rmbile power. It's wilely used in portable electroni' products, Electric vehicles, uninterrupted power supply (UPS), and the power transmission system, etc. The thickness of pole piece's coating and its uniformity has a direct influence on the performance of lithium battery, such of its capacity, service life, security, etc. So, It's very important to measure the thickness of pole piece 's coating online. In this paper, some of the existing coating thickness measurement methods were analyzed and compared. According to the demand of lithium battery coating thickness measurement, a single CCD dual-optical path laser triangulation online thickness measurement system for wide-film is designed.
The field results show that, in the measurement range, the measurement error of the system within ± and the repeatability within ± lum. So, the accuracy for this measurement system can meet the requirements of online thickness measurement for lithium battery pole coating. Furthermore, this system can be applied to online measurement for other opaque film and sheet. Compared with other measurement system, this system is not harmful to humans, and also higher reliability. Keywor ds: Laser triangulation Non-contact measurement Online thickness measurement Dual-optical path 11 目 录 Abstract....V 1绪论1.1课题来源与背景,, 1.3课题主要研究工作“ |
厂家 | 型号 | 测量范围 | 线性 | 分辨率 |
M icro-Epsi on | 1800.20 | ± 10mm | o ,1% | o ,01% |
Micro-Epsion | 2200.20 | ± 10mm | o ,03% | o ,005% |
MTl | MicroTRAK7000 | ± 20mm | 2 ,45um | |
Keyence | LS | ± 40mm | o ,05% | o ,Olum |
Keyence | LK.G150/155 | ± 40mm | 1% | 0.5um |
激光三角法以其结构简单、测量实时性高、使用灵活、精确度高、非接触性等优点被广泛地应用于生产和科研的很多领域,包括儿何参数检测、表面形貌测量、三维建模、逆向工程等[17]
差分激光三角法厚度绝对测量是将两组三角测量系统组合起来,最后通过标定,计算等过程得到待测件的厚度。该方法可以广泛地应用于测厚领域,具有结构简单、实时性高、精度较高等优点。该测量方式的原理图如下图1.3所示。
讠
激光器1探测器1
激光器2探瀏器2
图1弓差分激光三角法厚度绝对测量原理图
欧洲以及美国等发达国家很早就致力于激光三角法测量平板厚度的基础理论研究及测量仪器的研制[18H19],并己经发展出一系列产品。日本的安立.岩通公司、英国的真尚有科技有限公司、美国邦纳工程国际有限公司等公司都有此类产品,他们的相关产品代表了目前差分激光三角法厚度绝对测量的技术水平。
虽然国内在这方面技术上起步比较晚,但鉴于传统的测量技术有着很大的局限性,国内非常注重该技术的研究,也取得了一些较好的结果。从1987年8月电子工业部第二十五研究所完成国内首台激光测厚仪,到1991年中国科技大学研制出JW-I型CCD 激光测微仪,再到后来常州工学院研制出Antech-JGCH-01-380极片厚度在线测厚仪,国内的激光三角测厚研究也在快速发展,目前国内有多家公司活跃在电池极片激光测厚领域,包括佛山市枫莱尔自动化技术有限公司、上海达拉斯光电科技有限公司等。
但是由于两个探测器之间难以做到严格同步,当待测件存在较快的上下振动时,很难实现高精度的测量。同时该结构的激光出射角(图卜3中的e角)较大,粗糙表面形成的散斑对获得的图像有较大的影响,直接影响最后的测量精度。目前现有的技术能够将此类产品的测量精度做到十几个微米的精度,在进一步提高精度时遇到了较大的阻力,而且在测量锂电池极片这类表面对光的吸收较强的样品时,由于反射光太弱,直接导致测量的稳定性较差。
本课题的主要研究任务是针对现有的差分激光三角法厚度绝对测量的以上缺点,本文对其进行改进,研究出一种能满足与现有锂电池极片生产需求的测厚仪器。该仪器的主要组成结构包括激光器及成像系统、CCD、数据采集处理系统以及扫描系统等。全文内容分六章。
第一章:绪论,主要阐述课题的背景和意义,以及国内外现在的研究概况:
苫一一早:系统总体设计,主要阐述系统的组成模块以及各个模块的功能要求;
苫一二早:光学结构设计,主要阐述本系统的光学原理、对设计结果进行分析评价以及相关的机械结构设计:
第四章:软件设计,描述本系统的软件功能需求,以及本系统的关键算法思想。最后根据本系统的特点,建立待测件厚度与像之间的非线性模型,并进行误差分析;
第五章.实验误差分析,针对本系统影响较大的几个因素做相关的实验及结果分析,并提出相应的解决方案:
第六章:总结和展望,课题所做工作并对课题的前景作一定展望,并提出以后需要做的工作。
本章根据电池极片生产的具体要求和实际情况,提出电池极片厚度在线测量仪的总体设计方案与结构组成,即得到单CCD双光路三角法宽幅膜在线测厚仪的总体设计方案和结构组成。
现有的极片测厚系统中,射线测厚的精度最高,其最高的分辨率高达001um,测量精度达到± lum研究本系统的目的是逐渐取代射线测厚这种对人体有伤害的测厚方式,在满足测量要求的情况下,根据需求确定该系统的动态测厚精度要求为± 2um。在生产线上,极片可处于三种状态:空箔、单面涂刷、双面涂刷,这三种状态下对应的厚度范围为十几到几十微米、一百多微米、两百多微米。通常在生产线上极片会上下振动,般在Imm以内。因此,本系统的测量范围为0、3mm。同时,由于极片的均匀度也是一个需要关注的量,因此系统需要在垂直于极片运动的方向上做扫描测量。通常极片的宽度在300mm到600mm之间,因此本系统的扫描范围为650mm,以满足大部分厂家的生产要求。
根据这些要求,提出单CCD双光路三角法宽幅膜在线测厚仪的系统工作原理:上下
两激光器发出的光经过聚焦后分别照射到极片某一点的上下表面,两束激光经极片上下表面的反射之后,分别经过上下两组光路的会聚和反射,最后会聚到光路后方的CCD 上,形成两个光斑。采集卡将CCD输出的电信号转换为数字信号,并传输给工控机处理系统,然后由处理程序获取CCD的图像信息,并处理图片得到待测点的厚度,并作发送数据、保存、显示及报警判断等处理。系统的原理框图以及光学结构示意图如下图所示.
原理框图
由图2.1可知,本系统由光源、成像系统、图像探测器以及数据处理系统组成,系统对这些模块都有一定的要求,本节内容描述每个模块的要求,并根据要求选择合适的器件。
2之1光源
激光作为一种新型光源,以其相干性好、亮度高、方向性好等优点广泛应用于加工、测量等领域。按照工作物质分类,激光器可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等。半导体激光器又称激光二极管,虽然在相干性方面比氦一氖气体激光器差,但因具有其体积小,重量轻、效率高、运转可靠等优势,
在很多对相干性要求不高的领域(例如利用激光的高亮度、方向性好等特点的照明系统)得到广泛的应用。
本系统主要利用激光的亮度高、方向性好等特点,因此选用波长为650nm,功率为 5mw的半导体激光器作为系统的光源,并且由于激光器本身带有聚焦透镜,也使得本系统光源部分的结构相对简单。
2.2.2成像系统
如图2一2所示,成像系统由成像透镜,反射镜A以及反射镜BO由于成像系统的成像质量,包括焦距、像差以及能量分布等直接关系到整个仪器的可靠性和精度等,因此该系统需要专门设计并进行成像效果分析、像差分析等。
2.23图像探测器
图像探测器是将光信号转化为电信号的光电转换器件,常用的图像探测器有位置敏感器件(PSI))和电荷耦合器件(CCD)两种。
PSD是连续型模拟器件,具有较高的分辨率(0.2、0.3um),高于CCD的分辨率(微米量级),而且PSD也具有更高的响应速度,更优的线性度,更简单的后续处理等[20]。但是PSD在检测多个光斑时,其输出的结果是没有测量意义的。因此PSD无法对多个光斑进行检测。由于本系统成像结果是两个光斑,而且需要通过这两个光斑的位置来计算最后的测量结果,因此本系统最后选用CCD作为图像探测器。为了达到最后所需要的精度,图像处理过程中对CCD上光斑的定位需要做到亚像素级的精度。
2之4数据处理系统
数据处理系统的任务是将输入的数据信息进行加工、整理、运算等,输出人们容易接受的信息。常用的数据处理系统有基于单片机的数据处理系统、基于DSP技术的数据处理系统以及基于pc机的数据处理系统等。
本系统中的功能是将CCD上的电信号通过数据采集卡采集到处理系统中,通过编程对图像进行处理,最后计算得到待测物的厚度,并对测量结果作显示、输出和存储等处理,根据这些功能需求,本系统选用能满足使用要求,成本相对低廉的基于pc机的数据处理系统。并使用基于VC++开发该系统的软件处理系统。
软件功能主要包括设备的初始化,参数设定,数据采集处理,结果显示保存及输出,
超差报警,出错显示等。主要工作流程如下:首先对系统进行初始化,并对必要的参数进行设置,然后依次进行采集图片、处理图片、计算厚度,最后对计算出来的结果进行判断,根据判断的结果做出保存、输出或者报警等动作。
本章主要根据系统的总体要求提出合理的系统方案,详细描述系统光源、成像系统、图像探测器、图像处理系统等模块的功能、要求以及方案的选择。