专利名称：一种线状激光窄带滤光psd热辐射板厚测量方法
一种线状激光窄带滤光PSD热辐射板厚测量方法
技术领域：
本发明属于光学测量、光电检测技术领域。特别是利用PSD光电位置传感器、采用 光学差动法测量热辐射钢板厚度。背景技术：
工业生产中，传统的离线接触式测量法只能对原材料、零部件等的尺寸进行测量，
而无法对生产流水线上的产品的尺寸进行实时测量，如果能对生产线上的产品进行实时测
量，就可以减少原料浪费、降低生产成本、提高生产效益。
目前应用最广泛的一种非接触式测量法是一单光路结构光学三角法。 采用传统单光路结构(激光垂直入射)光学三角法测量厚度时，为了减小离焦对测
量产生的影响，系统必须满足Scheimpflug条件，即入射光线、PSD光敏面、透镜主光轴
三者延长相交于一点。其测量原理图见附图l，计算公式为-
- xZn sin O
群2 =
她=
A sin a + x sin(a + O)
}丄0 sin <!> sin a + y sin(a + d>)
丄/，一/,
(1)
(2)
(3)
(4)
2 ^+A
其中仏、A为标准样品的上下表面(为描述方便，在此把与样品厚度相关的两表面称
为上下两表面，下同)，/ -A仏为标准样品的厚度。92、 ^为待测样品上下表面，// = / 2&
为待测样品的厚度，AA、 ^&为待测样品上下表面与标准样品上下表面之间的距离。^
为待测样品下表面与标准样品下表面所对应的光斑在PSD上产生的偏移量；少为待测样
品上表面与标准样品上表面所对应的光斑在PSD上产生的偏移量。￡。为激光在标准样品
上的入射点C到透镜中心O的距离；A为PSD中点C'到透镜中心O的距离。C、 C'是关 于透镜的一对物像共轭点。a为从标准样品表面反射光线与标准样品表面法线所成的角； O)为PSD光敏面与透镜光轴的夹角。由于上下表面测量光路是完全对称的，所以Z。、 ^、
a、 0>在式(1)和式(2)中取相同的值。x、 Y通过式(4)来计算，其中Z为PSD敏
感区长度，/,、 /2为PSD两端输出的电流，；c、 y的符号由/p /2的相对大小来确定。而
/,、 /2分别是由PSD的哪一端输出的电流可以按如下方法确定，取两块已知为不同厚度
的标准样品，首先用厚度较小的样品来较准系统，使激光经该样品反射后在PSD上所形 成的光斑正好在PSD的光敏面中心位置，然后将样品换为厚度较大的样品，这样光斑会 偏离PSD光敏面中心而偏向PSD的某一端，光斑所偏向的这一端(即离光斑近的端)输
出的电流就是/2，另一端输出的电流就是A。如图1所示，当样品由厚度较小的^变为 较大的时，光斑向右移动，所以右端输出的电流就是/2，左端输出的就是/,。根据 PSD的结构及产生电流的机理可知/2大于/" PSD的结构具有如下特点从光斑处把PSD
分为两段，这两段等效为两个并联的电阻，离光斑近的那一端电阻小，离光斑远的那一端 电阻大，而PSD产生的电流分流向两端，电阻大的电流就小，电阻小的电流就大，所以
离光斑近的那端因为电阻小而输出的电流/2就大，而另一端则相反，输出的电流/,要小些。
目前的光学测量系统中使用的光源多数为点光源，这种光源在PSD表面产生的光斑 为具有一定面积的圆光斑，因此，这种测量系统在定位时会产生一定的误差而影响测量的
准确性。
另外，工业生产的环境往往比较恶劣，如高温、辐射等等，所以不适合工作人员对 测量仪器进行长时间较准，当测量系统由于震动或使用时间过长而出现角度倾斜时，就需 要对系统进行较准，否则会带来很大的测量误差。另外如果待测样品处于不规测的运动状 态，比方说跳动、振动等，也会产生角度倾斜。如果测量系统采用的是单光路结构光学三 角法就无法对这种角度倾斜所引起的测量误差进行补偿，如附图2所示(只画出样品下表
面情况，上表面类似)，乃为标准样品的下表面，A为待测样品下表面，^'为产生角度
倾斜的待测样品下表面，在没有角度倾斜时，PSD光敏面上光斑偏移量为;c，发生倾斜时
PSD光敏面上光斑偏移量变为x，由式(1)知，^的测量值会产生较大误差。因此，
在较恶劣的生产环境或者其它存在角度倾斜的情况下，单光路结构光学三角法的应用受到 限制。
发明内容
本发明的目的就是解决单光路结构光学三角法的局限性及点光源存在较大误差的问 题，提出一种线状激光窄带滤光PSD热辐射板厚测量方法。该方法可以在恶劣生产环境 中对热辐射板进行实时非接触式测量。
双光路结构光学差动法，其测厚原理见附图3。测量原理是利用PSD的横向光电效 应，由激光器发出的光经待测物表面反射，再经由特定光学系统照射到PSD上，光信号
被PSD转变为电信号输出，最后对电信号进行一系列的运算处理就可以算出待测物的厚 度。与当前应用最广泛的一种非接触式测量法一单光路结构光学三角法相比，本发明采用 的双光路结构光学差动法具有一定的优越性。
双光路结构光学差动法对角度偏差所引起的误差具有一定的补偿作用，如附图4所 示，由于测量装置发生倾斜可以等效为待测样品发生倾斜，所以在图4中为了方便起见只
画了待测样品发生倾斜，并且只画了下表面的情况，上表面类似。A为标准样品的下表面，
^为待测样品下表面，^'为产生角度倾斜的待测样品下表面，没有角度倾斜时激光光斑
在两PSD上的偏移量分别为:c。 x2，当测量系统或待测样品发生轻微的角度倾斜时，两
PSD光敏面上的光斑会向同一个方向移动，使得偏移量分别变为;c,'和;^ ，图4中;c,减小
为A， A增大为A'，而(A+X2)的值与(j^'+、)的值相比不会有大的偏差，由式(5)(见
下页)可以看出，^的值在待测样品发生倾斜时不会有太大变化，所以，角度偏差得到 一定程度的补偿。
本发明提供的线状激光窄带滤光PSD热辐射板厚测量方法，依次包括 第一、测量光路的设置与校准，将已知厚度h的标准样品放置于移动架上，在标准 样品两侧对称安置一对或两对测厚探头，测厚探头内部集成有线状激光器、窄带滤光片、 透镜、PSD位置传感器及信号处理电路板；令测厚探头内部的线状激光器发出线状激光并 射到标准样品上，反射回来的激光经探头内部窄带滤光片再经透镜会聚，最后在PSD上 形成光斑，调整激光的入射角度使光斑位于PSD中心；
第二、将标准样品换成待测样品，令测厚探头内部的线状激光器发出的线状激光射
到待测样品上，反射回来的激光在PSD上形成光斑，并在PSD两端各输出两路电流/, 、 /2;
第三、电流信号与电压信号的转换，通过信号处理电路板中的处理电路把电流信号
转变为电压信号并对其进行放大，转换关系式为t/2=^2/2，其中CZ,、 ^为转
换后输出的电压信号、/,、 /2为从PSD两端输出的电流，&、 i^为与信号处理电路有关 的常数；
第四、光斑偏离PSD中心距离x或y的计算，将信号处理电路板输出的电压信号CA 、 "2输入到DSP数字信号处理系统，由公式^ =会^^* = ^^得出光斑偏离
PSD中心的距离x或y,其中L为PSD光敏面长度；
第五、待测样品上下表面(为描述方便，在此把与样品厚度相关的两表面称为上下
两表面，下同)与标准样品对应的上下表面之间距离的计算，根据上步得到的光斑偏离 PSD中心的距离x或y，可以得出待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间的距
离；y^、附2;
第六、计算待测样品厚度H，按照公式i/z/z + AA+仏^，即可得出待测样品的厚
度，其中h为标准样品厚度，aa、仏^分别为上步得到的待测样品上下两表面相对标
准样品对应的上下两表面的距离。
在上述的测量方法中，所述的位移架可以安装在导轨上，同时该位移架通过传动轴 连接步进电机，步进电机带动位移架沿导轨移动，以实现待测样品厚度的实时动态测量。
上述测量方法的第一步中，可以在标准样品两侧对称安置一对测厚探头，构成单光 路测量系统，激光垂直入射标准样品或待测样品表面，并满足Scheimpflug条件，即入射 光线、PSD光敏面、透镜主光轴三者延长相交于一点；
第五步中待测样品上下表面与标准样品上下表面之间的距离通过如下公式计算，
xLn sin①
AA=-，1—- (1)
A sin a + x sm(a + O)
- _yZn sin <!> ,"、
他=-^"2- (2)
A sin a +少sm(a + <!>)
=/j + ;^2+^《2 (3)
其中，仏、A为标准样品的上下表面，A-AA为标准样品的厚度，&、 A为待测
样品上下表面，// = 为待测样品的厚度，AA 、仏^为待测样品上下表面与标准样品
对应的上下表面之间的距离，丄。为激光在标准样品上的入射点c到透镜中心o的距离，A
为PSD中点C'到透镜中心O的距离，a为从标准样品表面反射光线与标准样品表面法线 所成的角，O为PSD光敏面与透镜光轴的夹角。
上述测量方法的第一步中，还可以在标准样品两侧对称安置两对测厚探头，构成双 光路结构测量系统；
第五步中待测样品上下表面与标准样品上下表面之间的距离通过如下公式计算，
:dY12) 、 (5)
—*3(X1 +X2)<formula>formula see original document page 8</formula> (6)
<formula>formula see original document page 8</formula> (7)
<formula>formula see original document page 8</formula>
(8)
其中，^K、 ^为待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间的距离，A、 A为标准样品的上下表面，/^^为标准样品的厚度。A、 A为待测样品上下表面， ^ = ^为待测样品的厚度。A、乇分别为下侧两PSD在测量待测样品下表面与标准样 品下表面之间的距离时光斑在PSD上产生的偏移量；兀、^分别为上侧两PSD在测量待
测样品上表面与标准样品上表面之间的距离时光斑在PSD上产生的偏移量。&、 & 、 ^为
与测量系统有关的常数。
其中常数&、 &、 ^可以根据系统所要达到的技术指标来设计这三个参数，
&=￡Og0， &=2c/'-ZGg0， &=&0 ， d为透镜到标准样品表面的距离，9为入射激光
与标准样品表面所成的夹角，J'为透镜到两PSD所在平面的距离，Z)为两PSD中心间的 距离同时也是标准样品表面反射的激光在两PSD表面形成的光斑间的距离，参见图3。
A、 jc2、 ^、 A都是通过式(8)计算得出的，它们的符号由/,、 /2的相对大小决
定，其中L为PSD敏感区长度，/p A为PSD两端输出的电流。确定/p A分别从PSD
的哪一端流出的方法与单光路结构相似，取两块已知为不同厚度的标准样品，首先用厚度 较小的样品来较准系统，使两路激光经该样品反射后在两PSD上所形成的两光斑正好分 别处在两PSD的光敏面中心位置，然后将样品换为厚度较大的样品，这样光斑会偏离PSD 光敏面中心而偏向PSD的某一端，光斑所偏向的这一端(即离光斑近的端)输出的电流
就是/2，另一端输出的电流就是A。同样的道理/2大于/,。这样由式(8)知，此时的、、 A、 M、 h都大于零，所以^、 ^也大于零，所以H大于h，与前面用来确定/,和^ 的两样品厚度符合。还可以用一块比h更薄的样品来检验前面确定/,和/2分别由PSD哪 端流出的方法的合理性，换成比h更薄的样品后，光斑会远离输出电流为/2的那端，因此
/2会小于/,，由(8)式所得出的;c,、 x2、力、力都小于零，所以^K、:也小于零，
所以H就小于h，因此前面用来确定/,和/2分别由PSD哪端流出的方法是合理的。AA为
待测样品下表面与标准样品下表面之间的距离，通过式(5)来计算。^为待测样品上 表面与标准样品上表面之间的距离，通过式(6)来计算。
本发明的优点和积极效果
本发明提供了改进的单光路结构和双光路结构两种非接触式热辐射板厚测量法。
由于本发明采用的是线状激光器作光源，激光光斑是线状的，与其他形状激光相比 有其优越性，PSD可以比较容易的接收到样品反射的激光并使光斑的定位准确。
激光器发出的光经样品表面漫反射后，再经窄带滤波片。窄带滤波片可以去除大部 分背景光，这样可以提高系统的测量精度。
激光测量信号首先经PSD后转变为微小的电流信号，再通过I-V转换和放大后送入 DSP进行数据处理，得出准确的待测样品厚度，并通过LCD显示出来。
本发明提供的双光路结构的测量方法是一种能对由测量系统倾斜引起的角度偏差进 行一定程度补偿的非接触式实时测量方法——光学差动法，该方法光路结构简单，无需满 足Scheimpflug条件，改变两激光器之间的距离和入射角即可以改变测量范围与分辨率， 另外由于DSP强大的数据处理能力，所以可以实现实时测量。在恶劣的生产环境中，采 用本发明的测量系统无需因为发生了角度倾斜而对其进行校准，因而有着一定的优越性。 另外本系统对于处于不规则运动状态的待测样品厚度的测量也具有一定的优越性，例如生 产流水线的跳动前进的钢板肯定会出现角度倾斜现象，采用本系统测量可以减小误差。
图l是单光路结构(垂直入射)光学三角法测量厚度原理图。
图2是单光路结构角度倾斜误差示意图。
图3是双光路结构光学差分法测量厚度原理图。
图4是双光路结构角度偏差补偿示意图。
图5是测厚装置示意图。
图6是实际测量的数据曲线图。
1、线状激光器，2、窄带滤光片，3、透镜，4、 PSD位置传感器，5、测厚探头，6、 DSP数字信号处理系统，7、 LCD显示器，8、步进电机，9、传动轴，10、位移架，11、 导轨，12、待测样品。
具体实施方式
实施例l:单光路测量方法
如图1所示，本发明采用的是线状激光器作光源，激光光斑是线状的，与其他形状 激光相比有其优越性，PSD可以比较容易的接收到样品反射的激光并使光斑的定位准确。
其余结构与背景技术中的结构相同，其中，1、线状激光器，2、窄带滤光片，3、透 镜，4、 PSD位置传感器。
实施例2:双光路测量方法
如图5所示，将待测样品12固定在位移架10上，步进电机8通过传动轴9带动位 移架以一定速度沿导轨11移动，以实现实时动态测量待测样品厚度。
第一、测量光路的设置与校准，将已知厚度h的标准样品放置于移动架10上，在标 准样品两侧对称安置两对测厚探头5，测厚探头内部集成有线状激光器、窄带滤光片、透 镜、PSD位置传感器及信号处理电路板；令测厚探头内部的线状激光器发出线状激光并射 到标准样品上，反射回来的激光经探头内部窄带滤光片再经透镜会聚，最后在PSD上形 成光斑，调整激光的入射角度使光斑位于PSD中心；
第二、将标准样品换成待测样品12，令测厚探头内部的线状激光器发出的线状激光射
到待测样品上，反射回来的激光在PSD上形成光斑，并在PSD两端各输出两路电流/, 、 /2;
第三、电流信号与电压信号的转换，通过信号处理电路板中的处理电路把电流信号转 变为电压信号(I一V转换)并对其进行放大，转换关系式为C/,-《/。 t/2=K2/2，其中K、
K为转换后输出的电压信号、A、 A为从PSD两端输出的电流，《、《2为与信号处理电 路有关的常数；
第四、光斑偏离PSD中心距离x或y的计算，将信号处理电路板输出的电压信号^、
C/2输入到DSP数字信号处理系统6，由公式1 =会^1^%=会^^得出光斑偏离
PSD中心的距离x或y，其中L为PSD光敏面长度；
第五、待测样品上下表面与标准样品对应上下表面之间距离的计算，根据上步得到的 光斑偏离PSD中心的距离x或y，可以得出待测样品上下表面与标准样品对应上下表面之
间的距离AA、
第六、计算待测样品厚度H，按照公式V-A + ^K + :，即可得出待测样品的厚度，
其中h为标准样品厚度，^、 ^分别为上步得到的待测样品上下两表面与标准样品
对应的上下两表面之间的距离。
第七、最后把DSP系统中得出的最后结果输出到LCD显示器7，显示出待测样品的厚度。
上述步骤中，所有在DSP系统中进行的处理包括把测量结果输出到LCD显示器都 是通过一个程序自动完成的。
应用例子Low-E膜反应器位移测量
由于在高温条件下进行位移测量时，Low-E膜反应器与测量仪容易产生角度偏差，所 以传统的光学三角法有一定的局限性，利用本发明方法可以克服光学三角法不能进行角度 补偿的问题，提高了测量的重复性。
在实验室内搭建了实验平台，实验数据表明，系统精度可达到10um。应用此方法对 被测物进行重复位移测量实验，每次位移距离为0.20mm (相当于标准样品与待测样品表 面间的距离)，图中上方的,线为第一次测量的数据曲线，下方的曲线为第二次测量的曲 线，由图6可见，测量的重复性良好。
权利要求
1.一种线状激光窄带滤光PSD热辐射板厚测量方法，其特征是该方法依次包括第一、测量光路的设置与校准，将已知厚度h的标准样品放置于移动架上，在标准样品两侧对称安置一对或两对测厚探头，测厚探头内部集成有线状激光器、窄带滤光片、透镜、PSD位置传感器及信号处理电路板；令测厚探头内部的线状激光器发出线状激光并射到标准样品上，反射回来的激光经探头内部窄带滤光片再经透镜会聚，最后在PSD上形成光斑，调整激光的入射角度使光斑位于PSD中心；第二、将标准样品换成待测样品，令测厚探头内部的线状激光器发出的线状激光射到待测样品上，反射回来的激光在PSD上形成光斑，并在PSD两端各输出两路电流I1、I2；第三、电流信号与电压信号的转换，通过信号处理电路板中的处理电路把电流信号转变为电压信号并对其进行放大，转换关系式为U1＝K1I1、U2＝K2I2，其中U1、U2为转换后输出的电压信号、I1、I2为从PSD两端输出的电流，K1、K2为与信号处理电路有关的常数；第四、光斑偏离PSD中心距离x或y的计算，将信号处理电路板输出的电压信号U1、U2输入到DSP数字信号处理系统，由公式或得出光斑偏离PSD中心的距离x或y，其中L为PSD光敏面长度；第五、待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间距离的计算，根据上步得到的光斑偏离PSD中心的距离x或y，可以得出待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间的距离第六、计算待测样品厚度H，按照公式即可得出待测样品的厚度，其中h为标准样品厚度，分别为上步得到的待测样品上下两表面相对标准样品对应的上下两表面的距离。
2、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于第一步中，在标准样品两侧对称安 置一对测厚探头，构成单光路测量系统，激光垂直入射标准样品或待测样品表面，并满足 Scheimpflug条件，即入射光线、PSD光敏面、透镜主光轴三者延长相交于一点；第五步中待测样品上下表面与标准样品上下表面之间的距离通过如下公式计算， 仏？2 =- "JA sin a + _y sin(a +//=/j + ;^j 2+仏& (3)其中，仏、A为标准样品的上下表面，力=凡仏为标准样品的厚度，《2、 ^为待测样品上下表面，//=^2《2为待测样品的厚度，AA、仏《2为待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间的距离，丄。为激光在标准样品上的入射点c到透镜中心o的距离，A为PSD中点C'到透镜中心O的距离，a为从标准样品表面反射光线与标准样品表面法线所成的角，①为PSD光敏面与透镜光轴的夹角。
3、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于第一步中，在标准样品两侧对称安 置两对测厚探头，构成双光路结构测量系统；第五步中待测样品上下表面与标准样品上下表面之间的距离通过如下公式计算， ^= &(x1+x2) (5)附2 =——~~^~ (6)//= A + PA +仏《2 (7)其中，AP2、《&为待测样品上下表面与标准样品对应的上下表面之间的距离，A、 A、 M、 ^分别为两路光学系统测得的待测样品上下表面与标准样品对应的i:下表面所 产生的光斑偏离PSD中心的距离，&、 it2、 ^为与测量系统有关的常数。
4、根据权利要求1-3中任一项所述的测量方法，其特征是所述的位移架安装在导轨 上，同时该位移架通过传动轴连接步进电机，步进电机带动位移架沿导轨移动，以实现待 测样品厚度的实时动态测量。
全文摘要
一种线状激光窄带滤光PSD热辐射板厚测量方法。该测量方法通过线状激光器发出激光照射到样品表面，从样品表面漫反射回的光，经窄带滤光片和透镜后射到PSD光敏面上，在光的作用下PSD两侧输出两路电流信号，对PSD输出的电流信号进行处理，得出测量的厚度。测量系统采用双光路结构光学差动测量法，该方法对测量系统由于角度倾斜引起的角度偏差具有一定的补偿作用，比较适合在恶劣的工业生产环境进行实时非接触测量。
文档编号G01B11/06GK101373134SQ20081015245
公开日2009年2月25日 申请日期2008年10月24日 优先权日2008年10月24日
发明者刘铁根, 铫 张, 李宝强, 江俊峰, 鑫 阳 申请人:天津大学