一种宽幅柔性板厚度实时检测装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种宽幅柔性板厚度实时检测装置及方法，该装置包括上、下表面测距单元，上、下导轨，上、下滑块；上、下导轨平行放置，上、下滑块分别沿上、下导轨滑动，上、下表面测距单元分别与上、下滑块固连，上滑块和所述下滑块同步运动；所述上、下表面测距单元均包括激光位移传感器、激光结构光源、摄像机和半透半反镜；半透半反镜法线方向与激光位移传感器的光线出射方向成135°，与激光结构光源出射方向成45°，且三者在同一平面内；摄像机的镜头朝向半透半反镜。本发明的方法包括以下步骤：1）对上表面测距单元进行标定；2）对下表面测距单元进行标定；3）对厚度检测装置进行标定；4）对厚度进行检测。本发明可以广泛应用在宽幅柔性板厚度实时检测中。
【专利说明】一种宽幅柔性板厚度实时检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种厚度实时检测装置及方法，特别是关于一种宽幅柔性板厚度实时 检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]一般A2级防火材料板的生产需要首先将无机阻烧材料与有机胶混合，经振动加 工辊挤后加热固化，形成厚度均匀的3_柔性板材，成型后，再将芯板与上下两面铝板分别 粘接。为提高生产效率并稳定产品质量，A2级防火材料板的生产需要进行全线自动化。为 实现对防火板的厚度、平整度、缺陷、粘接强度等在线质量控制，其中经热固得到的芯板厚 度及表面状态是反映生产过程状态的重要指标，对其进行实时检测是实现整个生产线自动 化及质量控制的重要前提，为质量检验、工艺改进和生产线管理提供基础。
[0003]工业生产中使用的非接触式厚度检测系统多采用0形或C形结构，将两个传感器 分别固连于机构的上下悬臂，条形或带形材料在两者之间连续地通过，由上下两个传感器 分别测得的到对应表面的距离与两个传感器彼此之间的距离之差即为被测材料的厚度。非 接触式传感器通常采用激光位移传感器、电涡流传感器、电磁传感器、超声波传感器、辐射 传感器等。其中激光位移传感器是利用激光三角测距原理，由半导体激光器发射出的激光 束在经被测物体表面反射后，再经透镜投射到线阵CXD上，并将线阵CXD上的光点位置经过 三角函数计算得到位移传感器到被测物体表面的距离。该方法精度可达到微米级，广泛应 用于位置、位移、厚度等工业测量领域。
[0004]美国Moduloc公司的MLC/MLM/MLS激光测量系统采用一对激光位移传感器，在待 测板材上下分别进行到板材表面距离的测量，再通过算得到厚度的测量值d， 其中d表示测量值，H表示两个激光位移传感器之间的距离，:h表示上方位移传感器得到的 测量值，#表示下方位移传感器得到的测量值。该装置固定使用时只能测量固定位置上的 厚度值，而无法获得待测板材方向上厚度值的变化。德国MicroEpsilon公司的MTS8202.LLT CFK Cclamp宽幅板厚度测量系统采用了 C形框架结构，将一对激光位移传感器分别固 定于框架的上下悬臂，C形框架在导轨上作沿待测板材宽度方向的往复运动，以实现板材宽 度方向全程的厚度测量。采用激光点或激光条三角测距原理分别获得两个位移传感器到待 测板材上下表面的距离，再利用位移传感器之间的距离与标准厚度板的标定结果得到厚度 测量结果。
[0005]现有方法存在如下的问题:对于在板材送进方向上存在倾斜的待测板材，采用激 光点三角测距方法无法对其倾斜进行修正，而激光条三角测距法也只能修正板材送进方向 的倾斜角带来的测量误差，而对于A2级防火材料芯板来说，板材宽度较大且材料具有一定 柔性，在送进方向与宽度方向上都可能存在一定的弯曲或倾斜，激光测距传感器的激光指 向方向与柔性板材的局部平面可能是非垂直的，若采用现有方法进行测量和计算，将有较 大的厚度测量误差。
[0006]采用激光点三角测距原理进行厚度测量时，计算厚度的传统方法如下式所示:[0007]d = D+iho+ahg-1h-ah
[0008]但在待测柔性板材相对于测量激光入射方向非垂直时存在测量误差，测量时的系统误差如下式所示:
[0009]
【权利要求】
1.一种宽幅柔性板厚度实时检测装置，其特征在于:它包括上表面测距单元、下表面测距单元、上导轨、下导轨、上滑块和下滑块；所述上导轨与所述下导轨平行放置，所述上滑块沿所述上导轨滑动，所述下滑块沿所述下导轨滑动，且所述上表面测距单元与所述上滑块固连，所述下表面测距单元与所述下滑块固连，且所述上滑块和所述下滑块同步运动；所述上表面测距单元和下表面测距单元均包括固定在盒体内的激光位移传感器、激光结构光源、摄像机和半透半反镜；所述半透半反镜法线方向与所述激光位移传感器的光线出射方向成135°，与所述激光结构光源出射方向成45°，且三者在同一平面内；所述摄像机的镜头朝向所述半透半反镜。
2.如权利要求1所述的一种宽幅柔性板厚度实时检测装置，其特征在于:所述激光位移传感器接收端前方放置有一激光位移传感器滤光片，所述摄像机镜头前方放置有一摄像机滤光片。
3.如权利要求1或2所述的一种宽幅柔性板厚度实时检测装置，其特征在于:所述激光位移传感器的激光波长为X1，所述激光结构光源采用单圆、同心多圆、十字交叉、网格和网点中的一种，激光波长为入2，并满足下式:
4.如权利要求3所述的一种宽幅柔性板厚度检测装置，其特征在于:所述激光位移传感器滤光片为窄带通滤光片，中心波长为X1，半带宽不大于IOnm;所述摄像机滤光片为窄带通滤光片，中心波长为X 2，半带宽不大于10nm。
5.如权利要求1到4任一项所述的一种宽幅柔性板厚度检测装置，其特征在于:所述摄像机包括镜头与图像传感器，其中所述图像传感器采用CCD、CMOS和光电转换器件中的一种。
6.一种采用如权利要求1到5任一项所述装置实现的宽幅柔性板厚度实时检测方法， 其包括以下步骤:1)对上表面测距单元进行标定；2)对下表面测距单元进行标定；3)对厚度检测装置进行标定；4)对厚度进行检测。
7.如权利要求6所述的一种宽幅柔性板厚度实时检测方法，其特征在于:所述步骤I) 中对上表面测距单元进行标定包括以下步骤:①记摄像机光心坐标系为{CJ，摄像机对应的图像坐标系为{ImJ，(XD摄像机标定过程中第n个标定板空间位置对应的标定板坐标系为{Sln}；②对摄像机进行标定，得到摄像机内部参数Lfx,ify, iU0, ,其中A:f`y为镜头光心坐标系X，Y方向上的等效焦距，(lU(l，lV(l)为镜头光轴与图像平面交点在图像坐标系中的坐标；③对激光结构光源与摄像机相对位置进行标定:将标定板放置于摄像机前方，将激光结构光投射于标定板上，变换标定板位置，拍摄一系列图像，其中n = 1，2，...，N，N >4，右上标calib表示该图像用于标定，提取图像/激光光条上不共线的五个特征点，分别记为尤 尤尤W，其位置关系满足:Ax2, W共线、W，尤Z共线；特征点在图像坐标系中的坐标记为U，乂)'将摄像机光心坐标系记为 1XaYaZc,第n个标定板坐标系记为AnlXnlYnlZn，将两坐标系之间的转换矩阵记为L1Rn Jn]，标定板的各个角点在 1XaYaZe中的坐标记为Gd,4)，由标定板图案角点位置关系知其在A1XnlYnlZn中的坐标为(乂，‘0)，图像Jf?上角点的像素坐标为(AM)，三者关系满足以下两式:
8.如权利要求6所述的一种用于宽幅柔性板厚度实时检测方法，其特征在于:所述步骤2)中对下表面测距单元进行标定包括以下步骤:①记摄像机光心坐标系为{C2}，摄像机对应的图像坐标系为{Im2}，摄像机标定过程中第n个标定板空间位置对应的标定板坐标系为{S2n}；②对摄像机进行标定，得到摄像机内部参数{2fx，2fy,2U0,2V0},其中2fx, 2fy为镜头光心坐标系X，Y方向上的等效焦距，(2U(I，2V(I)为镜头光轴与图像平面交点在图像坐标系中的坐标；③对激光结构光源与摄像机的相对位置进行标定:将标定板放置于摄像机前方，将激光结构光投射于标定板上，变换标定板位置，拍摄一系列图像，其中n = 1，2，...，N， N >4，右上标calib表示该图像用于标定，提取图像W激光光条上不共线的五个特征点， 分别记为，其位置关系满足:共线，4°，尤W共线;特征点在图像坐标系中的坐标记为(X，X);将摄像机光心坐标系记为20C2XC2YC2Z。，第n个标定板坐标系记为2On2Xn2Yn2Zn，将两坐标系之间的转换矩阵记为[2Rn 2Tn]，标定板的各个角点在 20C2XC2YC2ZC中的坐标记为，由标定板图案角点位置关系知其在2On2Xn2Yn2Zn中的坐标为K2>《,o)，图像2/广"上角点的像素坐标为(乂三者关系满足以下两式:
9.如权利要求6所述的一种用于宽幅柔性板厚度实时检测方法，其特征在于:所述步骤3)中对厚度检测装置进行标定包括以下步骤:将厚度为D的标准板置于上下正对安装的上表面测距单元与下表面测距单元之间，变化标准板的角度，从上表面测距单元与下表面测距单元中分别得到一系列测量值LhJ与UU ;上表面测距单元中的激光结构光源投射在标准板上表面的五个特征点尤尤尤在上表面测距单元中的摄像机拍摄的图像中坐标分别为(乂，⑷，下表面测距单元中的激光结构光源投射在标准板下表面的五个特征点在下表面测距单元中的摄像机拍摄的图像中坐标分别为i = O，1,2, 3,4, m = 1，2，...，M，M为标定次数；点j:在上表面测距单兀中摄像机光心坐标系lOC1XclYclZc中的坐标(1-Y0*> l}'c?n lZCn,)丨两足以下三式:
10.如权利要求6所述的一种用于宽幅柔性板厚度实时检测方法，其特征在于:所述步骤4)中对厚度进行检测包括以下步骤:将待测板放置于上表面测距单元与下表面测距单元之间，得到上表面测距单元中的激光位移传感器的测量值为 >，上表面测距单元中的激光位移传感的测量值为2h，下表面测距单元中的摄像机拍摄的图像为J，下表面测距单元中的摄像机拍摄的图像为21 ；图像J中投射在待测板上表面的激光的五个特征点分别为点Z与四个端点 iP1，iC，iP4，通过图像处理，得到iP-P1，J2、K1P4的图像坐标分别为i = 0，1,2, 3,4 ；图像21中投射在待测板下表面的激光的五个特征点分别为点2P°与四个端点2p1、1p2、1p3、1p4通过图像处理，得到2P°，2p1，2p2，1p3，#4的图像坐标分别为(2必乂)，i = 0，1,2, 3,4 ；点iP1在上表面测距单元中的摄像机光心坐标系1XaYaZc中的坐标，i4)满足以下三式:
【文档编号】G01B11/06GK103438810SQ201310348728
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】都东, 邹怡蓉, 戢仁和, 曾锦乐, 王力, 陈建明 申请人:清华大学, 江苏协诚科技发展有限公司