激光传感器测厚方法及测厚装置的设计【文献综述】

毕业设计开题报告

测控技术与仪器

激光传感器测厚方法及测厚装置的设计

1前言部分（阐明课题的研究背景和意义）

随着我国经济的迅速发展，市场经济的竞争日益激烈。由于现代工业的快速发展，单一的金属或合金已难以完全满足现代化生产对材料综合性能的需求,因此人们发展了复合材料。复合材料是为达到预期的使用特性将两种或两种以上材料通过物理或化学的复合方法，在宏观上组成了具有新性能的材料［1］。

金属基复合材料作为复合材料中的一个重要代表，以金属、合金或金属间化合物为基体, 将高强度的第二项为增强体而制得的复合材料［2］。金属基复合材料是近年来迅速发展起来的高性能材料之一,最早应用于航空、航天和军事领域。随着科学技术的不断发展，新型制造方法的出现，金属基复合材料正越来越多地应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域，将在各个领域发挥广阔的应用前景［3］。

由于金属基复合材料的应用领域的扩大，复合材料生产线也将随之增多。此外，我国加入世界贸易组织后，随着国际化的经济往来，用户对于产品质量的要求越来越高。在此，对于复合板材的生产过程对复合板材质量的严格把关是迫切需要的。复合板材的质量取决于板材的厚度，则需要实时监测复合板材的厚度。现针对国内中小型金属复合板材企业的板厚测量方式进行改良，结合现代化测试技术，运用计算机数据处理及国内外相关的、成熟的监测理论，进行金属复合板厚度在线监测系统的设计研究［4］。

二、主题部分

1复合板材测厚在国内外发展现状

在复合板材的生产过程中，对于精轧后的复合板材厚度精度检测有着较高要求的工序中，采用测厚传感器进行在线测量。现阶段的测厚传感器主要有电容传感器、电涡流传感器、超声波传感器、激光传感器等，以不同的测量原理在不同的生产线上和生产环境发挥了各自的优点。但是由于生产设备的和实际情况，在使用时有着不同的局限性。其中：

（1）电容传感器

电容传感器是将被测参数（如位移、力、速度）变换成电容量的测量装置。电容式传感器是用于精密测量的非接触式器件，可测量导电目标或绝缘材料的厚度与密度。电容式传感器的测量结果与被测材料的性质无关。电容式位移传感器的分辨率为纳米、频率响应为20KHz以上，测量范围为10μm

10mm。电容式传感

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器对传感器与被测物之间的间隙材料非常敏感。因此，在灰尘、喷雾流体或金属碎片等恶劣环境中，电容式传感器将不起作用。电容式传感器的优点为测量范围大，灵敏度高，动态稳定性好，非接触式测量；缺点为寄生电容影响较大，当电容传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性［5］。

（2）电涡流传感器

电涡流传感器是根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，即电涡流，上述现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流传感器的分辨率为纳米，频率响应在80KHz以上，测量范围为0.5mm

15mm。电涡流传感器不受污染物的影响，可在恶劣环境和浸入式液

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体中工作。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。但是受到探测器线圈和目标尺寸、二者的距离以及目标材料的影响［6］。

（3）超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波传感器的测量范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波遇到空气湍流、气流以及不同密度的空气层都会使声波发生折射，或者产生回波，信号被削弱或转移到接收区

域外［7］。

（4）激光传感器

激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器［8］、激光检测器和测量电路组成。激光传感器测距的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合［9］。

现代厚度传感器可分为接触式和非接触式两类。接触式传感器通常采用两个相同的位移传感器分别安装于被测材料的上下两面，将两个传感器的测量值平均，以提高测量精度。接触式厚度传感器可测量移动速度较低的材料,精度可达0.1～1％。接触式测厚方法对所测材料的成分不敏感，在测量过程中板材厚度与探头的气压、温度有关。当探头气压超过0.3 MPa时,板材越厚,测量精度越低；理想条件下的环境温度为25 ℃,此时的测量精度最高10］。非接触式厚度传感器适用于连续快速的测量。

2 复合板材测厚的研究方向

金属基复合板材加工过程比较复杂，在复合板生产过程中进行在线测量，可以及时了解复合板的厚度情况，达到实时记录、分析、调整板材烧结厚度的目的，并且将金属板材厚度公差控制在±0.01mm以内［11］。由于被测板材表面为非金属层，而且该工艺过程对板材表面的光洁度要求较高，不允许在被测表面留下划痕，所以选择非接触式测量方法。根据上述板材的情况及其工况，经过分析比较各种非接触式传感器的特点，最终采用激光测距传感器。

目前，在工业机械领域或现场应用中，最常用的是激光测距传感器，这种传感器同时结合了分辨率高和测量范围广的特性。目前传感器厂家提供的型号大多是分辨率小于10μm范围在1 米之内的。高分辨率的定义是将较短距离的位移变化完全显示在相对的小窗口上，因此，1μm的分辨率和1m的探测距离不会同时出现。近距离激光测距传感器一般采用激光三角法测距［12］：系统用一束激光