蘭羽，周茜

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

目前，國內(nèi)的大多數(shù)玻璃生產(chǎn)廠家采用傳統(tǒng)的人工測量玻璃厚度，在對于一些高要求玻璃制品測量很難達(dá)到高精度，實(shí)時監(jiān)控的目的，而采用激光測量結(jié)合光電檢測技術(shù)，能做到實(shí)時檢測的非接觸型測量法還較少，且大多成本較高[1-3]。隨著光電檢測技術(shù)的發(fā)展，各種光學(xué)測量方法不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用光學(xué)方法測量玻璃厚度的理論和設(shè)備慢慢出現(xiàn)，本課題針對各種玻璃制品，采用CCD傳感器作為光電檢測器件，研究激光檢測玻璃厚度的方法。

1 線陣CCD光電傳感器

電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）是在 MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ埽哂屑啥雀?、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一個完整的CCD器件由光敏源、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器等組成。CCD工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元件對光信號進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端由信號處理設(shè)備完成對信號的處理。

圖1 線陣CCD外形Fig.1 Linear array CCD profile

2 光電玻璃測厚方法

2.1 透射式測量方法

一種典型的采用激光透射原理的測量方法如圖3所示，其利用透射玻璃過程中光產(chǎn)生折射的方法進(jìn)行厚度測量。該方法是將被測物體放置于光源和光電元件之間，恒光源發(fā)出的光在透過被測物體時，光電元件接收該光信號并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)處理得到被測玻璃的厚度信息。

圖2 線陣CCD內(nèi)部原理框圖Fig.2 Line array the ccd internal block diagram

圖3 一種激光透射式玻璃厚度測量原理Fig.3 Principle of a laser transmissive measurement of glass thickness

圖3 中，當(dāng)光線通過厚度為d，折射率為n的平板玻璃時，會產(chǎn)生兩次折射，折射的結(jié)果是光線行進(jìn)的方向沒有改變，但側(cè)移了一段距離。如果令平板玻璃折射率為n，光束偏移量為x，光束入射角為θ，入射角及折射角關(guān)系，計算得到，平板玻璃厚度d的公式為：

式中：θ為激光束入射角；n為被測玻璃折射率。

測量前先標(biāo)定 θ和n后，只要測出光束偏移量x，即可得到玻璃厚度d。為了精確測量光束偏移量，系統(tǒng)用線陣CCD接收參考光束及偏移光束位置。由于線陣CCD具有自掃描能力，能將一維空間的光強(qiáng)分布信號轉(zhuǎn)換為時間序列的電信號，電信號經(jīng)后續(xù)電路處理后獲得與光束偏移量相對應(yīng)的脈寬，測量出脈寬，即可得到光束偏移量，通過上式，便可得到被測平板玻璃折射率。該方法通過CCD獲得的位移信息，得到玻璃的厚度信息[4]。

方法特征：1）透射方式測量玻璃厚度的方法適合對兩側(cè)都有空間的玻璃生產(chǎn)線進(jìn)行安裝測量，但不適合一邊空間較小的情況；2）在測量過程中激光要以一定的入射角進(jìn)行入射，所以對角度的要求比較高，角度的誤差對測量的精確度影響較大。

2.2 單激光反射測厚法

單激光反射測厚法的原理如圖4所示：主要是采用光三角理論結(jié)合CCD檢測技術(shù)[5]。光學(xué)三角法是利用一束光照射到被測物體表面，在通過成像觀察鏡觀察反射光的特性參數(shù)來得到被測信息。

圖4 單激光反射測厚法的原理Fig.4 Principle of typical reflective measurement of glass thickness

由激光器發(fā)出的激光P0，以一定的角度射向玻璃板時，其中一小部分會在玻璃板上表面直接反射出光線P1到CCD感光面上，其反射角A1和入射角A0相等，大部分激光經(jīng)過空氣-玻璃界面折射出光線P2，P2在下表面全反射后一大部分在玻璃與空氣界面折射出光線P3到CCD感光面上，另一部分在玻璃2空氣界面反射出光線P4，同樣光線P4經(jīng)玻璃與空氣界面折射出光線P5。容易得出光線P1、光線P3、光線P5平行，3條光線相互距離與玻璃板的厚度成線性關(guān)系，實(shí)際中通過線陣CCD檢測計算3條光線的垂直距離來測定玻璃板的實(shí)際厚度尺寸。

設(shè)空氣與玻璃的折射率分別為no、n，光線的入射角為T0，玻璃內(nèi)部的折射角為 T2，則可以得到式（2）：

在CCD上檢測到的光線P1和光線P5之間的距離D在入射角固定的情況下與玻璃板的實(shí)際厚度H是線性的比例關(guān)系。若U0=1.00，則二者關(guān)系用公式（3）體現(xiàn)為：

測量時通過處理CCD數(shù)據(jù)得到D的值，從而可得出玻璃厚度H。式（3）可以簡化為：

在實(shí)際應(yīng)用中，通過在線標(biāo)定獲得a的值。記錄某一時刻的峰間距值D（光線P1和光線P5的距離），在玻璃成型后獲得當(dāng)時的玻璃厚度H就可以得出標(biāo)定值a[6]。

方法特點(diǎn)：1）受光學(xué)系統(tǒng)的相差、光點(diǎn)的大小、探測器固有的位置、探測器暗電流和外界雜散光的影響。2）受被檢測玻璃的抖動影響。3）受探測器檢測電路的測量準(zhǔn)確度和噪聲、電路溫漂系統(tǒng)等主要因素影響。

2.3 雙激光反射測厚法

根據(jù)單激光反射測量法的不足，提出一種采用雙激光結(jié)合光學(xué)三角法的反射測量法如圖5所示：在待測玻璃板兩邊各安置一臺激光的，采用兩個線陣CCD傳感器構(gòu)成上、下兩個三角量測系統(tǒng)，分別同時測量玻璃帶上下表面的位移，根據(jù)兩個線陣CCD傳感器的位移值，計算玻璃帶的厚度。如果欲加強(qiáng)CCD的光量，提高CCD解析度，只需將兩套線陣CCD傳感器合適的傾斜安裝即可，因?yàn)橛捎趥鞲衅鞯膬A斜安裝，則光線也是傾斜入射，所以采集電壓輸出值與實(shí)際距離有一個角度關(guān)系。

圖5 一種雙激光反射式測厚原理Fig.5 Principle of a dual-laser reflective thickness measurement

由圖5中有公式（5）：

對（5）式中的 x-x1cosα1、x2cosα2以及 x 測定。 實(shí)際應(yīng)用中因玻璃是透明體，為了避免傳感器所發(fā)射激光束相互干擾，兩個線陣CCD傳感器在垂直方向裝配時需錯開幾毫米。

方法特點(diǎn)：1）可有效克服傳感器位置偏移、玻璃抖動等因素造成的對玻璃厚度測量的影響[7]。2）受外界環(huán)境溫度影響較位嚴(yán)重，在退火爐熱端進(jìn)行測量時，測厚系統(tǒng)必須有冷卻裝置才能正常工作[8]。

3 結(jié)束語

文中分析了透射式測厚法、單激光反射式測厚法、雙激光反射式測厚法的原理及性能特征。利用線陣CCD傳感器作為光電轉(zhuǎn)換器件結(jié)合光三角法，采用激光透射式，單激光反射式、雙激光反射式測量玻璃厚度，具有高速度、小型化、高精度、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。其與傳統(tǒng)玻璃測厚方法比較：穩(wěn)定度、靈敏度及準(zhǔn)確度等方面都有了顯著的提高，具有一定應(yīng)用價值。

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