差分激光三角法油膜厚度测量传感器的测量范围与精度分析

吴 頔，吕且妮，陈 曦，葛宝臻

(1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2. 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072；3. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072)

差分激光三角法油膜厚度测量传感器的测量范围与精度分析

吴 頔1,2，吕且妮1,2，陈 曦3，葛宝臻1,2

(1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2. 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072；3. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072)

针对所研制的海面溢油油膜厚度测量传感器的测量范围和精度进行了研究．在分析基于垂直入射差分激光三角法油膜厚度测量原理的基础上，分别采用厚度0.1,mm的塞尺和10,mm的陶瓷量块对传感器的测量上下限进行了验证，并采用厚度为1～10,mm的0级陶瓷量块对传感器进行了精度测量和分析．结果表明，所研制的油膜厚度测量传感器的范围为0.1～10,mm，测量相对误差小于1%．

激光三角法；垂直入射；油膜厚度；测量范围；精度

海上溢油污染已成为海洋主要污染源之一，油膜厚度是估算溢油量的关键参数．目前提出的油膜厚度测量方法主要有两类，一类是建立溢油扩展数学模型，利用模型来估算油膜的厚度[1]；另一类是基于电学法[2]、声学法[3]、微波法[4]和光学法[5-13]等测量原理得到油膜厚度，其中的光学方法主要有荧光诱导法[5-7]、干涉法[8-9]、全息干涉法[10]和激光三角法[10-14]等．针对海面溢油油膜会随海水波动的特点，笔者研

制了基于垂直入射的差分激光三角法的油膜厚度测量传感器系统样机．其原理是采用双激光三角测距系统，2个激光器发出的激光束分别垂直照射海面溢油油膜的上下表面，根据像移大小和成像系统的结构参数，可同时得到这一上下2个表面的离面位移，通过相减即可得到被测油膜厚度．该测量系统样机设计要求为测量范围0.1～10,mm，测量相对误差小于1%．

1 油膜厚度测量原理

垂直入射的双光路差分油膜厚度测量系统如图1所示，依据激光三角法测量原理，上下光路的激光束位于同一垂线上，并分别垂直照射在油膜的上下表面上形成散射光斑，CCD接收的是油膜表面的散射光，由接收透镜L1和L2将光斑成像于CCD1和CCD2的靶面上，由CCD1和CCD2接收上下光斑，上下光路的共同基准面位于油膜下面的水中M-M处，油膜上表面相对于M-M的距离为d1，对应的CCD1像面上相对于基准点偏移量为x1，油膜下表面相对于M-M的距离为d2，对应的CCD2像面上相对于基准点偏移量为x2，当光学系统参数确定后，可以通过标准厚度的量块分别标定出上下光路的偏移量x1和x2，通过最小二乘拟合方法可以分别得到不同位置d1与x1的关系曲线和不同位置d2与x2的关系曲线，由此可求出油膜厚度d为

在图1中，上下两路光束分别照射到油膜上下表面，就像一把“光学卡尺”夹住油膜，当油膜上下波动时，“光学卡尺”也随之一起波动，因而非常适合波动海面油膜厚度测量．同时，由于上下光路共同的虚拟基准面位于油膜下面的水里面，d1和d2总是正值，因此，测量中无需考虑上下表面距离基准面的符号，直接相减计算就能得到油膜厚度．

图1 垂直入射差分激光三角法油膜厚度测量系统原理Fig.1 Schematic of oil film thickness measurement system based on differential laser trigonometry with vertical inc idence

2 油膜厚度测量系统实验结果分析

基于上述测量原理，设计并研制了基于差分三角法的油膜厚度测量传感器系统样机．选用的激光器为波长为650,nm、功率可调0～70,mW的BOT650-10D半导体激光器．CCD为型号LD2208B-7450型线阵CCD，其像素数为7,450，像素尺寸为4.7,µm．成像镜头为NikonAF50,mmf/2.8,D定焦镜头．图1所示的差分三角法双光路测量系统密封于浮标体内，海水和油膜通过测量窗口进入传感器光学测量系统．为了验证传感器的测量范围和测量精度，考虑海洋实际环境无法用标准厚度件测量，在实验室环境下进行了测量实验．将浮标放入水槽中，如图2所示，加水到浮标的吃水线，开启浮标电源，打开数据接收系统的笔记本电脑，运行油膜厚度测量系统专门软件，进行数据接收及数据采集，输出测量结果．

图2 放置于水槽中的油膜厚度测量传感器样机Fig.2Oil film thickness measurement sensor prototype in indoor water pool

2.1 测量范围验证

2.1.1 测量下限验证

为验证测量系统的测量下限是否达到0.1,mm的设计值，选用如图3所示的厚度0.1,mm的塞尺作为测试样品进行实验．根据中华人民共和国国际计量检定规程JJG62—2007，0.1,mm塞尺的误差为±5,μm，由于其误差较大，不适于精度测量，只作为测量范围验证．将0.1,mm厚度的塞尺分别固定于如图4(a)所示的专用支架，放入浮标的采样窗口进行多次采样测量，采集32个厚度数据，其测量结果如表1所示．

图3 塞尺Fig.3 feeler gauge

由表1数据来看，对0.1,mm塞尺测量平均值为0.094,mm，标准差为0.002,mm，绝对误差为-0.006 mm，相对误差为-6.000%．塞尺测量结果反映出系统能够测量出0.1,mm的厚度，达到了测量下限的设计值．

图4 固定量块专用支架和0级陶瓷量块Fig.4 Special bracket for block gauge and level 0 precision block gauge

表1 0.1,mm塞尺厚度测量结果Tab.1 Thickness measurement results of 0.1,mm feeler gauges mm

2.1.2 测量上限验证

为验证测量系统的测量上限是否达到10,mm的设计值，选用如图4(b)所示的陶瓷量块中的10,mm厚度量块作为测试样品．与测量下限的验证过程一样，将10,mm的置于专用支架，放入浮标的采样窗口进行采样测量，采集32次厚度数据，其测量结果如表2所示．由表2数据可知，对10,mm量块测量平均值为10.095,mm，标准差为0.009,mm，绝对误差0.095,mm，相对误差为0.95%．量块测量结果反映出系统的测量上限可达到10,mm．

表2 10,mm量块厚度测量结果Tab.2 Thickness measurement results of 10,mm block gauges mm

2.2 测量精度分析

为了评价测量系统的精度，选用山东精密量刃具厂的0级陶瓷量块作为测试样品进行实验，如图4(b)所示．0级量块标称长度小于等于10,mm时，其测量面上任意点长度相对于标称长度的极限偏差为0.12,μm，量块长度变动量最大允许值0.1,μm．将该量块放置于所设计的固定量块的专用支架上进行采样测量，如图4(a)所示．

精度用精密度和准确度表征．精密度用样品n次测量的标准差衡量，其表达式为

式中：σ为样本标准差；Xi为样本测量值；为样本测量均值．

准确度用样品测量值与样品真值的相对误差来表示，其计算式为

数据粗大误差按3σ准则[15]剔除．分别对1～10,mm量块进行了测量，每个厚度值测量5组数据，每组采集32个厚度数据，共采集160个数据以确定测量系统的测量精度．表3给出了其中的第3组测量结果．综合5组160个数据的处理结果如表4所示．

为了方便直观观察，根据表3数据绘制了测量结果曲线，如图5所示．由于同一厚度每次测量值差别很小，每个厚度的32次测量值基本重合成一个点.从图5中也可以直观看出，7,mm和8,mm厚度量块的测量结果中“▲”代表的测量值误差较大，其值大于3σ，根据3σ准则应剔除，剔除粗大误差后的各个测量值用“·”表示，各测量值基本重合，说明其精密度较高．

从表4综合的5组160个数据的处理结果看，10个量块测量值与标准值的相对误差最大为0.990%，而1～5,mm量块测量标准差最大为0.009,mm，6～10,mm量块测量标准差最大为0.015,mm．

表3 量块第3组数据厚度测量结果Tab.3 Thickness measurement results of the 3rd set of data for block gauges

表4 5组160个量块测量数据处理结果Tab.4 Measuring results of the 160 data of 5 sets combined for block gauges

图5 量块第3组测量结果Fig.5Thickness measurement results of the 3rd set of data for block gauges

3 结 语

为了验证和分析垂直入射的双光路差分油膜厚度测量传感器样机的测量范围和测量精度，在实验室水槽中，利用塞尺和0级陶瓷量块对传感器样机进行了测量范围验证和精度测量实验．结果表明，传感器样机的测量范围达到0.1～10,mm，1～10,mm量块测量值与标准值的相对误差最大为0.990%，小于1%的设计要求．分析了测量结果的标准差，1～5,mm量块测量标准差最大为0.009,mm，6～10,mm量块测量标准差最大为0.015,mm．总体情况表明，传感器样机达到所要求的设计技术指标，并具有较高的测量精度．

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Analysis on Measurement Range and Precision of the Oil Film Thickness Measurement Sensor Based on Differential Laser Trigonometry

Wu Di1,2，Lü Qieni1,2，Chen Xi3，Ge Baozhen1,2
(1. School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Opto-Electronics Information Technology，Ministry of Education，Tianjin 300072，China；3. School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The range and precision of the measurement of the newly-developed sea oil film thickness measurement sensor was studied. Based on analyzing the principle of oil film thickness method with vertical incidence differential laser trigonometry，the measureable thickness range was obtained using 0.1,mm feeler gauge and 10,mm ceramic block gauge，and the measurement precision was obtained using 1～10,mm block gauges. The experiments results show that the measurement range of oil film thickness measurement sensor is 0.1～10,mm，and the relative error is less than 1%.

laser trigonometry；vertical incidence；oil film thickness；measurement range；precision

TH741

A

0493-2137(2013)11-0998-05

DOI 10.11784/tdxb20131108

2013-04-02；

2013-08-23.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA09Z115)；国家自然科学基金资助项目(40876050).

吴 頔(1985— )，男，博士研究生，wd101101@126.com.

葛宝臻，gebz@tju.edu.cn.