非接触式高精度钢板在线测厚系统的研究

何 平，王 猛，刘 超，李 莹

（哈尔滨工业大学 航天学院，哈尔滨 150001）

钢铁行业在整个国民经济中占有重要的地位，而轧钢又是钢铁行业的一种重要生产环节，为了保证轧钢板的质量，必须在生产过程中采用高精度测厚仪对钢板厚度进行实时监控[1]。目前采用的传统测厚方法有X射线和伽马射线测厚仪，但是对人体有危害，并且更换不方便；接触式测厚仪和超声波测厚仪精度比较低。激光测厚仪测量范围广，精度高，使用方便，正在为各大钢铁企业所采用。

早在20世纪80年代随着激光技术和CCD线阵相机技术的发展，国外已经开始研发非接触式激光测厚仪，实现非接触式高精度在线实时监控。国内对于激光测厚仪的发展起步比较晚，如今大多数钢材企业采用的射线测厚仪有辐射，对身体有害，成本高。但是随着人们对于健康生活的追求和激光技术的进步，研究该项目有广阔的应用前景[2]。

本文设计了以TMS320F2812为主控芯片的非接触式高精度激光测厚系统。通过高分辨率激光位移传感器ZS-LD50测量钢板厚度，并通过高精度AD采样芯片实现数据的采集并交于主控芯片进行数据处理。最终将计算出的厚度传给人机交互界面，实现对钢板厚度的实时监测[3]。

1 非接触式检测原理和方法

1.1 激光位移传感器

系统选用高分辨率激光位移传感器ZS-LD50，该传感器采用三角位移测量法，从光源发射一束光到被测物体表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置，从而计算出物点的位移。由于入射和反射光构成一个三角形，所以这种方法被称为三角测量法[4]。该方法的使用实现了非接触式检测。

该传感器采样周期是110 μs，分辨率为0.25 μm，测量范围为±5 mm，测量中心距离为50 mm。传感器探头和传感器控制器之间使用了低电压差动信号高速通信接口。传感器探头所检测到的数据不会有任何折损，满足系统要求。

1.2 差动式测量方法

钢板在生产线上运行时，钢板会上下抖动，所以采用差动式测量方法，消除了被测钢板在运动过程中由于抖动而造成的误差。在被测钢板的两侧同轴安装两个同步的高精度激光位移传感器，通过测量相对量的变化得到被测物体的厚度，上面激光位移传感器测量的位移为L1，下面激光位移传感器测量的位移为L2，两传感器之间的距离为L，则钢板的厚度为L-（L1+L2）。其原理图如图1所示。

图1 激光传感器差动式测量原理图Fig.1 Schematic diagram of laser sensor’differential measurement

设钢板在垂直方向上得共模振动信号x（t），激光传感器1和2采集到的位移信号分别为

求和处理之后得到采样信号为

该非接触式测量方法很好地克服了钢板在运动过程中由于机械抖动引起的测量误差，对于实时在线测量系统，具有很高的应用价值[5]。

2 总体设计

系统主要是由一对高精度激光位移传感器、加法电路求和模块、数据采样模块、数据处理模块、人机交互平台5个部分组成，系统的整体框图如图2所示。

图2 整体设计方案结构图Fig.2 Overall design scheme structure diagram

采用了差动式测量方法来克服钢板抖动引起的误差，在钢板两侧安装两个同轴同步的激光位移传感器，两路传感器输出的模拟电压信号经过AD8671加法求和电路进行加法求和，输出的模拟电压信号通过高精度A/D采样芯片AD976的采样和转换得到采样数字信号，并将得到采样数据传递给系统主控芯片TMS320F2812进行数据处理，然后计算出厚度，最后通过SCI串口通信传送给上位机，实现厚度数据的显示以及报警等功能。

3 钢板测厚系统的硬件构成

3.1 厚度信号输出模块

系统采用欧姆龙公司ZS-LD50激光位移传感器，其测量范围为±5 mm，测量中心距离为50 mm，采用差动式测量法，在钢板两侧同轴安装一对传感器，每一路传感器的输出都是±10 V的模拟电压。为了减小模拟电压误差，将两路模拟电压信号通过AD8671电路进行加法求和处理，输出±10 V的电压信号作为下一步A/D采样转换电路的输入信号。

3.2 AD采样电路

进行数据采集时，可以通过TMS320F2812自带的AD模块直接对模拟电压信号进行采集。但是该AD模块无法满足该系统对精度的要求。为了提高转换精度，采用16位高速、高精度AD转换器AD976。AD976输入信号范围是±10 V，采样频率高达100 kHz，转换完成后通过DSP的16位数据总线送入CPU进行处理，使用十分方便。

TMS320F2812通过 2个控制信号 R/C¯和 CS来控制AD976，控制采样时间和转换时序。同时AD976反馈给TMS320F2812一个BUSY状态信号，开始转换之后BUSY端由高电平变为低电平，转换完成，BUSY端由低电平变为高电平。此时由低电平到高电平的跳变作为TMS320F2812进入中断读取转换数据的中断信号[6]。其中AD976转换时序图如图3所示。

图3 AD976转换时序图Fig.3 Conversion sequence diagram of AD976

3.3 DSP主控芯片及其外围电路的设计

系统采用TMS320F2812作为主控芯片，将得到的经过AD976转换的数字信号进行滤波降噪处理，将经过处理的数字信号转换为厚度信号，然后通过RS232通信总线传递给人机交互平台。同时考虑TMS320F2812的最小系统配置，包括电源模块、JTAG模块、时钟模块、复位模块。

4 钢板测厚系统的软件实现

通过DSP运行程序，实现高精度钢板在线测量厚度数据的处理和输出。通过TMS320F2812控制AD976的AD采样转换时序，将其输出BUSY端高电平信号作为外部中断信号，当接收到外部中断信号，CPU进行一次取值[7]。若轧钢板的速度是3 m/s，则将每3 mm作为一个像素点，在3 mm内进行100次采样取值，将采样得到的数据通过限幅滤波法和去极值平均滤波法[8]进行数据滤波。首先通过限幅滤波法将数据中的尖脉冲去掉，通过比较两次采样值差的绝对值和最大允许误差的大小。若大于最大允许误差，选取前一个采样值作为当前采样值；若小于最大允许误差，当前采样值符合要求，进而消除缓变信号的尖脉冲干扰。然后利用去极值平均滤波法将100个数据进行由大到小排序，去掉采样序列首尾各33个数据，保留中间数据，将中间数据的平均值作为这一组数据的最终输出值，也作为3 mm像素点的输出值。将10个经过处理数据作为一组，通过串口通信接口实现向上位机信号的发送。经实验表明，采样得到的数据稳定，符合设计要求。系统流程图如图4所示。

图4 系统流程图Fig.4 Flow chart of the system

5 实验结果分析

采用设计的非接触式高精度钢板在线测厚系统，对几个不同型号的钢板进行了测试。轧钢有2种工艺，分为热轧钢和冷轧钢，其厚度要求和精度要求也有所不同。分别对2种轧钢工艺选择2个样本，共有4个样本。分别选择热轧钢厚度要求为5.0 mm和10.0 mm的钢板，按照GB4237-2007其精度要求分别为±0.30 mm和±0.40 mm；冷轧钢板选择厚度要求分别为0.5 mm和1.00 mm的钢板，按照GB3280-2007其精度要求分别为±0.05 mm和±0.055 mm。进行在线式测量，测量时按照要求的误差对在线测厚系统进行超范围报警设置。通过在线几个小时测量，对测量结果分析统计，分析如表1所示。

表1 不同钢板的厚度测量结果Tab.1 Thickness measurement result of different steel plate

由表1的测量结果可以看到，测量系统的实际测量精度比要求精度高一个数量级。差动法测量很好地消除了机械振动和机械加工误差引起的测量误差。可见非接触式钢板在线测量系统测量精度准确，性能可靠，完全满足生产的需要。

6 结语

本文设计的非接触式钢板测厚仪，利用高精度激光位移传感器作为信号源，实现了非接触式测量，确保了采样信号的高精度。利用TMS320F2812作为主控芯片，实现了对钢板厚度数据的有效处理。差动式测量方法的利用有效地提高了测量系统的抗干扰能力。实验结果表明，该测量系统精度高，安全可靠，能较好地满足企业对于测厚仪的要求。

[1] 阳鑫.基于PSD的钢板测厚系统研究[D].天津：天津大学硕士论文，2009：1-3.

[2] 夏雷.基于CCD技术的激光测厚系统的研究[D].杭州：浙江理工大学硕士学位论文，2013：1-5.

[3] 赵丽，肖龙腾，胡叨福，等.基于TMS320F2812与AD976的数据采集系统的设计与实现[J].天津工程师范学院学报，2010，20（1）：30-33.

[4] 朱万彬.激光位移传感器在物体表面形状测量中的应用[J].光机电信息，2010，27（10）：70-72.

[5] 冉多刚，张福民，何晓东.差动式测量仪器动态误差分析与滤波网络设计[J].误差分析，1999，19（5）：22-24.

[6] 彭海兰，张翌晖，张承学.高精度模数转换器AD976/AD976A及其应用[J].电子世界，2003（3）：21-22.

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[8]张洪健.基于ARM的电池基板涂布厚度在线测控系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士学位论文，2009：22-24. ■