本發(fā)明屬于帶材非接觸在線測厚相關(guān)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可多點修正的差動式在線激光測厚系統(tǒng)及其測量方法。

背景技術(shù)：

在鋰電池極片涂布、金屬箔材生產(chǎn)線等工業(yè)生產(chǎn)中，帶材厚度的穩(wěn)定與否決定著最終產(chǎn)品的質(zhì)量，因此需要大量用到在線測厚裝置。對于鋰電池涂布極片、金屬箔材這類非透明薄膜的厚度測量而言,目前使用最多的是射線測厚和激光測厚，其中射線測厚雖然精度很高，但由于存在射線輻射，有安全問題，且設(shè)備昂貴，故障率高，對環(huán)境敏感，因此不是理想的選擇；激光高頻高分辨的特性使其在在線薄膜厚度測量領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

目前最主流的在線測厚方式是上下差動式激光三角測量法，即用上下激光頭分別測量上下激光頭到薄膜上下表面的距離，用上下激光頭之間的距離減去該距離即得到所測薄膜的厚度，這其中上下兩激光頭之間的距離的穩(wěn)定性對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響。針對上述激光測量方式，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了一些相關(guān)設(shè)備及工藝。例如，CN1031758A中公開了一種激光測厚儀，并詳細(xì)介紹了上下差動式激光三角測量法的基本原理；又如，CN103063151B、CN102175165A和CN102519372A等都公開了一種基于C形架的激光測量裝置。

然而，進(jìn)一步的研究表明，上述現(xiàn)有設(shè)備中的激光測厚裝置通常基于C形架掃描式測厚設(shè)計的測厚形式，這種C形架雖然獲得了廣泛應(yīng)用，但在實際測量過程中，由于機械振動、環(huán)境溫度等的影響，可能會出現(xiàn)輕微的變形，并使得上下激光頭之間的距離不穩(wěn)定，導(dǎo)致對于微米級的厚度測量會造成較大偏差，因此需要經(jīng)常校準(zhǔn)C形架兩激光頭之間的距離以修正偏差。此外，在C形架掃描測厚的過程中，各個不同區(qū)域?qū)形架的影響程度不一樣，因此造成的偏差也會有大有小，如果校準(zhǔn)時只設(shè)定一個固定的厚度偏差修正值，事實上往往并不能完全滿足掃描過程中所有位置的厚度偏差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種可多點修正的差動式在線激光測厚系統(tǒng)及其測量方法，其中通過結(jié)合鋰電池極片或金屬箔材之類產(chǎn)品在線測厚及輸送的工藝特點，對測厚系統(tǒng)的整體構(gòu)架形式/關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)和設(shè)置方式、以及測量關(guān)鍵工序等多個方面重新作出針對性設(shè)計，相應(yīng)能夠在提供更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性的同時，還可以為整個掃描測厚過程中的每個測量位置提供偏差校正，由此與現(xiàn)有技術(shù)相比可進(jìn)一步提高測量精度和操作效率，因而尤其適用于微米級及以下的高精度激光測厚應(yīng)用場合。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種可多點修正的差動式在線激光測厚系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括整體呈矩形框架的結(jié)構(gòu)件、以及配套的激光控制器、運動控制卡和中央處理單元，其中：

所述整體呈矩形框架的結(jié)構(gòu)件由橫向設(shè)置且彼此平行的上直線導(dǎo)軌、下直線導(dǎo)軌，以及縱向設(shè)置且彼此平行的左傳動軸和右傳動軸共同組成；平行于所述上直線導(dǎo)軌、下直線導(dǎo)軌各自設(shè)置有上時規(guī)皮帶、下時規(guī)皮帶，并通過配套的驅(qū)動電機實現(xiàn)所述傳動軸和所述時規(guī)皮帶的同步傳動，作為待測對象的帶材則保持表面水平地橫向輸送穿過該結(jié)構(gòu)件；此外，所述上時規(guī)皮帶的下側(cè)采用上滑塊安裝有上激光位移傳感器，所述下時規(guī)皮帶的上側(cè)采用下滑塊安裝有下激光位移傳感器，這兩個激光位移傳感器沿著同一垂直軸線相對設(shè)置且保持同步橫向移動，并分別用于將激光束發(fā)射至帶材的上表面和下表面，同時將漫反射回的激光通過透鏡聚焦后成像，由此基于成像位置來獲得各激光頭至帶材表面之間的距離；

所述激光控制器同時與所述上激光位移傳感器、所述下激光位移傳感器和所述中央處理單元信號相連，并用于將各個激光位移傳感器所測得的距離數(shù)據(jù)實時傳輸給該中央處理單元；

所述運動控制卡同時與所述驅(qū)動電機和所述中央處理單元信號相連，并用于從此驅(qū)動電機上獲取反映帶材在整個橫向輸送過程中每個測量位置的坐標(biāo)值；

所述中央處理單元基于來自所述上激光位移傳感器、下激光位移傳感器的距離數(shù)據(jù)、以及來自所述運動控制卡的坐標(biāo)值，相應(yīng)計算輸出帶材的厚度結(jié)果。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述上激光位移傳感器、所述下激光位移傳感器優(yōu)選采用激光三角位移法執(zhí)行距離數(shù)據(jù)的感測。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述帶材優(yōu)選為鋰電池極片或者金屬箔材,并且其厚度為微米量級。

按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應(yīng)的測量方法，其特征在于，該測量方法包括下列步驟：

(a)激光位移傳感器的間距標(biāo)定操作

(a1)當(dāng)上述測厚系統(tǒng)未放入待測帶料的情況下，首先在所述左傳動軸上沿著橫向安裝其右端固定有上標(biāo)準(zhǔn)片的上齒條，并使得該上標(biāo)準(zhǔn)片正好位于所述上激光位移傳感器和下激光位移傳感器兩者的垂直線上；接著，啟動所述驅(qū)動電機帶動所述上齒條以及上時規(guī)皮帶、下時規(guī)皮帶同步運動，相應(yīng)使得所述上標(biāo)準(zhǔn)片以及上激光位移傳感器、下激光位移傳感器以相同速度向右運動；在此運動過程中，兩個所述激光位移傳感器感測其與所述上標(biāo)準(zhǔn)片各表面之間的距離數(shù)據(jù)，并基于這些距離數(shù)據(jù)來對兩個所述激光位移傳感器之間的真實間距執(zhí)行計算和標(biāo)定處理；

(a2)而當(dāng)上述測厚系統(tǒng)已經(jīng)放有待測帶料的情況下，首先將待測的帶料保持表面水平地放在所述左傳動軸上，然后在所述左傳動軸上位于所述上齒條的下側(cè)，繼續(xù)沿著橫向安裝其右端固定有下標(biāo)準(zhǔn)片的下齒條，并使得該下標(biāo)準(zhǔn)片同樣正好位于所述上激光位移傳感器和下激光位移傳感器兩者的垂直線上；接著，啟動所述驅(qū)動電機帶動所述上齒條、下齒條以及上時規(guī)皮帶、下時規(guī)皮帶同步運動，相應(yīng)使得所述上標(biāo)準(zhǔn)片、下標(biāo)準(zhǔn)片以及上激光位移傳感器、下激光位移傳感器以相同速度向右運動；在此運動過程中，兩個所述激光位移傳感器分別感測其與所述上標(biāo)準(zhǔn)片的上表面和下標(biāo)準(zhǔn)片的下表面之間的距離數(shù)據(jù)，并基于這些距離數(shù)據(jù)來對兩個所述激光位移傳感器之間的真實間距執(zhí)行計算和標(biāo)定處理；

(b)對待測帶料的厚度掃描和實時計算

拆除所述上齒條、下齒條、上標(biāo)準(zhǔn)片和下標(biāo)準(zhǔn)片，然后啟動所述驅(qū)動電機帶動所述上時規(guī)皮帶、下時規(guī)皮帶同步運動，相應(yīng)使得所述上激光位移傳感器和下激光位移傳感器以相同速度向右運動；在此運動過程中，兩個所述激光位移傳感器感測其與待測帶材各表面之間的距離數(shù)據(jù)，所述運動控制卡獲取反映帶材在整個橫向輸送過程中每個測量位置的坐標(biāo)值，所述中央處理單元則分別獲取這些距離數(shù)據(jù)和坐標(biāo)值，并相應(yīng)計算得出待測帶料的厚度結(jié)果。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述(a1)步驟中，優(yōu)選采用以下公式來計算兩個所述激光位移傳感器之間的真實間距H(i)：

H(i)＝X1(i)+X2(i)+m

其中，X1(i)表示所述上激光位移傳感器在每個測量位置所感測到的與所述上標(biāo)準(zhǔn)片的上表面之間的距離，X2(i)表示所述下激光位移傳感器在每個測量位置所感測到的與所述上標(biāo)準(zhǔn)片的下表面之間的距離，m表示所述上標(biāo)準(zhǔn)片自身的厚度。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述(a2)步驟中，優(yōu)選采用以下公式來計算兩個所述激光位移傳感器之間的真實間距H(i)：

H(i)＝Y(jié)1(i)+Y2(i)+n

其中，Y1(i)表示所述上激光位移傳感器在每個測量位置所感測到的與所述上標(biāo)準(zhǔn)片的上表面之間的距離，Y2(i)表示所述下激光位移傳感器在每個測量位置所感測到的與所述下標(biāo)準(zhǔn)片的下表面之間的距離，n表示所述上標(biāo)準(zhǔn)片的上表面到所述下標(biāo)準(zhǔn)片的下表面之間的距離。

作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述(b)步驟中，優(yōu)選采用以下公式來計算待測帶料的厚度h(i)：

h(i)＝H(i)-Z1(i)+Z2(i)

其中，H(i)表示在步驟(a)中所計算獲得的兩個所述激光位移傳感器之間的真實間距；Z1(i)表示在此步驟(b)中，所述上激光位移傳感器在每個測量位置所感測到的與所述上標(biāo)準(zhǔn)片的上表面之間的距離；Z2(i)表示在此步驟(b)中，所述下激光位移傳感器在每個測量位置所感測到的與所述下標(biāo)準(zhǔn)片的下表面之間的距離。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過對測厚系統(tǒng)的整體構(gòu)架形式/關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)和設(shè)置方式重新進(jìn)行設(shè)計，與現(xiàn)有設(shè)備相比可提供更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性，并可顯著提高測量精度和操作便利性；此外，通過對關(guān)鍵工藝的研究設(shè)計，還可以為整個掃描測厚過程中的每個測量位置提供偏差校正，由此與現(xiàn)有工藝相比可進(jìn)一步提高測量精度和操作效率，因而尤其適用于微米級及以下的高精度激光測厚應(yīng)用場合。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明所構(gòu)建的在線激光測厚系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是用于示范性說明本發(fā)明的在線激光測厚系統(tǒng)的控制原理示意圖；

圖3a是當(dāng)未置入待測對象時、對上下兩激光頭之間距離執(zhí)行校正的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3b是當(dāng)置入待測對象后、對上下兩激光頭之間距離執(zhí)行校正的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3c是完成校正后對待測對象執(zhí)行在線激光測厚的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是按照本發(fā)明所構(gòu)建的在線激光測厚方法的工藝流程圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-電動機、2-上時規(guī)皮帶、3-下時規(guī)皮帶、4-上直線導(dǎo)軌、5-下直線導(dǎo)軌、6-上滑塊、7-下滑塊、8-上激光位移傳感器、9-下激光位移傳感器、10-傳動軸、11-齒輪、12-上齒條、13-下齒條、14-待測對象、15-上標(biāo)準(zhǔn)片、16-下標(biāo)準(zhǔn)片、17-激光控制器、18-運動控制卡、19-中央處理單元

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是按照本發(fā)明所構(gòu)建的在線激光測厚系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖,圖2是用于示范性說明本發(fā)明的在線激光測厚系統(tǒng)的控制原理示意圖。如圖1和圖2中所示，該在線激光測厚系統(tǒng)主要包括整體呈矩形框架的結(jié)構(gòu)件、以及配套的激光控制器17、運動控制卡18和中央處理單元19等功能部件，下面將對這些關(guān)鍵部件逐一進(jìn)行具體解釋說明。

所述結(jié)構(gòu)件在本發(fā)明中專門被設(shè)計為整體呈矩形框架，并且具體如圖所示，是由橫向設(shè)置且彼此平行的上直線導(dǎo)軌4、下直線導(dǎo)軌5，以及縱向設(shè)置且彼此平行的左傳動軸10和右傳動軸20共同組成；平行于所述上直線導(dǎo)軌、下直線導(dǎo)軌各自設(shè)置有上時規(guī)皮帶2、下時規(guī)皮帶3，然后通過配套的驅(qū)動電機1實現(xiàn)所述傳動軸和所述時規(guī)皮帶的同步傳動，同時帶動作為待測對象的帶材保持表面水平地橫向輸送穿過該結(jié)構(gòu)件；此外，所述上時規(guī)皮帶的下側(cè)譬如可采用上滑塊6安裝有上激光位移傳感器8，所述下時規(guī)皮帶的上側(cè)譬如可采用下滑塊7安裝有下激光位移傳感器9，這兩個激光位移傳感器沿著同一垂直軸線相對設(shè)置且保持同步橫向移動，并分別用于將激光束發(fā)射至帶材的上表面和下表面，同時將漫反射回的激光通過透鏡聚焦后成像，由此基于成像位置來獲得各激光頭至帶材表面之間的距離。

更具體而言，一對可同步移動的激光位移傳感器，在同一垂直軸線上相對設(shè)置，分別固定在上滑塊6和下滑塊7上。這兩個滑塊分別連接在時規(guī)皮帶2和3上，并能由時規(guī)皮帶帶動著在上直線導(dǎo)軌4和下直線導(dǎo)軌5上水平滑動。作為本領(lǐng)域所熟知的，激光位移傳感器優(yōu)選可采用激光三角位移法測量距離，其原理是通過發(fā)射激光束至待測物體表面，激光束在物體表面產(chǎn)生漫反射，漫反射回來的激光通過透鏡聚焦后在CCD上成像，不同距離的待測物反射回來的激光的通過透鏡的角度不同，在CCD上的成像位置不同，因此根據(jù)成像位置得到激光頭至待測表面的距離。

此外，齒輪11固定在左傳動軸10上，上齒條12和下齒條13與齒輪11嚙合并平行地設(shè)置在被測帶材的兩側(cè)，可在驅(qū)動電機1通過左傳動軸10的驅(qū)動作用下水平運動，上標(biāo)準(zhǔn)片15與下標(biāo)準(zhǔn)片16分別固定在上齒條12和下齒條13的末端(圖中顯示為右端)。

如圖2中所示，激光控制器17同時與上激光位移傳感器8、下激光位移傳感器9和中央處理單元19信號相連，并用于將各個激光位移傳感器所測得的距離數(shù)據(jù)實時傳輸給該中央處理單元19；運動控制卡18同時與驅(qū)動電機1和中央處理單元19信號相連，并用于譬如從此驅(qū)動電機上獲取反映帶材在整個橫向輸送過程中每個測量位置的坐標(biāo)值。

此外，譬如為計算機的中央處理單元19用于基于來自所述上激光位移傳感器、下激光位移傳感器的距離數(shù)據(jù)、以及來自所述運動控制卡的坐標(biāo)值，相應(yīng)計算輸出帶材的厚度結(jié)果。

下面將參照圖3a、3b和3c更為具體地說明按照本發(fā)明的測量操作過程。

首先，如圖3a所示，在所測帶材還未放入待測區(qū)域的情況下，可以首先將上齒條12和上標(biāo)準(zhǔn)片15安裝在上述矩形框架上，使得上標(biāo)準(zhǔn)片15正好位于上激光位移傳感器8和下激光位移傳感器9的垂直線上(下齒條13不安裝)這樣激光位移傳感器能分別測量其到標(biāo)準(zhǔn)片15的上、下表面的距離。開始測量時，兩個激光位移傳感器以及上標(biāo)準(zhǔn)片15譬如都位于導(dǎo)軌的最左邊位置，啟動驅(qū)動電機1，帶動上齒條12、上時規(guī)皮帶2和下時規(guī)皮帶3運動，使得上標(biāo)準(zhǔn)片15、兩個激光位移傳感器以相同速度同步向右運動。運動過程中，中央處理單元19可通過運動控制卡18記錄每一個位置的坐標(biāo)值i，兩個激光位移傳感器則分別測量在每個測量位置時其與標(biāo)準(zhǔn)片15上/下表面的距離值X1(i)和X2(i)，并將x1(i)和x2(i)通過激光控制器17傳輸給中央處理單元19。

按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，設(shè)上標(biāo)準(zhǔn)片15的厚度為m，則中央處理單元19計算從左至右每個位置的兩激光頭距離為H(i)＝X1(i)+X2(i)+m。本實施例中，m譬如優(yōu)選為1mm，然后可根據(jù)該計算結(jié)果來執(zhí)行兩個激光位移傳感器之間距離的標(biāo)定操作，進(jìn)而確保后續(xù)正式測量過程中的精確度。

其次，如圖3b所示，在所測帶材已放入待測區(qū)域時，將上齒條12、下齒條13、上標(biāo)準(zhǔn)片15和下標(biāo)準(zhǔn)片16都安裝在矩形框架上，使得上標(biāo)準(zhǔn)片15和下標(biāo)準(zhǔn)片16正好位于上激光位移傳感器8和下激光位移傳感器9的垂直線上，這樣兩個激光位移傳感器分布測量其到上標(biāo)準(zhǔn)片15的上表面、以及其到下標(biāo)準(zhǔn)片16的下表面的距離。開始測量時，兩個激光位移傳感器以及兩個標(biāo)準(zhǔn)片譬如都位于導(dǎo)軌的最左邊位置，啟動驅(qū)動電機1，帶動上齒條12、下齒條13、上時規(guī)皮帶2和下時規(guī)皮帶3運動，使得上標(biāo)準(zhǔn)片15、下標(biāo)準(zhǔn)片16、上激光位移傳感器8和下激光位移傳感器9以相同速度同步向右運動。運動過程中，中央處理單元19可通過運動控制卡18記錄每一個位置的坐標(biāo)值i，分別測量在每個測量位置時上激光位移傳感器到上標(biāo)準(zhǔn)片15的上表面的距離Y1(i)、以及下激光位移傳感器9到下標(biāo)準(zhǔn)片16的下表面的距離Y2(i)，并將Y1(i)和Y2(i)通過激光控制器17傳輸給中央處理單元19。

此外，按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，設(shè)上標(biāo)準(zhǔn)片15上表面到下標(biāo)準(zhǔn)片16下表面的距離為n，則中央處理單元19優(yōu)選可計算從左至右每個位置的兩激光頭距離為H(i)＝Y(jié)1(i)+Y2(i)+n。本實施例中，n譬如優(yōu)選為5mm，然后可根據(jù)該計算結(jié)果來執(zhí)行兩個激光位移傳感器之間距離的標(biāo)定操作，進(jìn)而確保后續(xù)正式測量過程中的精確度。

最后，是待測物厚度掃描和實時計算操作步驟。如圖3c所示，此時不安裝上齒條12、下齒條13、上標(biāo)準(zhǔn)片15和下標(biāo)準(zhǔn)片16。啟動驅(qū)動電機1，上激光位移傳感器8和下激光位移傳感器9以相同速度同步運動(在到達(dá)左右極限位置時電機可反向轉(zhuǎn)動，相應(yīng)使得兩個激光位移傳感器反向運動)。運動過程中，中央處理單元19可通過運動控制卡18讀取每一個位置的坐標(biāo)值i，分別測量在每個位置時上激光位移傳感器8到待測帶材的上表面的距離Z1(i)和下激光位移傳感器9到待測帶材的下表面的距離Z2(i)，并將Z1(i)和Z2(i)通過激光控制器17傳輸給中央處理單元19。

按照本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，此時中央處理單元19可計算每個位置處的帶材厚度為h(i)＝H(i)-Z1(i)+Z2(i)。此外，該步驟進(jìn)行較長時間后，如果需要重新標(biāo)定兩激光頭距離，則可以轉(zhuǎn)入以上兩種標(biāo)定操作步驟。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。