基于線陣CCD的光電玻璃測(cè)厚方法研究

蘭羽，周茜

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

目前，國(guó)內(nèi)的大多數(shù)玻璃生產(chǎn)廠家采用傳統(tǒng)的人工測(cè)量玻璃厚度，在對(duì)于一些高要求玻璃制品測(cè)量很難達(dá)到高精度，實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，而采用激光測(cè)量結(jié)合光電檢測(cè)技術(shù)，能做到實(shí)時(shí)檢測(cè)的非接觸型測(cè)量法還較少，且大多成本較高[1-3]。隨著光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，各種光學(xué)測(cè)量方法不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用光學(xué)方法測(cè)量玻璃厚度的理論和設(shè)備慢慢出現(xiàn)，本課題針對(duì)各種玻璃制品，采用CCD傳感器作為光電檢測(cè)器件，研究激光檢測(cè)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(lái)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(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)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(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元件對(duì)光信號(hào)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端由信號(hào)處理設(shè)備完成對(duì)信號(hào)的處理。

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

2 光電玻璃測(cè)厚方法

2.1 透射式測(cè)量方法

一種典型的采用激光透射原理的測(cè)量方法如圖3所示，其利用透射玻璃過(guò)程中光產(chǎn)生折射的方法進(jìn)行厚度測(cè)量。該方法是將被測(cè)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(guò)被測(cè)物體時(shí)，光電元件接收該光信號(hào)并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)處理得到被測(cè)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(cè)量原理Fig.3 Principle of a laser transmissive measurement of glass thickness

圖3 中，當(dāng)光線通過(guò)厚度為d，折射率為n的平板玻璃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩次折射，折射的結(jié)果是光線行進(jìn)的方向沒(méi)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(jì)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(cè)玻璃折射率。

測(cè)量前先標(biāo)定 θ和n后，只要測(cè)出光束偏移量x，即可得到玻璃厚度d。為了精確測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間序列的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路處理后獲得與光束偏移量相對(duì)應(yīng)的脈寬，測(cè)量出脈寬，即可得到光束偏移量，通過(guò)上式，便可得到被測(cè)平板玻璃折射率。該方法通過(guò)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(cè)量玻璃厚度的方法適合對(duì)兩側(cè)都有空間的玻璃生產(chǎn)線進(jìn)行安裝測(cè)量，但不適合一邊空間較小的情況；2）在測(cè)量過(guò)程中激光要以一定的入射角進(jìn)行入射，所以對(duì)角度的要求比較高，角度的誤差對(duì)測(cè)量的精確度影響較大。

2.2 單激光反射測(cè)厚法

單激光反射測(cè)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(cè)技術(shù)[5]。光學(xué)三角法是利用一束光照射到被測(cè)物體表面，在通過(guò)成像觀察鏡觀察反射光的特性參數(shù)來(lái)得到被測(cè)信息。

圖4 單激光反射測(cè)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(shí)，其中一小部分會(huì)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(guò)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(guò)線陣CCD檢測(cè)計(jì)算3條光線的垂直距離來(lái)測(cè)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T(mén)0，玻璃內(nèi)部的折射角為 T2，則可以得到式（2）：

在CCD上檢測(cè)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(cè)量時(shí)通過(guò)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(jiǎn)化為：

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)在線標(biāo)定獲得a的值。記錄某一時(shí)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(shí)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(cè)器固有的位置、探測(cè)器暗電流和外界雜散光的影響。2）受被檢測(cè)玻璃的抖動(dòng)影響。3）受探測(cè)器檢測(cè)電路的測(cè)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(cè)厚法

根據(jù)單激光反射測(cè)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(cè)量法如圖5所示：在待測(cè)玻璃板兩邊各安置一臺(tái)激光的，采用兩個(gè)線陣CCD傳感器構(gòu)成上、下兩個(gè)三角量測(cè)系統(tǒng)，分別同時(shí)測(cè)量玻璃帶上下表面的位移，根據(jù)兩個(gè)線陣CCD傳感器的位移值，計(jì)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(gè)角度關(guān)系。

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

由圖5中有公式（5）：

對(duì)（5）式中的 x-x1cosα1、x2cosα2以及 x 測(cè)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(gè)線陣CCD傳感器在垂直方向裝配時(shí)需錯(cuò)開(kāi)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(dòng)等因素造成的對(duì)玻璃厚度測(cè)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(cè)量時(shí)，測(cè)厚系統(tǒng)必須有冷卻裝置才能正常工作[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了透射式測(cè)厚法、單激光反射式測(cè)厚法、雙激光反射式測(cè)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(cè)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(cè)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(jià)值。

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