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項目案例 Case
Case 激光位移

激光在線測厚振動分析與精度優化

日期: 2022-01-17
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摘要:激光測厚具有安全可靠、測量精度高、測量范圍大等優點,廣泛應用于紙張、電池極片等薄膜類材料厚度的在線測量。帶材寬幅方向掃描測厚時由于掃描架往復運動會產生機械振動,影響在線測厚精度。針對該問題,以鋰離子電池極片厚度測量為例,使用雙激光差動式測厚平臺對電池極片和銅箔分別進行厚度測量,然后對測厚數據進行頻譜分析,探究其振動規律的相似性,并基于頻譜分析結果采用滑動帶阻濾波方式對測厚數據進行處理,濾波后極片和銅箔的厚度極差分別降低了33.4%和73.8%,有效過濾了機械振動導致的測量誤差,可滿足極片和銅箔厚度測量的精度要求。


關鍵詞:激光測厚;振動;頻譜;濾波


0引言

激光測厚具有安全可靠、測量精度高、測量范圍大等優點,廣泛應用于紙張、木板、鋼板、傳輸帶、橡膠片、電池極片等材料厚度的在線檢測。如在鋰離子電池生產制造過程中,激光測厚就被用于極片涂布和輥壓厚度的在線測量,以保證電池極片的良品率,從而保障電池的安全性、容量和壽命等關鍵指標。薄膜材料的制造大多采用低成本、高效率的卷對卷制造工藝,在加工制造的過程中,為了實現帶材寬幅方向的厚度測量,一般需要采用多傳感器或掃描式測量的方式,后者由于低成本優勢在工業界應用較多。


掃描式測厚時由于掃描架的往復運動產生的機械振動,極大地影響了其測量精度,使得其無法滿足電池極片等高精度應用領域的測量需求。在掃描過程中,激光位移傳感器固定于掃描架上,受掃描運動影響,會產生姿態和相對位置的變化,大致測量值出現波動,最終導致測量結果出現偏差。除了振動之外,其他因素如激光束旋轉、帶材偏轉等也會引起測量誤差,但這些均屬于靜態誤差,可通過標定的方式去除。因此,在激光測厚的過程中,對振動的控制和消除成為保證測量精度的關鍵。


對于如何降低激光測厚中的動態偏差,研究人員做了多方面的研究。在掃描架結構優化方面,中南大學的周俊峰和敖世奇對激光測厚C型架進行了模態分析與振動實驗,并改進了C型架的結構;Kramer等提出了矩形框架結構,并通過添加額外的激光器和探測器來實現對上下激光位移傳感器之間距離波動的補償。在數據處理方面,郭媛等通過對鋼板厚度測量結果進行補償,彌補了因溫度、板材材質不同及振動偏移引起的誤差,大大提高了測量精度;關淑玲等運用數據處理的方法來消除環境白噪聲的污染,比較了多種濾波方式對激光測厚振動誤差消除的效果,運用加權平均法和小波濾波對數據進行處理,提高了測量精度;陳功等使用多尺度小波變換、稀疏矩陣解法對激光測厚的數據進行處理,降低了振動對測量結果的影響。這些技術和研究工作在不同層面上減小了激光掃描測厚過程中振動導致的測量誤差,但同時也存在著成本高、安裝精度要求高等局限性,無法滿足薄膜激光測厚的需求。


基于此,本文以高精度的鋰離子電池極片厚度測量為例,通過多次實驗測量,探究掃描式機械振動所致誤差的規律性,并分析比較了測量數據的頻譜。在此基礎上,采用滑動帶阻濾波方法,通過匹配頻率相似區間并對測量結果進行修正,來消除了振動對測量結果的影響,提高了測量精度。


基于滑動帶阻濾波的振動補償方法

振動干擾對應的頻率并非是固定的,而是表現為一定區間的復雜頻譜,是許多不同頻率和不同振幅的諧振組合。解決復雜頻譜去噪問題的關鍵是要有效區分有用信號和噪聲信號,并去除噪聲信號。為此,本文提出一種滑動帶阻濾波的方法,通過滑動區間的方式尋找頻譜之間相似度最大的部分,從而確定振動噪聲頻率段,最終達到去除噪聲的目的。


在激光測厚過程中,有用信息為待測材料的厚度波動信息,噪聲信號主要成分為機械振動。基于此,含機械振動噪聲的厚度數據滑動帶阻濾波的具體步驟如下:

1)在同一工作條件下采集不同對象的多組厚度數據,對采集到的厚度信號值進行傅里葉變換并進行歸一化處理;

2)選擇起始頻率值f(f大于厚度波動頻率)、終止頻率值f和振動頻率所在范圍邊界f。利用余弦相似度計算公式計算待測帶材在所選頻率區間內的余弦相似度C,其計算公式為

激光在線測厚振動分析與精度優化

式中,X,Y為兩組頻譜所選區間的數據點,n為帶寬,n=f-f

3)將頻率區間向右擴展L,即起始頻率值為fa,終止頻率值為f+L,利用余弦相似度計算公

式計算待測帶材在新頻率區間內的余弦相似度C1,同時記錄對應的頻率區間;

4)重復步驟3)m次,每次計算的余弦相似度為C,直至終止頻率值f+mL到達振動頻率所在的范圍邊界f

5)比較多次計算得到的余弦相似度(C~C),選擇最大相似度Cmax的對應區間作為相似區間;

6)當數據組數量超過2時,應綜合考慮各個數據組之間的相似度,依據平均相似度選擇最終的相似區間,平均相似度Cavg的計算方法見式(2):

激光在線測厚振動分析與精度優化

式中,αij為權重,Cij,m為第i組與第j組數據在第m次時的相似度,Cavg,m為第m次的相似度平均值,不做特殊說明時α=1/n;

7)針對相似區間,設計帶阻濾波器對數據進行濾波處理,實現振動補償。整個算法的流程如圖1所示。

激光在線測厚振動分析與精度優化

圖1滑動帶阻濾波算法流程圖


2激光測厚實驗

2.1實驗裝置

雙激光位移傳感器上下差動式測厚系統主要包括激光測量裝置、校準裝置、橫向掃描運動機構、機架等四部分。系統原理圖如圖2所示,整個裝置通過地腳固定在地面,極片經張力輥繃直后水平鋪放在傳送輥之間,激光位移傳感器固定于掃描C架上下兩臂,對極片進行差動式測厚。激光測厚系統基本原理如圖2所示,根據C架間隔距離S和兩個激光位移傳感器測得的位移值A,B可得帶材厚度h=S-A-B。激光測量裝置采用某品牌激光位移傳感器(測量范圍為±3mm,重復精度為0.02μm),能夠滿足極片測厚的精度要求;電機控制C架做掃描運動,實現對帶材寬幅方向厚度的動態測量。測量過程中,激光位移傳感器將測得的厚度數據實時傳輸至上位機進行讀取和存儲。

激光在線測厚振動分析與精度優化

圖2測厚系統原理圖


為了探究測厚系統的精度以及振動對測量結果的影響,設計并進行了多組實驗。實驗材料包括500μm(制造精度為±μm)的標準厚度量塊、15μm的空銅箔(制造精度為±μm)和180.5μm的電池極片(制造精度為±μm)。其中標準厚度量塊用于測厚系統的精度檢驗和標定,其余材料用于檢驗測厚系統的有效性并分析機械振動對測量精度的影響。實驗方式包括靜態測厚和動態掃描測厚,其中靜態實驗為靜態定點測厚,動態實驗為C架以55mm/s速度移動的掃描測厚。


2.2實驗步驟

1)測厚系統精度檢驗實驗

首先對500μm的標準厚度量塊進行厚度測量,將標準厚度量塊置于中空載物臺,進行單點靜態測厚,檢驗靜態條件下該測厚系統的厚度測量結果是否滿足精度要求。

2)測厚系統標定

將標準片調整為水平狀態,移動C型架到標準片的位置進行測量,重復多次得到平均厚度測量值H,與標準片實際厚度值h相減得到差值,則標準片的測量值H被校準成了實際值h,系統靜態誤差得以消除,實現系統標定。

3)重復性測量實驗

系統標定后,將帶材繃緊固定于張力輥和過輥上,對厚度為180.5μm的電池極片同一部分進行多

次厚度掃描測量,對比測量結果,檢驗該測厚系統是否具有較高的重復精度。

4)空銅箔、極片厚度測量實驗

將15μm的空銅箔和180.5μm的電池極片固定于張力輥和過輥上,用55mm/s的掃描速度對銅箔和電池極片進行動態橫向掃描測量。根據測厚結果檢驗測厚系統是否滿足實際鋰離子電池極片生產制造過程中的測量精度要求。


3結果與討論

3.1測厚實驗標定及重復性驗證

本實驗采用500μm的標準厚度量塊,目的是檢驗測厚系統的精度,測量結果如圖3(a)所示,厚度極差僅為0.28μm(優于制造精度1μm),說明測厚平臺的精度滿足測量要求。

激光在線測厚振動分析與精度優化

(a)測厚數據


實驗中對同一極片的同一部位以55mm/s的掃描速度進行兩次掃描測量,結果如圖3(b)所示,兩次測厚結果基本吻合,相差最大值約為1.5μm,驗證了測厚系統的重復精度。

激光在線測厚振動分析與精度優化

(b)兩次重復掃描測量結果

圖3標準厚度量塊測厚及重復性驗證結果


3.2極片、空銅箔掃描測厚

在上一節圖3(b)中,掃描測厚過程測量結果波動較大,對圖3(b)測厚數據進行頻譜分析,結果如圖4所示。對比靜態測量數據的頻譜和掃描測量數據的頻譜,可以看出靜態誤差對頻域的影響遠低于振動和帶材本身厚度波動帶來的影響,因而去除測量過程中振動的影響是保證測量精度的關鍵。此外,在測厚數據的頻域分析中,厚度波動為低頻信號,而振動帶來的干擾在頻譜中也體現為低頻信號,故在數據處理時,應注意保留真實的厚度波動信息。

激光在線測厚振動分析與精度優化

圖4靜態、掃描測量頻譜圖


極片和銅箔在55mm/s的掃描速度下得到的測厚數據的頻譜如圖5所示。可以看出,極片與銅箔的頻譜變化規律十分相似,在低頻、250Hz和400Hz附近都有著相近的頻率分布,且高幅值的信號主要集中在低頻部分,與實際機械振動和厚度波動的頻譜相符。由頻譜的相似性推斷,在相同的試驗環境下,極片和銅箔測厚過程受到的影響是相近的。在本文的實驗條件下,C架的振動是低頻的,在對測厚數據進行處理的過程中,運用求交的思想,找到低頻段中相似的部分,以此作為振動的影響。

激光在線測厚振動分析與精度優化

(a)電極1? ? ? ?(b)銅箔1


激光在線測厚振動分析與精度優化

(c)電極2? ? ? ?(d)銅箔2


激光在線測厚振動分析與精度優化

(e)電極3? ? ? ?(f)銅箔3

圖5電池極片、銅箔振動頻譜圖


匹配最佳相似區間采用第1節中所述方法,對頻譜數據進行滑動帶阻濾波處理。根據圖5及機械振動頻率,選擇fa=10Hz,fb=15Hz,fv=150Hz,L=1Hz,最終選擇Cmax對應頻率區間10~103Hz作為相似區間,此時極片1,2,3和銅箔1,2,3相似度結果如圖6所示。

激光在線測厚振動分析與精度優化

圖6相似度


通過對比極片和銅箔頻譜,發現在10~103Hz區間極片與銅箔的頻譜吻合度較高,而極片和銅箔基于相同條件進行掃描測量,因此該頻率段即為振動干擾的體現;而在1~5Hz區間,極片幅值遠大于銅箔幅值,可視為本身厚度的波動體現。由此可見,厚度本身的波動頻率和振動所致的頻率有著數量級上的區別,通過滑動帶阻濾波能較好地分離出厚度信息。


基于此,設計帶阻濾波器對數據進行處理,濾除10~103Hz區間信號,得到了修正后的數據,結果如圖7及表1所示。可看出在C架移動掃描的情況下,濾波處理前極片和空銅箔厚度測量值波動較大,經濾波處理后,整體數據較為平穩。其中銅箔濾波后極差為0.73μm(降低了73.8%),滿足銅箔制造精度±1μm的要求。極片濾波后極差為4.06μm(降低了33.4%),此外,在工業生產中,極片本身涂布厚度約有±2μm的精度偏差,圖7中修正后的數據波動符合實際厚度變化,說明滑動帶阻濾波處理有效消除了振動對測厚結果的干擾,同時較好地保留了厚度的真實值。

激光在線測厚振動分析與精度優化

(a)極片厚度


激光在線測厚振動分析與精度優化

(b)銅箔厚度

圖7掃描厚度測量結果


激光在線測厚振動分析與精度優化


4結語

帶材寬幅方向動態掃描測厚時,掃描架的往復運動會產生復雜的機械振動,影響激光測厚精度。本文以鋰離子電池極片和空銅箔測量為例,發現空銅箔測厚數據的頻譜和電池極片測厚數據頻譜十分相似,且高幅值干擾信號主要集中于低頻部分,其頻率與機械振動頻率較為符合,說明二者在測量的過程中受到了相似機械振動的干擾,最終導致了測量誤差。基于此,提出了滑動帶阻濾波的方法,尋找信號頻譜最佳相似區間作為振動噪聲區間,并設計濾波器對測量數據進行處理。通過相似度匹配可得,振動所致的噪聲頻率為10~103Hz,與帶材本身厚度波動頻率(1~5Hz)存在數量級上的差別,兩者能夠較好地分離。通過帶阻濾波器去除10~103Hz區間的振動頻率,濾波后極片和銅箔的極差分別降低了33.4%和73.8%,可滿足實際的測厚精度要求。



論文標題: Vibration Analysis And Precision Optimization of Laser OnlineThickness Measuremen


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    2025 - 01 - 14
    一、引言1.1 研究背景與意義玻璃,作為一種用途極為廣泛的材料,憑借其透明、堅硬且易于加工的特性,在建筑、汽車、電子、光學儀器等眾多行業中占據著舉足輕重的地位。在建筑領域,玻璃不僅被廣泛應用于建筑物的窗戶、幕墻,以實現采光與美觀的效果,還能通過巧妙設計,增強建筑的整體通透感與現代感;在汽車行業,從擋風玻璃到車窗,玻璃的質量與性能直接關系到駕乘人員的安全與視野;在電子行業,顯示屏、觸摸屏等關鍵部件更是離不開玻璃,其質量和精度對電子產品的性能和用戶體驗有著深遠影響。在玻璃的生產、加工以及應用過程中,對其進行精確測量顯得至關重要。以玻璃基板為例,這一液晶顯示器件的基本部件,主要厚度為 0.7mm 及 0.5mm,且未來制程將向更薄(如 0.4mm)邁進。如此薄的厚度,卻要求嚴格的尺寸管控,一般公差在 0.01mm。玻璃厚度的均勻性、平整度以及表面的微觀形貌等參數,直接決定了玻璃在各應用場景中的性能表現。例如,汽車擋風玻璃若厚度不均勻,可能導致光線折射異常,影響駕駛員視線;電子顯示屏的玻璃基板若存在平整度問題,會影響顯示效果,出現亮點、暗點或色彩不均等現象。傳統的玻璃測量方法,如千分尺測量、激光三角法等,雖在一定程度上能滿足部分生產需求,但在精度、效率以及適用范圍等方面存在諸多局限。千分尺測量屬于接觸式測量,容易受到人工操作的影響,導致測量誤差較大,且可能對玻璃表面造成損傷;激光三角法對透...
  • 7
    2025 - 02 - 09
    1. 性能參數對比參數LTP400基恩士 LK-G400米銥 ILD1420-200測量范圍±100 mm漫反射 ±100 mm200 mm(具體范圍依型號)采樣頻率160 kHz(最高)50 kHz(對應 20 μs)8 kHz(可調)靜態噪聲1.5 μm(平均后)2 μm(再現性)8 μm(重復性)線性誤差±0.05% F.S.(±100 μm)±160 μm光斑直徑Φ300 μm(W型號更寬)ø290 μm750 x 1100 μm(末端)接口類型以太網、485、模擬輸出未明確(可能基礎)RS422、PROFINET、EtherCAT防護等級IP67IP67IP67重量438 g380 g(含線纜)145 g(帶電纜)可定制性激光功率、藍光版本、模擬模塊無提及ASC(動態表面補償)、多種工業接口2. LTP400 的核心優勢超高采樣頻率(160 kHz)遠超 LK-G400(50 kHz)和 ILD1420-200(8 kHz),適用于高速動態測量場景(如振動監測、快速產線檢測)。優異的靜態噪聲與線性精度平均后靜態噪聲僅 1.5 μm,優于 LK-G400(2 μm)和 ILD1420-200(8 μm)。線性誤差 ,顯著優于 LK-G400(±100 μm)和 ILD1420-200(...
  • 8
    2023 - 09 - 20
    首先,讓我們對TOF進行一次短暫的“速讀”——它全稱叫'time-of-flight',中文怎么說呢?風格灑脫地稱之為“飛行時間”。你沒聽錯,就是“飛行時間”。所有的顛覆與創新始于赤裸裸的想象,對吧?再來回過頭,看看我們的主角TOF激光測距傳感器。激光這東西,我想你肯定不陌生。科幻大片,醫美廣告里都被頻繁提及。對這位明星,我們暫時按下暫停鍵, 我們聊一聊測距傳感器——那可是能把復雜的三維世界,硬是證明成一串串精準數據的硬核工具。當然,他倆的組合,并不是偶然撞壁造成的火花。在“鷹眼”TOF的身上,激光變得更加酷炫,傳感器技術也變得更為深邃。他們共舞的主線,就是光的飛行時間。想象一下,要在現實世界計算出光從物體發射出來,然后反射回傳感器的時間。你愣了一秒,覺得好像進入了'黑洞'的領域。實則不然,TOF激光測距傳感器就是這樣“耳提面命”。它以光速旅行者的姿態,穿越空間,告訴我們物體與之間的距離。親,你有聽說過光速嗎?大約每秒走30萬公里哦,這個速度足夠你在一秒鐘內去繞地球七點五圈了!TOF激光測距傳感器就是他們利用這么一個迅疾的光速,再加上高精度的時鐘,來高效精確地計算出飛行時間并轉化為距離數據。小編想說,TOF不僅玩科技,他更玩智謀,戰勝了同類的超聲波、紅外線等測距設備。畢竟,被物的顏色、亮度、表面材質,或者環境的溫濕度對他來說都不構成鎖鏈。準確到“下毛...
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泓川科技國產激光位移傳感器HC16-15與進口Micro-Epsilon米銥ILD1420-10技術... 2025 - 04 - 02 以下為HC16-15國產激光位移傳感器與進口ILD1420-10的對比分析報告,重點圍繞技術參數、性能指標及國產替代可行性展開:一、核心參數對比指標HC16-15(泓川科技)ILD1420-10(Micro-Epsilon)測量范圍±5mm(總10mm)10mm(SMR 20mm至EMR 30mm)線性度±0.1% F.S.±0.08% F.S.重復精度1μm0.5μm采樣頻率3000Hz(最高)4000Hz(最高)光源波長655nm(可見紅光)670nm(可見紅光)輸出接口RS485(Modbus RTU)、0-10V/4-20mARS422、4-20mA/1-5V工作溫度-10°C ~ +50°C0°C ~ +50°C防護等級IP67IP65尺寸(mm)44×31×18約47.5×14(主體)重量70g(含線纜)60g(含線纜)激光安全等級Class 2Class 2(ILD1420)/ Class 1(CL1版本)二、性能深度分析1. 精度與穩定性HC16-15:線性度±0.1% F.S.(優于多數國產傳感器),1μm重復精度滿足工業級需求,溫度特性0.05% F.S/°C,適合寬溫環境。ILD1420-10:線性度±0.08% F.S....
關于德國米銥(Micro-Epsilon)optoNCDT 1420 系列激光位移傳感器的深度研究報... 2025 - 04 - 02 一、引言1.1 研究背景與意義在現代工業生產與精密測量領域,對高精度、高可靠性位移測量技術的需求與日俱增。激光位移傳感器憑借其非接觸測量、高精度、高響應速度以及抗干擾能力強等顯著優勢,已成為實現自動化生產、質量控制與精密檢測的關鍵技術手段,廣泛應用于汽車制造、電子生產、機械加工、航空航天等眾多行業。optoNCDT 1420 系列激光位移傳感器作為德國米銥(Micro-Epsilon)公司推出的微型化、高精度位移測量解決方案,在尺寸、性能與功能集成等方面展現出獨特的優勢。其緊湊的設計使其能夠輕松集成到空間受限的設備與系統中,滿足了現代工業對設備小型化、集成化的發展需求;同時,該系列傳感器具備出色的測量精度與穩定性,可實現對微小位移變化的精確檢測,為精密測量與控制提供了可靠的數據支持。深入研究 optoNCDT 1420 系列激光位移傳感器的技術原理、性能特點及應用場景,對于推動激光位移測量技術的發展,拓展其在各行業的應用范圍,提升工業生產的自動化水平與產品質量具有重要的理論與實際意義。通過對該系列傳感器的全面剖析,能夠為相關領域的工程師、技術人員提供有價值的參考依據,幫助他們更好地選擇與應用激光位移傳感器,解決實際工程中的測量難題。1.2 研究目標與范圍本研究旨在全面深入地探究 optoNCDT 1420 系列激光位移傳感器,具體目標包括:詳細闡述該傳感器的工作原理,深入分析其技術...
泓川科技 LTM3-030/LTM3-030W 國產激光位移傳感器替代進口基恩士 IL-S025 的... 2025 - 03 - 27 1. 引言在工業自動化領域,激光位移傳感器是實現高精度非接觸測量的核心器件。基恩士 IL-S025 作為市場主流產品,以其 1μm 重復精度和穩定性能著稱。然而,隨著國產傳感器技術的突破,泓川科技 LTM3-030/LTM3-030W 型號憑借更高的性能參數和經濟性,為用戶提供了新的選擇。本文將從技術參數、性能表現、應用場景等方面,深入對比分析兩者的替代可行性。 2. 核心技術參數對比參數基恩士 IL-S025泓川科技 LTM3-030/LTM3-030W對比結論重復精度1μm0.25μm(LTM3-030)/ 0.25μm(LTM3-030W)LTM3 系列更優(4 倍精度提升)線性誤差±0.075% F.S.(±5mm 范圍)LTM3-030W 更優(接近 IL-S025)測量范圍±5mm(參考距離 25mm)±5mm(參考距離 30mm)等效采樣頻率3kHz(采樣周期 0.33ms)10kHzLTM3 系列更優(3倍速度提升)光斑尺寸25×1200μm(線性光斑)Φ35μm(M3-030)/ Φ35×400μm(M3-030W)LTM3 系列光斑更小(點光斑更聚焦)光源類型660nm 激光(Class 2)655nm 激光(Class 2)等效接口配置需外接放大器單元(支持 EtherNet/IP 等)...
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