這套用于板材厚度測量的系統(tǒng)，其測量裝置的設(shè)計獨(dú)具匠心。基座作為整個裝置的 “根基”，采用高穩(wěn)定性材料精心打造，內(nèi)部巧妙安置隔振措施，宛如一位沉穩(wěn)的 “大力士”，穩(wěn)穩(wěn)地支撐起整個測量裝置，同時將外部振動無情地隔絕在外，為精準(zhǔn)測量營造出穩(wěn)定的環(huán)境。傳感器支架呈穩(wěn)定的 “A” 字型龍門式結(jié)構(gòu)，恰似兩座堅固的 “瞭望塔”，精準(zhǔn)地固定上下兩個超精密激光位移傳感器，確保它們始終保持差動布局，實現(xiàn)對樣板厚度的同步、精準(zhǔn)測量。樣板固定臺采用中空框架式一體結(jié)構(gòu)，如同一只溫柔而有力的 “大手”，可靠地固定被測樣板，保證樣板在測量過程中穩(wěn)如泰山，厚度測量穩(wěn)定可靠。移動平臺則依托二維精密導(dǎo)軌，如同為樣板固定臺裝上了 “風(fēng)火輪”，能精準(zhǔn)控制其在 、 兩個方向平穩(wěn)移動、可靠定位，輕松實現(xiàn)多點(diǎn)位的厚度測量，全方位捕捉樣板厚度信息。

在整個測量系統(tǒng)中，激光位移傳感器無疑是最為關(guān)鍵的 “主角” 之一，其選型的精準(zhǔn)度直接關(guān)乎測量成敗。光源的抉擇堪稱重中之重，經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡與大量實驗驗證，波長處于 400 - 650nm 范圍的激光二極管脫穎而出。這一區(qū)間的光源，穩(wěn)定性表現(xiàn)卓越，能在復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境中 “穩(wěn)如泰山”，為測量提供可靠的基礎(chǔ)；同時，在成本控制上也達(dá)到了理想的平衡，兼顧了企業(yè)的投入產(chǎn)出效益。然而，激光二極管發(fā)射的光線天生帶有一定發(fā)散角，難以直接滿足高精度測量對光線準(zhǔn)直性的嚴(yán)苛要求。為攻克這一難題，高性能的準(zhǔn)直鏡組 “閃亮登場”。它宛如一位神奇的 “光線魔法師”，能夠巧妙地將發(fā)散的光線梳理成近乎完美的平行光束，確保激光精準(zhǔn)無誤地射向目標(biāo)板材，大大提升了測量的準(zhǔn)確性。不僅如此，聚焦鏡組的聚焦光斑尺寸也被精心調(diào)控，務(wù)必使其控制在微米級。如此精細(xì)的光斑，能夠在板材表面精準(zhǔn) “定位”，捕捉到最為細(xì)微的高度變化，不放過任何一個影響測量精度的細(xì)節(jié)。在濾光片的設(shè)計上，同樣傾注了大量心血。石英濾光片憑借其優(yōu)異的光學(xué)性能和耐高溫特性，毫無爭議地成為首選。其帶寬被嚴(yán)格限定在不超過 50nm 的范圍內(nèi)，這一精細(xì)的設(shè)置有效屏蔽了雜散光的干擾，確保測量系統(tǒng)能夠以極高的靈敏度精準(zhǔn)感知板材表面的反射光信息，為厚度測量的高精度提供了堅實保障。通過對這些關(guān)鍵部件的精心挑選與優(yōu)化組合，激光位移傳感器的性能得以全方位提升，為板材厚度測量的高精度、高穩(wěn)定性筑牢了根基。

自動測量模式更是將高效與精準(zhǔn)展現(xiàn)得淋漓盡致。只需簡單設(shè)置，系統(tǒng)便能自動按照預(yù)設(shè)程序，快速、精準(zhǔn)地完成對樣板各個點(diǎn)位的測量。這一過程不僅大大節(jié)省了人力，還確保了測量的一致性和準(zhǔn)確性，為大規(guī)模、高效率的生產(chǎn)提供了有力支持。

為了去除這些 “雜質(zhì)”，該模塊巧妙運(yùn)用中值濾波和平滑濾波相結(jié)合的方法，對傳感器的測量數(shù)據(jù)及計算得到的鋼板厚度值進(jìn)行深度 “清洗”。首先登場的中值濾波，猶如一位智慧的 “篩子”，能夠精準(zhǔn)識別并去除粗差。它在眾多數(shù)據(jù)中挑選出最具代表性的中值，有效排除那些因突發(fā)干擾而產(chǎn)生的異常值，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。接著，平滑濾波器如同一位細(xì)膩的 “畫師”，對經(jīng)過中值濾波的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步潤色。它通過巧妙的算法，減小相鄰測量值之間的偏差，讓數(shù)據(jù)曲線更加平滑、連續(xù)，真實反映板材的厚度變化趨勢。通過這兩步精細(xì)的濾波操作，測量的重復(fù)性得到了極大優(yōu)化，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性大幅提升，為后續(xù)的決策判斷提供了堅實依據(jù)。

重復(fù)性測試是衡量測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。我們精心挑選了不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)陶瓷量塊，涵蓋了從 0.5mm 到 4.0mm 的多種厚度，對其中心點(diǎn)展開了細(xì)致入微的重復(fù)性測試。在測試過程中，針對測量點(diǎn)附近 2mm×2mm 的微小區(qū)域，進(jìn)行了多次微動掃描。每完成一次掃描，便精準(zhǔn)記錄下一個測試結(jié)果，隨后將 、 兩個方向的導(dǎo)軌歸零，待裝置穩(wěn)定后，再次重復(fù)上述操作，如此往復(fù)多次。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎悖贸?10 次測試結(jié)果之間的標(biāo)準(zhǔn)差。從測試數(shù)據(jù)來看，當(dāng)厚度為 0.5mm 時，測量結(jié)果的重復(fù)性可達(dá) 0.10μm；厚度為 1.0mm 時，重復(fù)性為 0.16μm；2.0mm 厚度對應(yīng)的重復(fù)性是 0.24μm；3.0mm 厚度下重復(fù)性為 0.16μm；4.0mm 厚度時重復(fù)性為 0.17μm。這些數(shù)據(jù)充分表明，系統(tǒng)在面對不同厚度的板材時，均能保持極高的測量穩(wěn)定性，重復(fù)性精度完全滿足高標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求，為工業(yè)生產(chǎn)中的精準(zhǔn)測量提供了堅實保障。

測量允許誤差直接反映了系統(tǒng)的精度水準(zhǔn)。此次測試，我們選用了 8 塊精心校準(zhǔn)的量塊，其厚度從 0.5mm 到 4.0mm 不等，分布均勻，極具代表性。每塊量塊在樣板盤所處位置的中心點(diǎn)都經(jīng)過精確標(biāo)記，以坐標(biāo)點(diǎn)形式清晰呈現(xiàn)，確保測量的精準(zhǔn)定位。執(zhí)行自動標(biāo)定程序時，采用先進(jìn)的 3 次樣條曲線法，依次對所有量塊進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定。標(biāo)定完成后，對標(biāo)準(zhǔn)量塊展開全面測量，測量范圍覆蓋 2mm×2mm 的矩形區(qū)域，確保獲取的數(shù)據(jù)全面且準(zhǔn)確。從測量結(jié)果來看，絕大多數(shù)厚度測量誤差被精準(zhǔn)控制在允許誤差的 30% 以下，這意味著系統(tǒng)的測量精度遠(yuǎn)超預(yù)期，能夠為高精度需求的工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，有力保障產(chǎn)品質(zhì)量。

測量漂移性測試則聚焦于系統(tǒng)在長時間測量過程中的可靠性。我們特意挑選了 4 種不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)量塊，厚度分別為 0.5mm、1.5mm、2.5mm 和 4.0mm，模擬實際生產(chǎn)中可能遇到的各種厚度場景。在長達(dá) 10 小時的測試周期內(nèi)，始終保持激光精準(zhǔn)打在量塊的同一個測量點(diǎn)上，連續(xù)不間斷地進(jìn)行測量，測量間隔精確控制在 1 秒，每組數(shù)據(jù)測量約 36000 點(diǎn)，全方位捕捉測量數(shù)據(jù)的細(xì)微變化。通過嚴(yán)謹(jǐn)計算每組測量數(shù)據(jù)的極大值、極小值、極差以及標(biāo)準(zhǔn)差，得出的結(jié)果令人振奮。對于這 4 種不同厚度的量塊，其長期測量漂移性均優(yōu)于 ±0.1%，完美契合指標(biāo)要求。這充分證明，即使在長時間、高強(qiáng)度的測量任務(wù)下，系統(tǒng)依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性始終如一，為工業(yè)生產(chǎn)中的連續(xù)監(jiān)測提供了可靠保障。

展望未來，隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，激光位移傳感器在板材厚度測量領(lǐng)域必將發(fā)揮更大作用。相信在科研人員的不懈努力下，測量系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和智能化水平將不斷提升，為工業(yè)生產(chǎn)注入更強(qiáng)大動力，推動各行各業(yè)蓬勃發(fā)展，創(chuàng)造更加輝煌的未來。

本文參考摘抄自基于激光位移傳感器的厚度測量校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用
孫 進(jìn)， 于子金
( 寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部， 上海 200941)