一种基于平行平板光杠杆的薄片厚度测量系统

摘要

本发明涉及一种基于平行平板光杠杆的薄片厚度测量系统，包括激光器、光杠杆、图像传感器、图像处理设备、支架，激光器水平固定在支架的竖直杆上，激光器出射光线为水平光线；光杠杆，一端下方设有第一足尖，第一足尖放置在第一固定平台上，测量时与待测薄片相接触；光杠杆的另一端下方设有第二足尖和第三足尖，在光杠杆的上部固定有平行平板，光杠杆与平行平板相垂直，第二足尖和第三足尖第一足尖成“丁”字装置状对称分布，第二足尖和第三足尖放置在第二固定平台上；在光杠杆处于水平状态时，激光器的出射光线与平行平板相垂直；所述图像传感器，感光平面垂直于激光器出射光线。本发明操作方便快捷，测量精度较高。

权利要求

1.一种基于平行平板光杠杆的薄片厚度测量系统，包括激光器、光杠杆、图像传感器、图像处理设备、支架和两个固定平台，其特征在于：所述的激光器水平固定在支架的竖直杆上，激光器出射光线为水平光线；

所述的光杠杆，一端下方设有第一足尖，第一足尖放置在第一固定平台上，测量时与待测薄片相接触；

光杠杆的另一端下方设有第二足尖和第三足尖，在光杠杆的上部固定有平行平板，光杠杆与平行平板相垂直，第二足尖和第三足尖对称分布于平行平板的两底角处，与第一足尖成“丁”字装置状分布，第二足尖和第三足尖放置在第二固定平台上；在光杠杆处于水平状态时，激光器的出射光线与平行平板相垂直；当平行平板发生倾斜时，通过平行平板的入射光线与平行平板产生一定夹角，通过平行平板的出射光线与入射光线平行，但是存在一定的侧向位移，出射光线在图像传感器上的成像位置会发生改变；

所述图像传感器，感光平面垂直于激光器出射光线，图像传感器与图像处理设备相连。

2.根据权利要求1所述的厚度测量系统，其特征在于，所述的激光器为圆光斑激光器。

3.根据权利要求1所述的厚度测量系统，其特征在于，激光器在支架上的位置可以上下调节，支架的竖直杆上带有刻度，用以读出激光器所在的竖直位置。

说明书

一种基于平行平板光杠杆的薄片厚度测量系统

技术领域

[0001] 本发明属于测量技术领域，特别是一种基于平行平板光杠杆的薄片厚度测量系统。

背景技术

[0002] 薄片状物体的厚度是表征其物理特性的重要性质，如纸张的厚度、金属薄片的厚度、玻璃片的厚度等等，都很工业中非常重要的参数。常用的厚度测量装置有光杠杆、测厚仪、千分尺等等。光杠杆是一种常用的微小位移、角度常用的光学放大装置，中国专利CN204630553U公布了一种利用光杠杆测量纸张厚度的装置，该装置利用简单的光杠杆及双滚轮结构测量出纸张的厚度，装置结构较一般复杂的纸张厚度检测装置简单，但是纸张的装夹操作较为不易。常用的测厚仪根据测量原理的不同可以分为：利用α射线、β射线、γ射线穿透特性的放射性厚度计；有利用超声波频率变化的超声波厚度计；有利用涡流原理的电涡流厚度计；还有利用机械接触式测量原理的测厚仪等等几种。测厚仪可以用来在线测量轧制后的板带材厚度，并以电讯号的形式输出，该电讯号输给显示器和自动厚度控制系统，以实现对板带厚度的自动厚度控制。但是测厚仪的装置复杂，价格较为昂贵，不利于日常使用。千分尺也可以测量厚度，但是难以测量大型零件。因此有必要设计一种新的薄片厚度测量系统作为现有薄片厚度测量技术的补充和改进。

发明内容

[0003] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于平行平板光杠杆的薄片厚度测量系统，该系统利用平行平板光杠杆的放大特性对薄片厚度进行放大，系统简单易搭建，操作方便快捷，测量精度较高，不失为现有复杂测厚装置的一种补充和改进技术。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

[0004] 一种基于平行平板光杠杆的薄片厚度测量系统，包括激光器、光杠杆、图像传感器、图像处理设备、支架和两个固定平台，其特征在于：

[0005] 所述的激光器，激光器水平固定在支架的竖直杆上，激光器出射光线为水平光线；

[0006] 所述的光杠杆，一端下方设有第一足尖，第一足尖放置在第一固定平台上，测量时与待测薄片相接触；光杠杆的另一端下方设有第二足尖和第三足尖，在光杠杆的上部固定有平行平板，光杠杆与平行平板相垂直，第二足尖和第三足尖第一足尖成“丁”字装置状对称分布，第二足尖和第三足尖放置在第二固定平台上；在光杠杆处于水平状态时，激光器的出射光线与平行平板相垂直；

[0007] 所述图像传感器，感光平面垂直于激光器出射光线，图像传感器与图像处理设备相连。

[0008] 优选地，所述的激光器为圆光斑激光器。

[0009] 激光器在支架上的位置可以上下调节，支架的竖直杆上带有刻度，用以读出激光器所在的竖直位置。

[0010] 本发明具有的优点和积极效果是：将常见光杠杆中的平面反射镜替换成平行平板，不该变光杠杆放大的本质，却缩减了中间的测量过程，降低了系统的误差；利用平行平板光杠杆对薄片厚度进行测量，结构简单，检测速度快，精度高，操作简单，生产成本低。

附图说明

[0011] 图1为本发明应用的示意图；

[0012] 图2为本发明应用的平行平板的光学特点示意图；

[0013] 图3为本发明的标定原理示意图；

[0014] 图4为本发明应用测量状态下示意图。

[0015] 图中：1-激光器、2-平行平板、3-图像传感器、4-光杠杆、4-1-光杠杆第一足尖、4-2-光杠杆第二足尖、4-3-光杠杆第三足尖、5-待测物体、6-图像处理设备、7、8、9、10-支架具体实施方式

[0016] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

[0017] 如图1所示，一种基于平行平板光杠杆的薄片厚度测量系统，所述一种基于平行平板的光杠杆测量系统包括激光器、平行平板光杠杆、图像传感器、图像处理设备、支架和待测量物体，其特征在于：

[0018] 所述的激光器1为圆光斑激光器，激光器1水平固定在支架10上，激光器1在支架10上的位置可以上下调节，激光器1出射光线为水平光线，支架10安装杆上带有刻度，方便读出激光器1所在的竖直位置；

[0019] 所述平行平板光杠杆包括光杠杆4和平行平板2，光杠杆4的一端下方设有第一足尖4-1，第一足尖4-1与待测物体5相接触，待测物体5放置在支架8的上端平台上，光杠杆4的另一端下方设有第二足尖4-2和第三足尖4-3，第二足尖4-2和第三足尖4-3对称分布于平行平板2的两底角处，与第一足尖成“丁”字装置状分布，第二足尖4-2和第三足尖4-3放置在支架9的上端平台上；平行平板2竖直固定在光杠杆4的第二足尖4-2和第三足尖4-3正上方，平行平板2的竖直截面与激光器1的出射光线垂直，且中心共线；

[0020] 所述图像传感器3为CCD图像传感器，固定在支架7上，图像传感器3感光平面垂直于激光器1出射光线，传感器中心与激光器1的出射光线、平行平板2的中点共水平面，图像传感器3通过线缆与图像处理设备6相连。

[0021] 如图2所示，设平行平板2厚度为D,折射率为n。将a份待测薄片码成竖直一摞放置在支架8的上端平台上、光杠杆4的第一足尖4-1下，这会使光杠杆4的第一足尖4-1下端上升Δl时，光杠杆4和平行平板2会发生倾斜。当平行平板2发生倾斜时，入射光线与平行平板2产生一定夹角，设第一边界入射角为I1，出射角为I1′，第一边界入射角为I2，出射角为I2′，易知通过平行平板2的出射光线与入射光线平行，但是存在一定的侧向位移。

[0022] 侧向位移AC＝AB·sin(I1-I1′),而AB＝D/cos(I1′)，

[0023] 因此有

[0024] 利用三角函数中的和差角公式sin(I1-I1')＝sin(I1)cos(I1')-cos(I1)sin(I1')[0025] 及折射率定义公式

[0026] 进一步化简，有

[0027] 当平行平板2转动的角度足够小时，近似有I1＝I1'，故有cos(I1)＝cos(I1')，sin(I1)＝I1。

[0028] 在上述条件下，侧向位移可以进一步表示为

[0029]

[0030] 此时为近轴光，轴向位移与入射角无关，完善成像。

[0031] 如图3所示，初始时，通过调节装置，将激光器1的出射光线垂直穿过平行平板2照射到图像传感器3中心，形成圆形光斑。然后调节激光器1的上下位置，竖直方向上发生ΔN的位移，使其出射光线依旧垂直穿过平行平板2到达照射图像3上形成圆形光斑，记录下两圆形光斑的圆心在竖直方向的像素差N,则图像传感器每一像素代表的实际位移为 此时若入射图像传感器的激光光斑竖直位移差距为ΔM,图像传感器上两圆形光斑的圆心在竖直方向的像素差为M,容易得到

[0032]

[0033] 本测量系统中

[0034] AC＝ΔM                    (3)

[0035] 从而完成对图像传感器3的标定。

[0036] 如图4所示，将a份待测薄片码成竖直一摞放置在支架8的上端平台上、光杠杆4的第一足尖4-1下，这会使光杠杆4的第一足尖4-1下端上升Δl时，此时

[0037] Δl＝a·d                     (4)

[0038] d即为每份薄片的厚度。

[0039] 此时光杠杆4和平行平板2会发生倾斜，倾斜角度为Δα,近似地

[0040] Δα＝Δl/L                    (5)

[0041] 其中L为光杠杆第一足尖4-1与第二足尖4-2和第三足尖4-3连线的垂直距离,容易得到

[0042] Δα＝I1                      (6)

[0043] 上述的圆形光斑在图像传感器3上的成像位置会发生改变，记录下图像传感器3上圆形光斑竖直方向的像素差M，光杠杆4的第一足尖4-1到第二足尖4-2和第三足尖4-3连线的垂直距离L，平行平板2的厚度D及平行平板2材质的折射率n,

[0044] 根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)可以得到

[0045]

[0046] 计算此式可以计算得到每份薄片厚度的d。

[0047] 本发明的原理：

[0048] 本发明利用了平行平板的光学特点及光杠杆的放大特性的原理，将微小位移如厚度等小物理量放大后进行间接测量。平行平板的光学特点是当入射光线与平行平板截面存在非直角夹角时，光线出射平行平板后会存在一断侧向位移。光杠杆一端可以感受微小位移、微小角度等小物理量，另一端会改变其上面光学元件的位置，从而在系统中产生可测量的改变量。将平行光板作为光杠杆上的光学元件可以很好的利用两者的特点，实现微小位移如厚度等小物理量的测量。

[0049] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。