中型热扎圆钢直径在线检测仪光学系统研究分析

　　0引言

　　在冶金工业的热轧棒材生产中，为了降低生产成本，提高成材率，减少因尺寸误差造成的废品，减少生产中抽检试棒的原材料损耗，以及实现负偏差尺寸轧制，要求连续地对轧件进行在线检测。近年来随着计算机和光电技术的发展，光学非接触测径技术得到很快的发展，并已逐步用于热轧钢的动态检测。本项目研制的中型热轧圆钢直径在线检测仪，已用于生产现场，实现连续的在线检测。其主要的技术指标如下:测量范围:Φ60mm~Φ130mm;检测温度:<1200C;仪器分辨力:0.02mm;非线性误差:<0.05mm;动态测量精度:优于士0.2mm。

　　中型轧钢车间检测条件恶劣，具有强烈的冲击和振动;大的水汽、灰尘;严重的电磁干扰;测量在高温下进行，仪器要经受连续的高温辐射;此外，在测量过程中会有大量的氧化铁皮从车L件上剥落等。诸多因素都严重地影响其实现稳定的高精度检测。

　　本仪器在研究热场理论和光学实验的基础上，设计了一种新结构的背景光照明平行光投影成像、CCD电荷藕合器件接收的光学系统，从测量方法上消除被测件晃动或振动对测量的影响，克服了经成像窗口的热辐射和工件高温自发光辐射像对测量的干扰。同时在机械设计和电路、微机系统设计中考虑了防震地基、隔热水套、封闭外壳、除尘装置、冷却系统、抗电磁、氧化铁皮干扰等，从而实现了大尺寸热钢的动态检测图1所示为仪器的光路系统。

　　1.光学系统和测量原理

　　热钢垂直、水平两个方向的线尺寸，以相同的放大率分别成像于四个CCD器件上，经光电转换和电路、微机系统，显示两个方向的动态尺寸。光路由一个共用照明系统和四个成像系统组成。照明系统采用远心柯拉照明型式，视场照明均匀，无杂光，出射平行光束。成像系统具有以下特点:(1)保证在热辐射条件下背景光成像，光电器件能获得高的稳定的信噪比。(2)被测件纵向、横向晃动，在光学原理上保证其放大倍率为常数，或其变化在允许的公差内。(3)热轧件要在振动状态下测量，系统的测量方法能消除振动的有害影响，保证其有高的测量精度。(4)采用小尺寸光学元件实现中型钢测量范围宽、尺寸大的要求。

　　光路图中，光源1经聚光镜组2会聚于光阑3，经准直透镜4形成平行光束。半透半反镜5将其分成反射光路和透射光路。透射光路经半透半反镜6和全反镜7，形成两束平行光照射工件左右边缘，再经红外滤光片8，12和成像透镜9、13，及其焦平面处的光阑10、14，以物方远心光路成像于CCD11、15上。CCD上影像所覆盖的象素数加上两平行光束之间距，即为工件水平方向直径大小。同样，反射光路经半透半反镜16，全反镜21，红外滤光片17、22，成像透镜18、23，光阑19、24成像于CCDZo、25，测量工件垂直方向直径大小。工件直径的计算公式为: