基于时间测量的扫描式厚度测量方法的精度分析及设计方法

　　厚度测量一直在工业生产过程中占有重要的地位.随着生产力水平的提高和工业生产自动化的普及，在生产流水线上，工件参数的测量是保证产品质量所必不可少的。运动中的工件给测量带来不便，使一些传统的厚度测量方法很难在流水线上应用。本文论述的基于时间测量的扫描式厚度测量方法的特点为:①非接触测量，使得该方法不仅适用于静态测量，而且更适用于在线动态测量;②测量精度高、范围宽，其相对测量精度优于10一‘，测量范围达10’mm量级;③对被测物表面的适应性好，可适用于具有镜面或漫反射面物体的厚度测量。

　　一、扫描式厚度测量方法的原理

　　测量原理如图1所示。在测量时，光束扫描器1和光束扫描器2在控制器的作用下进行同步扫描。上、下两束光在被测物体的上下两表面形成两条扫描光带，光束接收器为定向光束接收装置，两条光带中各有一点域与光束接收器对应，通过测量形成该点域的光束与起始扫描光束的时间间隔，即可得到被测物两表面的位置，从而得到其厚度值。

　　在设计时将两路结构对称设计，即有L;=LZ=L，月;。=刀劝“刀。，刀:1=刀2:=刀;，此时厚度值为:

　　二、系统精度的分析

　　扫描式厚度测量系统由于采用了动态扫描技术和光束起始扫描位置(扫描基准)自校技术，使系统的静态零漂得到改善，系统的分辨率得到了提高J但是在建模、结构设计以及后继信号处理等方面都存在着影响测量精度的因素。下面就如何提高系统的测量精度为题，探讨各因素对系统精度的影响程度以及改善系统精度的可能性。

　　1.线性误差

　　(l)由于位置量d，、dZ与“lp和“Zp的非线性函数关系，使得厚度值也是气p和“2P的非线性函数。在建模时，首先要对其进行线性化处理，这就不可避免地引人了系统误差.因此，在系统设计时采用了结构参数的优化设计和系统误差的修正技术。

　　线性化的模型为:

　　(2)L的大小只影响到测量系统的尺寸及分辨率，对线性误差影响不大。

　　(3)几+君:+今的值对线性度的影响较大，为使位置量d，(或d公的分母值变化较小，显然应有:

　　(4)光束偏转角a，的大小亦直接影响到sin:p向ap线性化过程的误差值。由于光束扫描器的限制，对f=IkHz左右的振镜扫描器，其最大偏转角一般在5。~7。之间，由此而带来的误差约为0.1%。

　　(5)由于结构和成本方面的原因，一般采用正弦振荡式振镜系统，即“=%sinot。在系统设计时，选用正弦函数线性较好的段落作为有效测量区间，可将这一线性误差减小到0.5%以下.