【行业应用】人造板厚度激光非接触测量研究

2024-01-17

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摘要：厚度是人造板重要参数之一，随着人造板工业的高速发展，对人造板厚度的测量精度和检测方法也提出了更高的要求。采用上下2台激光传感器对人造板厚度进行了静态和动态非接触测量试验研究，提出了上下2激光传感器间距的标定方法，认为人造板厚度激光非接触测量是完全可行的。在被测板材静止状态下，激光检测厚度与板材厚度实际值之间误差非常小；在板材移动状态下，可以实时得到板材激光检测厚度值。
关键词：人造板厚度；标定；静态测量；动态测量
近年来由于人造板工业的高速发展，木质人造板采用废弃的木结构材料再加工而成，并作为一种可循环利用的资源。人们对人造板厚度的精度控制越来越严格，人造板厚度尺寸的精度与产品的质量有着直接的关系，并与人造板生产企业的经济效益紧密相连。人造板在静态下通常用游标卡尺或千分尺等工具测量其厚度。生产线上人造板厚度的在线连续测量通常是通过滚轮接触式测量人造板的厚度，如20世纪80年代中期，德国的GreCon公司的TMC型厚度测量系统，这种方法虽然在当时使板材质量得到提高，但不足之处是测量精度较低，并随着测量时滚轮的磨损，测量误差逐渐增大，不能满足现代生产需求。加拿大的Pelican公司采用7射线对工厂生产出的定向结构刨花板(OSB)的厚度进行非接触测量，由于射线对身体有一定辐射，不利于在国内人造板厂进行推广。近年来激光技术及其传感器发展很快，激光的直射与漫反射测距原理逐渐被用来非接触式测距，精度高、方便、效果好，被大量应用于金属板材及表面不能接触或不准接触的热轧钢板厚度的在线测量。但到目前为止，利用激光对人造板厚度非接触测量的研究，很少见到报道。试图通过激光测距技术，利用激光位移传感器，非接触式检测人造板厚度，包括人造板静止状态下的静态检测和人造板移动中的动态检测。以期为人造板厚度的检测，提供一种新的思路和方法。
1 厚度激光非接触检测原理
1.1检测原理
人造板厚度检测原理如图1所示。待测人造板的上下分别固定放置2台激光传感器；2台激光传感器的激光发射线要重合，且垂直待测人造板表面。上、下2台激光传感器可分别对待测人造板上、下表面与自身间的间距x1、x2进行测量。假设2台传感器间已固定好的间距为L，则被测板厚度为：
AB=L-x1-x2
式中：L为上下2个激光传感器激光头间的距离，x1为上激光传感器与待板材上表面间的距离，x2为下激光传感器与待测板材下表面间的距离。
这就是人造板厚度激光非接触检测原理。
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1.2 2传感器间距L标定
激光传感器在检测人造板厚度时最重要的一个环节就是对测试系统进行标定，即校准2台传感器间的距离。本测量系统的标定是通过试验的方法，将已知厚度尺寸的标准块，放到试验测量平台，通过上下2激光传感器输出的距离值和标准块的厚度对2台激光传感器的间距值进行标定试验，标定原理如图2所示。则上、下2台激光传感器的距离值：
L=D1+D+D2
式中：D1为上激光传感器的测量距离值，D2为下激光传感器的距离测量值，D为标准块厚度。
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2 材料与方法
2.1试验材料
选取市场上常见的刨花板、胶合板、中密度板为检测对象，共计6种不同厚度的人造板。名义厚度为4、8、12 mm和20 mm的中密度板试件各1件，名义厚度为5 mm的胶合板试件1件，名义厚度为25 mm的刨花板试件1件。需要说明的是，这里的“名义厚度”是市场上的标称厚度尺寸，与这些人造板实际厚度间有偏差。实际厚度以用千分尺检测到的厚度为准。
2.2试验装置
试验装置组成如图3所示。2个激光传感器分别固定于被测人造板的上下两侧，分别为上激光传感器和下激光传感器。2台激光传感器型号相同，均为激光位移传感器，技术参数如表1所示。2台传感器传感信号分别被放大器放大后，经USB数据采集卡被采集进人计算机。计算机中装有自己利用虚拟仪器Labview语言编写的信号采集和处理程序，被采入进微机的信号被程序处理、分析，最后输出被测人造板的厚度值。图4为试验装置照片。
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2.3 数据信号处理
采用的是数字滤波的方式来对采集的随机干扰信号进行处理。采用数字滤波的方法能够防止随机干扰脉冲信号对检测结果造成影响，最大限度还原采集信号的真实值。常见的数字滤波法包括算数平均滤波、加权平均滤波、中值平均滤波、加权递推平均等。本试验程序对采集信号的处理采用算数平均法，即对同一采样点进行N次采样，以算数平均值作为采样的有效值。本试验设置的采样点数为1 000。
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2.4 试验步骤
1) 在每块人造板试件上选取5个待测位置，每个位置面积与千分尺测头面积相同，并用铅笔标记。用千分尺分别对每个待测位置进行厚度测量，并记录。该测量值作为该试件在该位置的实际值。
2) 静态测量：将每块试件静置于试验装置的检测位置，激光点对准待测位置区域内的3个不同点，进行3次测量，其平均值作为该待测位置的测量厚度。
3) 动态测量：将每块试件置于试验装置的检测位置，模拟实际人造板水平搬运移动，即将试件水平移动的同时做小幅上下振动，观察厚度测量值及2台传感器输出信号曲线。
4) 数据分析处理。
3 结果与分析
3.1 2台传感器间距标定
表2列出了6种不同厚度标准块放置在2台传感器之间时，对2台传感器之间间距标定的结果。从表2可以看到，不同标准块尺寸对标定的间距影响非常小，最大差值为0.005 mm。这个差值说明任一厚度的标准块，只要该标准块的2个表面处于传感器的有效测量范围内，都可以标定出足够准确的2台传感器间距。
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3.2 板材厚度静态检测结果
表3中的厚度偏差指测量厚度与实际值之差的绝对值。试验中每块人造板试件检测了5个位置厚度，6块试件共检测了30个位置厚度，发现厚度偏差最大值为0.104 mm，最小值为0.004 mm；相对误差的最大值为2.77％。
从图5发现两者间线性相关性非常好，决定系数达到了1。说明利用激光测量人造板厚度是可行的。
通过图6中数据点可以看到，板材厚度与厚度测量偏差之间没有明显的相关关系，厚度偏差呈随机分布，不会因实测厚度的增加呈现明显的递增或递减。说明测量绝对误差与板材厚度无关。
图7为测量相对误差与板材厚度间的关系。这里的测量相对误差是指测量绝对误差除以被测板材的厚度的实际值。可以看到，板材厚度越大，相对测量误差越小。也就是说，厚度越大的人造板，用激光测量厚度的结果相对越准确。
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表4是利用置信水平对激光静态测量人造板的厚度偏差分析结果，处理数据利用公式(1)分析得出在激光测量人造板厚度的最小和最大厚度偏差。从表4可以得到，激光测量厚度偏差在置信水平为95％置信区间上、下限值，在一定程度上提高了激光测量人造板厚度的准确度。

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式中：u为单侧置信区间上下端点，x为厚度偏差平均值，S为样本标准差，n为测量样本总数，ta为t分布下显著水平系数，a为显著水平。
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3.3 不同种类人造板检测结果
激光传感器通过三角法原理检测距离，即通过激光头发射出的激光照射到被测物体表面，漫反射光线通过透镜成像于光敏元件，通过相似三角形原理检测距离和位移。当被测表面特性发生变化时，颜色、材料、粗糙度等因素发生变化时，漫反射信号发生变化，造成透镜成像的光斑像质发生变化，从而影响测量精度的变化。中密度板、刨花板、胶合板是采用不同原材料和加工工艺生产出的人造板，板材表面颜色、粗糙度略有不同，那么激光传感器对3种人造板厚度的检测精度是否有明显不同。
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将表3所测量的3种人造板的厚度偏差，包括最小偏差、最大偏差、平均偏差，进行对比(图8)。可以看出，3种人造板的3种厚度偏差有所不同，其中最小偏差相差0.005 mm，最大偏差相差0.008mm，平均偏差相差0.004，均处于板材厚度的1／1 000等级。说明在采用激光测量这3种不同种类人造板厚度时，板材的表面颜色、粗糙度、加工原材料等因素对测量精度有一定影响影响，但影响非常微小。
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3.4 板材厚度动态检测结果
板材水平移动过程中，2台传感器都会实时检测板材表面与自己间的距离，最终通过检测信号处理得到板材的厚度。由于板材在运动过程中必然会导致板材的上下振动从而引起激光传感器的在板材上的入射光斑上下振动，从而造成上下激光传感器的测量距离值发生变化。
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图9为被测板材移动过程中，2台传感器输出的动态电压信号和实时计算得到的板材厚度。可以看到，上下2台传感器因板材的水平移动附带的垂直移动，输出信号出现波动，且波动方向相反，但最下面计算得到的板材厚度值是实时保持恒定的。由于传感器输出电压与其距测量对象间距间都各自为线性关系，所以上传感器距离板材上表面距离的减小，会有下传感器距离板材下表面距离的增加，在电压值方面得到补充，最终使计算得到的板材厚度不受板材上下位置变动的影响。图9的测量对象为20 mm厚中密度板，其他试件的检测结果都呈现与此相同的现象。也就是说，板材水平移动过程中利用激光传感器对其厚度进行实时检测是可行的。
需要指出的是，这种情况下的检测，2台传感器扫描必须设置为同步，即2台传感器的激光脉冲必须同时刻(同相位)发向被测物体，否则就会因扫描不同步出现测量厚度误差，具体表现为图9中最下面一个显示测量厚度的线出现波动，而非一条水平直线。
4 结论
本研究采用上下2台激光传感器对人造板厚度进行了静态和动态非接触测量试验，提出了上下2台激光传感器间距的标定方法，认为人造板厚度激光非接触测量是完全可行的。
用于标定2台激光传感器间距的标准块的厚度，不影响标定结果。在被测板材静止状态下，激光检测厚度与板材厚度实际值之间有非常强的相关关系，决定系数几乎达到了1；激光检测厚度绝对误差几乎与被测板材厚度无关，而相对误差随被测板材厚度的增加而减少。并利用统计学置信区间原理对激光测量厚度偏差进行分析，增加测量可靠度。在板材移动状态下，可以实时得到板材激光检测厚度值，前提是2台传感器扫描必须设置为同步。
本文摘自西北林学院学报，作者：祖汉松，张厚江+，贺昌勇，周卢婧


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