1、一種新型的浮法玻璃厚度激光測量系統摘要 浮法玻璃是一種標準化程度很高的、用途廣泛的高科技材料，厚度是其最重要的生產參數之一。基于激光二次折射、反射原理，本文提出一套新穎的非接觸式、在線厚度檢測系統。本系統在原理上優于傳統的激光三角法，可以克服機械傳動系統引起的振動干擾。經過分析玻璃生產工藝和高溫生產條件，設計出一種置于錫槽中的新型傳感裝置。線性CCD用于往復掃描玻璃板以測得厚度圖像。提出一種改進的重心方法用來提取光條紋圖像中心線。本方法可以消除背景噪聲干擾，提取中心點精度可達亞像素級。通過理論分析和實際試驗，測量范圍可達2-14mm，分辨率為1m，精度在±0.005mm以內。I. 引

2、言對玻璃產品的增長需求也對玻璃生產過程的質量和產率提出了要求。特別重要的一點是，玻璃的厚度應該被隨時測量和檢測。傳統做法是在切割區附近使用螺旋測微計進行厚度測量。這種方法顯然不太恰當，而且費時。因為熔化的玻璃變硬化，需要20分鐘，此時，玻璃厚度已經偏離設定值。在浮法玻璃連續生產過程中，這個問題尤其突出。對于平均厚度為2mm的玻璃來說，如果改進測量系統使厚度減小0.01mm，那么，用同樣的生產成本，就可以使生產效率提高0.5%。如上所述，在線精確測量浮法玻璃的厚度，對于玻璃生產至關重要，而且，對于改進產品質量也有很大的價值。目前，已開展了不少相關研究，例如，用光纖傳輸測量玻璃厚度，氣動和電子厚度

3、測量，散射光技術，超聲厚度探測儀，等。然而，由于在測量技術上存在困難，這些方法都不能用于浮法玻璃生產線。主要存在兩個困難：一是測量的精度，另一個是工作場所所用傳感裝置的可靠性。為了解決這些問題，本文設計一套新的厚度測量裝置。這套光電探測裝置包括CCD（電荷耦合器件）、光學裝置、圖像采集和處理裝置，其優于機械光學裝置或電磁探測裝置。本文重點討論基于上述研究而進行的實驗設計，以及影響測量裝置分辨率的各項因素（CCD過飽和信號、由熱擾動引起的光線彎曲）。浮法玻璃厚度測量裝置的關鍵部件是探測器設計及用軟件進行像素細分。由于浮法玻璃生產的投資大，耗能多，我們期望從控制玻璃厚度上得到回報。在玻璃韌化爐和錫

4、槽連接處，適合安裝傳感器裝置。在溫度為600度的錫槽中，設置一水冷的激光測試探頭。圖像處理技術用于邊界探測和亞像素分配。借助圖像處理技術提取圖像中心坐標差從而計算玻璃厚度。我們的研究表明，精確提取光條紋圖像中心是提高玻璃厚度測量精度的關鍵。為了提高中心定位算法精確度，提出一種提取玻璃厚度中心線的新方法。II. 測量原理在這里，我們嘗試開發一套用于浮法玻璃一旦離開浮槽就可立即測量其厚度的高精度裝置。其中，線性激光半導體用作光源，線陣CCD用來掃描玻璃厚度二維圖像。圖像處理技術用于邊界探測和亞像素分配。玻璃厚度由圖像處理技術提取的圖像中心坐標差計算得到。在厚度測量裝置中，傳感裝置由激光半導體和LC

5、CD構成。當光線投射到玻璃表面，將產生一系列平行光束以獲取厚度信息。由LCCD掃描垂直于浮法玻璃傳送方向的光束, 可以獲得二維圖像。經過數字化處理，得到的結果在電腦屏幕上顯示。建立的數學模型如圖1所示。這兩束光和玻璃厚度的關系將在下面專門討論。當光線以一定的角度照射到測量的玻璃板上時，反射角是一個固定值。當=45o時，sin=2/2，玻璃折射率K由（1）式給出。光束1在玻璃上表面以等于入射角的角度被反射。當這束光被LCCD檢測到時，其位于玻璃板的上表面。 由玻璃板的上表面和下表面經過二次反射-折射得到的光束2平行于光束1，其位于玻璃板的下表面。圖2中，A表示這兩束平行光的水平距離，其值可由CC

6、D直接獲得。浮法玻璃厚度的表達式可通過計算光束中心距離得到，如下式所示。將（2）式經過變換即得（3）式其中，A是CCD上兩束平行光的水平距離，是物空間和像空間的轉換系數。由式（3）可知，需要對每條線狀光條紋圖像作橫向中心定位，線條光圖像的中心坐標差代表被測玻璃厚度值，對于縱向離散度要求不高的情況，不會直接影響最終的圖像識別精度。光分布曲線示于圖2。光束1的強度大約是入射光束的15%，光束2則為80%。玻璃厚度可由光束中心間距離計算得到。在玻璃傳輸過程中，由于機械振動和傾斜會產生測量誤差。此時，光束點反映的是虛假的厚度值。使用單個激光三角法測量裝置，由于只能檢測到一條光束（位于玻璃板上表面的光束

7、1或位于下表面的光束2），不能識別這種誤差。顯然，使用兩套激光三角裝置，可以解決這個問題。然而，應當指出，雙激光三角法增加了測量系統的不穩定性。況且，由于有特殊的安裝要求或缺乏與玻璃生產線平行的足夠空間，很難在靠近玻璃板的上下方同時安裝兩套測量裝置。由圖2可以看到，通過使用二次激光反射-折射法，即使在玻璃傳輸過程中產生振動或傾斜，光束1和2也會以同樣的角度移動。兩束光的中心間距不再改變，所以，完全可以消除由振動或傾斜引起的測量誤差。III. 傳感裝置的設計傳感器裝置是玻璃厚度測量裝置的一個重要組成部分，因此備受關注。為了快速獲得厚度數據，需要測量玻璃尚在錫槽中的厚度。錫槽是一個封閉的裝置,平均

8、溫度超過600度。玻璃在其中呈液-固混合態。考慮玻璃生產線下的安裝環境：玻璃板下的輥床上沾有液錫層,錫槽最底部是磚塊。由于空間有限，傳感裝置只能設計安裝在生產線的上部。圖3是傳感裝置示意圖。由于LD、LCCD全部固定在支架上，所以，在測量過程中角度不可改變。為減小空間，專門使用一個直角反射棱鏡。由于這套測量裝置將長時間工作在高溫環境下，特采用一水冷循環保護系統。反射孔和入射孔都由液氮封閉，只允許反射光和折射光進入。為了排除熱輻射紅光干擾，激光器波長選在綠光光譜范圍。因為LD垂直于LCCD，保證了LCCD能夠接收到光信號。傳感裝置采用這種三角形結構，可以消除由走行機構引起的偏差。通過對固定測量點

9、縱剖面和橫切面進行重復循環測量，玻璃一經生產，就可獲得其厚度的綜合信息。總之，這種傳感裝置可根據實際安裝環境進行調整，而且安全可靠。IV. 圖像處理根據線陣CCD的二維圖像掃描原理，玻璃厚度的圖像特征分析如下：由于玻璃傳輸縱向低速前進，同時LCCD橫向掃描，不用配以掃描裝置即可得到有關玻璃厚度的二維圖像。應當指出，由LCCD獲得的圖像不同于由面陣CCD獲得的圖像。實質上線陣CCD和面陣CCD獲取的都是離散圖像。面陣CCD像元在縱橫兩個方向間隔一致，其圖像離散度是一樣的。而線陣CCD圖像由于存在像元間距和掃描行距，像素點在兩個坐標方向上的距離分別是像元間距和掃描行距，縱向掃描行距離散度一般遠大于

10、橫向離散度,且由于機械傳動誤差的影響，縱向采集行距并不均勻。目前，已有多種方法用于精確提取光條紋圖像中心。常用的光條紋中心的提取方法有極值法、閾值法、重心法和高斯擬合法等。重心法有諸多優點，例如，充分利用對稱目標每一點的灰度，獲得高于其它方法的亞像素精度。正是由于亞像素檢測技術使得重心法在靶定位方面得以廣泛引用， 然而，分配精度卻一直受到裝置成像噪聲和靶面完美程度的影響。因為精確提取光條紋圖像中心是提高玻璃厚度測量精度的關鍵，本文提出一種改進的重心法。第一個Canny算子用于探測圖像邊界，靶面積因而確定。采用改進的重心法，第二個Canny算子用于精確獲取邊界區內每一光條紋圖像中心位置。通過Ca

11、nny算子檢測出目標邊緣區域和邊緣內部區域，從而確定目標輪廓范圍。考慮到圖像的離散特征，由于易受噪聲影響，不能通過在2×2鄰域內求有限差分均值計算梯度幅值。經過仔細研究基于小波變換的邊界探測算法，發現在特定條件下，Canny算法等效于小波變換算法。因此，對經典Canny算法的2×2濾波器進行了改進，采用二維高斯函數的一階偏導數構造濾波器計算梯度。濾波器（=1）在x方向可表示為從而得到梯度值的更好近似，克服了傳統經典算法的許多缺點，如，Canny算法通過在2×2鄰域內求有限差分均值計算梯度幅值，對噪聲過于敏感。在浮法玻璃厚度測量裝置中，使用線型激光器。由于光條紋強度

12、大致呈高斯分布, 增大光強度高的點的權重，可以提高方向精度。計算光條紋中心的公式為其中，P(xi,yi)為i點對應的灰度值，T為整幅圖像目標和背景分割的閾值。確定圖像邊界后，目標區(xi, yi), i=1, 2n1)就確定了。P(xi,yi)-T是將背景減去，因而減小了背景噪聲對光帶光強分布的影響。通過函數自身的多次相乘，提取的中心更加接近于實際中心。也就是說，在提取過程中，通過平方加權的形式增大光強度高的點的權重。改進后的重心提取算法更加適合實際光帶光強呈近似高斯分布的情況。基于改進灰度重心法的數據處理示于圖4。可以看到，數據處理主要分為四個部分：邊界探測、中心定位、中心坐標差計算和厚度確

13、認。通過計算兩光束中心距離，可以得到玻璃厚度。厚度確認則用于判斷計算值是否有效。以上提到的算法用程序C+ Builder 5.0進行。V. 測量結果和討論圖5示出了在6mm玻璃生產線上的掃描測量裝置。測試均在高溫條件下進行。使用步進馬達在縱向移動CCD，所以，傳感器可以檢測玻璃不同點的厚度。在本裝置中，水冷激光探測裝置從上方靠近玻璃板，在 25mm -35mm的距離范圍內測量玻璃厚度。另外，從激光源玻璃板的大致距離為120mm。 P2-2x-06K40線陣CCD相機包含5340像元，像敏單元大小：7m×7m，像元總長：37.38 mm。采用32Mbytes，85 MHz OC-64E

14、0-IPRO0 X64-CL圖像采集卡采集相機信號傳遞至電腦。6mm厚度玻璃檢測圖像如圖6所示。由于CCD分辨率所限和各種噪聲的影響，造成光條紋圖像邊界模糊，這不利于光條紋中心提取。使用改進的重心算法，可以在圖7（a）中看到光束1的中心線。提取中心的x坐標被放大10倍，以致可在圖7 (b)中清楚看到亞像素取向。顯然，這種改進重心法優于經典重心法和最小二乘法，提取的玻璃厚度檢測圖像中心定位精度提高了0.1 pixels.由于兩光條紋中心間距表示測得的厚度值，測得的玻璃厚度示于表1。由表1可以看出，在中部點測量的數據厚于其他點。實際上，玻璃板中部的厚度不同于左邊和右邊的值，在8-12mm玻璃板上，

15、這種厚度不一致可被放大大約0.4mm。而且，應當指出，如果在玻璃表面存在雜質，將不會出現光條紋圖像，因為LCCD探測不到反射光和折射光。在此種情況下，測量結果被視作誤差。另外，當測量的玻璃厚度不同時，值應當重設。在此生產過程的敏感區，測量玻璃厚度的基本原則是裝置的精確度和可靠性。這里我們以薄片作為參考進行了真實性校準處理。將厚度已知的薄片用作參樣，對裝置的實際功效進行循環測試，因而避免了錯誤測量。由以上實驗可以得出如下結論：改進重心算法可將測量精度提高至±0.005mm。而且，傳感器根據工作場所的要求而設計，所以傳感器能穩定工作，滿足實際應用。在本研究中，我們測量的是6mm玻璃，如果將測量裝置應用于其它型號的玻璃，應當對它進行重新校準。VI.