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技術 鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置

出願人 新川電機株式会社
発明者 森成登今津俊之生野逸夫
出願日 1999年3月12日 (21年0ヶ月経過) 出願番号 1999-066776
公開日 2000年9月22日 (19年5ヶ月経過) 公開番号 2000-258227
状態 未査定
技術分野 液位または流動性固体のレベルの測定 光学的手段による測長装置 光学的距離測定
主要キーワード レベル変位 距離変位 光学的変位 受光位置検出 表面変位 収容槽内 測定光路長 全光路長
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重要な関連分野

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図面 (6)

課題

光路長測定可能レーザ距離計を使用することにより、被測定物測定表面が鏡面から拡散反射面に変化しても、レーザ距離計と被測定物の測定表面の位置を非接触状態にて合理的に測定することにある。

解決手段

レーザ距離計1のレーザ光を被測定物3の測定表面に対して傾斜させた状態とし、反射板2は平らな拡散反射面とし、被測定物3の表面が鏡面である時に、レーザ距離計1からのレーザ光を受光できる位置に設置し、レーザ距離計1には測定した光路長の値を被測定物3の表面との距離に演算して変換する演算装置4を連絡する。

概要

背景

従来、例えば溶融金属等の液面のレベル変位を測定する手段としては、レーザスポット測定表面照射し、その光学像を別のCCDカメラなどで撮影することにより、上下方向の変位量を測定し、その光学的な位置関係から実際の測定表面変位を求める三角測量法が一般的に行なわれている。

しかし、上記した如き測定法においては、測定すべき表面が鏡面のときレーザ光正反射し、測定する対象物の表面のゆらぎ、傾きにより、受光位置が変化するため誤測定となる。したがって、反射率の大きい材料や、或いは、人手により行なう酸化層処理操作などによって、測定表面の反射率が大きく変化し得る溶融金属等の表面の変位測定には三角測量法の適用が困難であった。

したがって、例えば亜鉛めっき浴でのレベル測定等では、所謂セラミックフロートを浮かべて、その変位をポテンショメータなどにより測定する接液型の変位計に依存せざるを得なかった。しかし、溶融金属の変位測定を用いた接液型の測定は、地金が接液部に付着する事により、誤差が生じること、及び接液部の材料が溶融金属内へ溶出、または剥離浮遊する事で、誤差の発生と不純物混入を生じるという問題点を抱えていた。

概要

光路長測定可能レーザ距離計を使用することにより、被測定物の測定表面が鏡面から拡散反射面に変化しても、レーザ距離計と被測定物の測定表面の位置を非接触状態にて合理的に測定することにある。

レーザ距離計1のレーザ光を被測定物3の測定表面に対して傾斜させた状態とし、反射板2は平らな拡散反射面とし、被測定物3の表面が鏡面である時に、レーザ距離計1からのレーザ光を受光できる位置に設置し、レーザ距離計1には測定した光路長の値を被測定物3の表面との距離に演算して変換する演算装置4を連絡する。

目的

本発明の課題は、光路長を測定可能なレーザ距離計を使用することにより、被測定物の測定表面が鏡面から拡散反射面に変化しても、被測定物の測定表面の位置変位を非接触状態にて合理的に測定することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
2件

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請求項1

光路長を測定し得るレーザ距離計を、被測定物測定表面から所定の距離を置いて設けると共に、該レーザ距離計から照射されるレーザ光が、上記被測定物の測定表面と直交する法線に対して所定の傾斜角度を介して被測定物の測定表面に照射されるように設置し、且つ、上記被測定物の測定表面から上記レーザ光の正反射方向へ向けて所定の距離を置いた位置に、反射面が拡散反射面である反射板を所定の角度にて設置し、上記測定表面の距離変位を測定する際において、上記被測定物の測定表面が拡散反射面である場合、上記レーザ距離計から照射したレーザ光が被測定物の測定表面で拡散反射することに基づいて、同レーザ距離計から被測定物の反射位置までの光路長を求め、且つ、上記被測定物の測定表面が鏡面である場合、上記レーザ距離計から照射したレーザ光が被測定物の測定表面で正反射して反射板の反射面に向かい、その反射面にて拡散反射することに基づいて、レーザ距離計から被測定物の反射位置までの光路長と、被測定物の反射位置から反射板の反射位置までの光路長とを加算した全光路長を求め、上記した光路長若しくは全光路長に基づいて演算装置により演算処理することにより、被測定物の測定表面の距離変位を連続的に測定するように構成した鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置

請求項2

上記反射板として受光位置を検出可能な反射板を使用し、該反射板の反射面に対する受光の有無に基づいて、被測定物の測定表面が拡散反射面か鏡面かを判断し、且つ、被測定物の測定表面が鏡面である状態にて、同鏡面に傾きが生じ、上記反射板に照射されたレーザ光の受光位置にずれを生じた場合でも、その受光位置とレーザ距離計との距離を求めることで、この距離の値と、測定した光路長とに基づいて測定誤差を演算装置により演算し、正確な変位位置として補正するように構成した請求項1記載の鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置。

技術分野

0001

本発明は、溶融金属等の液面のように、測定する対象表面反射率が大きく変化する鏡面、非鏡面物における表面の変位を測定する装置に関し、さらに詳しくは、例えば溶融金属の液面等のように、その表面に形成される酸化層が厚いときは、反射率が低く、反対に、上記酸化層が全くなくなれば、正反射面になってしまうような、表面の反射率が大きく異なる場合において、レーザ光光源として、光学的に安定して当該表面の変位を測定するための溶融金属等の表面レベル測定装置に関する。

背景技術

0002

従来、例えば溶融金属等の液面のレベル変位を測定する手段としては、レーザスポット測定表面照射し、その光学像を別のCCDカメラなどで撮影することにより、上下方向の変位量を測定し、その光学的な位置関係から実際の測定表面変位を求める三角測量法が一般的に行なわれている。

0003

しかし、上記した如き測定法においては、測定すべき表面が鏡面のときレーザ光が正反射し、測定する対象物の表面のゆらぎ、傾きにより、受光位置が変化するため誤測定となる。したがって、反射率の大きい材料や、或いは、人手により行なう酸化層の処理操作などによって、測定表面の反射率が大きく変化し得る溶融金属等の表面の変位測定には三角測量法の適用が困難であった。

0004

したがって、例えば亜鉛めっき浴でのレベル測定等では、所謂セラミックフロートを浮かべて、その変位をポテンショメータなどにより測定する接液型の変位計に依存せざるを得なかった。しかし、溶融金属の変位測定を用いた接液型の測定は、地金が接液部に付着する事により、誤差が生じること、及び接液部の材料が溶融金属内へ溶出、または剥離浮遊する事で、誤差の発生と不純物混入を生じるという問題点を抱えていた。

発明が解決しようとする課題

0005

本発明の課題は、光路長測定可能レーザ距離計を使用することにより、被測定物の測定表面が鏡面から拡散反射面に変化しても、被測定物の測定表面の位置変位非接触状態にて合理的に測定することにある。

課題を解決するための手段

0006

請求項1の発明は、光路長を測定し得るレーザ距離計を、被測定物の測定表面から所定の距離を置いて設けると共に、該レーザ距離計から照射されるレーザ光が、上記被測定物の測定表面と直交する法線に対して所定の傾斜角度を介して被測定物の測定表面に照射されるように設置し、且つ、上記被測定物の測定表面から上記レーザ光の正反射方向へ向けて所定の距離を置いた位置に、反射面が拡散反射面である反射板を所定の角度にて設置し、上記測定表面の距離変位を測定する際において、上記被測定物の測定表面が拡散反射面である場合、上記レーザ距離計から照射したレーザ光が被測定物の測定表面で拡散反射することに基づいて、同レーザ距離計から被測定物の反射位置までの光路長を求め、且つ、上記被測定物の測定表面が鏡面である場合、上記レーザ距離計から照射したレーザ光が被測定物の測定表面で正反射して反射板の反射面に向かい、その反射面にて拡散反射することに基づいて、レーザ距離計から被測定物の反射位置までの光路長と、被測定物の反射位置から反射板の反射位置までの光路長とを加算した全光路長を求め、上記した光路長若しくは全光路長に基づいて演算装置により演算処理することにより、被測定物の測定表面の距離変位を連続的に測定するように構成したものである。

0007

上記した手段によれば、光路長を測定可能なレーザ距離計は、例えば溶融金属等の液面等、被測定物の測定面に向けてレーザ光を照射する。また、上記レーザ光は、上記被測定物の測定表面と直交する法線に対して所定の傾斜角度を介した状態にて同被測定物の測定表面に向けてレーザ光を照射する。上記したレーザ距離計から照射されたレーザ光は、被測定物の表面において拡散反射するか若しくは正反射するかによって光路長が測定される。例えば、被測定物の表面が拡散反射面である場合、レーザ距離計から所定の傾斜角を介して照射されたレーザ光が上記被測定物の表面で拡散反射され、レーザ距離計から被測定物の反射位置までの光路長が求められる。

0008

一方、被測定物が鏡面の場合には、上記した如くレーザ距離計から測定表面に向けて照射されたレーザ光は、被測定物の測定表面にて正反射して反射板に向かい、拡散反射面である同反射板の反射面にて拡散反射する。そして、その拡散反射光がもう一度被測定物にて反射されることで、レーザ距離計から被測定物の測定表面上における反射位置までの光路長と、反射位置から反射板の反射位置までの光路長を加算した全光路長が求められる。

0009

また、上記した光路長の取り得る範囲が鏡面と拡散反射面とで異なっているため、上記レーザ光の全光路長には被測定物の表面が鏡面であるか拡散反射面であるかを判定する法則性がある。また、上記全光路長を演算装置により演算処理することで、この全光路長を被測定物の表面との距離に変換することができる。尚、上記被測定物の測定表面が鏡面の場合で且つ鏡面が多少傾いた状態が生じても、反射板の反射面によりレーザ光を受光することができれば、光路長の変化によるずれの誤差は若干生じるが、精度上に問題がなければ測定は可能である。

0010

請求項2記載の鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置は、上記反射板として受光位置を検出可能な反射板を使用し、該反射板の反射面に対する受光の有無に基づいて、被測定物の測定表面が非鏡面か鏡面かを判断し、且つ、被測定物の測定表面が鏡面である状態にて、その受光位置とレーザ距離計との距離を求めることで、同鏡面に傾きが生じ、上記反射板に照射されたレーザ光の受光位置にずれを生じ、測定光路長が変化した場合でも、この距離の値と、測定した光路長とに基づいて測定誤差を演算装置により演算し、正確な変位位置として補正するように構成したものである。

0011

この場合、前記した請求項1又は2記載の鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置において、受光位置を検出可能な反射板を使用したものであるから、被測定物の測定表面の状態が、鏡面か、若しくは拡散反射面であるかの判断を、反射板による受光の有無、または反射板による受光の有無と測定範囲を限定することで、それぞれレーザ光の光路長に基づく被測定物の変位の測定を行なうことができる。また、被測定物の測定表面が鏡面の場合で、且つその測定表面が傾いてしまった場合、光路長の変化による、ずれの誤差が生じるが、受光位置検出可能な反射板を使用することで、レーザ距離計と反射板でのレーザ光の受光位置との距離を演算装置により演算して求め、この値と測定光路長より正確な変位測定を実現し得る。

0012

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図1は、本発明を実施した鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置a1を示している。この装置a1は、収容槽(図示せず)に収容される亜鉛メッキアルミ等、溶融金属3の測定表面3a(液面)のレベル変位を連続的に測定するものであり、照射したレーザ光1aの光路長を測定し得るレーザ距離計1を、被測定物の測定表面となる溶融金属3の測定表面3aの上方に所定の距離を置いて設けてある。また、上記レーザ距離計1は、パソコン等から成る演算装置4に連絡し、上記レーザ距離計1にて測定した光路長のデータに基づいて、演算装置4が測定表面3aの距離変位を演算するように構成してある。

0013

上記レーザ距離計1は、溶融金属3の測定表面3aと直交する(この場合測定表面から垂直に立ち上がる)法線Lに対して、所定の傾斜角度θを介して設置し、照射部1bから照射されたレーザ光1aが、水平な測定表面3aに対して上記傾斜角度θを介して照射されるように構成してある(図1)。また、装置a1は、溶融金属3の測定表面3aからレーザ光1aの正反射方向へ向けて所定の距離を置いた位置に、反射面2aを拡散反射面として構成した反射板2を所定の角度、この場合水平に設置してある。また、上記反射板2は、レーザ距離計1と同じ高さで、且つ、測定表面3aにて正反射するレーザ光1aを上記反射面2aの範囲内にて受光できる位置に設置してある。

0014

尚、測定物となる溶融金属3は、収容槽(図示せず)内に収容される。そして、上記収容槽内に収容された溶融金属3は、同溶融金属3の補充と排出を行なうことにより、その液面となる測定表面3aのレベルが上下に変位する。

0015

上記したように、図1にて示す鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置a1は、光路長を測定可能なレーザ距離計1を、垂直な法線Lに対して傾斜角θを介して設置すると共に、反射板2を、溶融金属3の測定表面3aと平行で、且つ、同測定表面3aで正反射したレーザ光1aを受光し得る位置に設置してある。

0016

よって、上記した装置aにおいては、被測定物となる溶融金属3の測定表面3aが、鏡面であるか、若しくは拡散反射面であるの判別のために、拡散反射面状態における最大測定光路長Lmaxの1/2よりも大きい値をLmin:最小測定光路長とすると、測定光路長Xは・・・
拡散反射面のとき Lmax/2 < X ≦ Lmax
鏡面のとき Lmax < X ≦ 2Lmax
ただし X:測定光路長
Lmax:拡散反射面のときの最大測定光路長
であり、Lmaxを基準にしたときの測定光路長Xの値の大小により測定表面3aとなる溶融金属の液面が鏡面か、若しくは拡散反射面かを判断する。そして、それぞれの場合における測定表面3aとの距離Yは・・・
拡散反射面のとき Y = Xcosθ
鏡面のとき Y = (Xcosθ)/2 となる。
尚、測定光路長Xより被測定物となる溶融金属3の測定表面3aとの距離Yを求める演算処理は、パソコン等から成る演算装置4を使用して連続的に行ない、上記距離Yの変位を常時出力する。これにより、測定表面3の距離変位を常時把握することができる。

0017

図2にて示した、鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置a2は、前記した図1にて示す装置a1と同様に構成してあるが、反射板2の反射面2a(拡散反射面)を、溶融金属3の測定表面3aと平行で、且つレーザ距離計1と比べて2倍より高い位置にて設置してある。また、上記反射板2aの反射面は、拡散反射面とし、上記測定表面3aにて正反射したレーザ光1aを受光できる位置に設置してある。

0018

よって、上記した如く構成した装置a2において、測定光路長Xは・・・
拡散反射面のとき 0 ≦ X ≦ Lmax
鏡面のとき α ≦ X ≦ 2Lmax + α
ただし X:測定光路長
Lmax:拡散反射面のときの最大測定光路長
α:鏡面のときの最小測定光路長(α > Lmax)
であり、Lmaxを基準にしたときの測定光路長Xの値の大小により鏡面、拡散反射面を判断する。そして、それぞれの場合の被測定物の表面との距離Yは・・・
拡散反射面のとき Y = Xcosθ
鏡面のとき Y = ((X − α)cosθ)/2 となる。
尚、測定光路長Xより被測定物となる溶融金属3の測定表面3aとの距離Yを連続的に求める演算処理は、パソコン等から成る演算装置4を使用して連続的に行なう。

0019

図3にて示した、鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置a3は、前記した図1にて示す装置a1と同様に構成してあるが、反射板2を所定の角度にて傾斜させた状態で設置してある。即ち、図3にて示す鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置a3は、光路長が測定可能なレーザ距離計1を、溶融金属3の測定表面3aに対して、垂直な法線Lを規準として所定の傾斜角度θだけ傾けて設置してある。一方、反射板2は反射面2aを乱射面として構成し、該反射面2aが上記レーザ距離計1から測定表面3aに向けて傾斜角度θを介して照射されるレーザ光1aと平行するように傾斜させて設置してある。また、上記反射板2は、測定表面3aの反射位置と、上記反射板2の反射面2aにおける反射位置との間の光路長が、レーザ距離計1と測定表面3aの反射位置との間の光路長より大きくなる位置で、且つ、正反射するレーザ光1aを受光し得る位置に設置してある。

0020

即ち、上記した配置によれば、被測定物となる溶融金属3の測定表面3aの反射位置と、上記反射板2の反射位置との光路長βが、測定表面3aの距離が変位しても常に一定となり、且つ、レーザ距離計1と測定表面3aの反射位置との光路長より大きくなるため、測定光路長Xは・・・
拡散反射面のとき 0 ≦ X ≦ Lmax
鏡面のとき β ≦ X ≦ Lmax + β
ただし X:測定光路長
Lmax:拡散反射面のときの最大測定光路長
β:鏡面状態の被測定物の反射位置と反射板の反射位置との光路長(β > Lmax)であり、Lmaxを基準にしたときの測定光路長Xの値の大小により溶融金属3表面3aが鏡面であるか、拡散反射面であるかを判断する。それぞれの場合における溶融金属3の測定表面3aとの距離Yは
拡散反射面のとき Y = Xcosθ
鏡面のとき Y = (X − β)cosθ となる。
尚、測定光路長Xより被測定物となる溶融金属3の測定表面3aとの距離Yを連続的に求める演算処理は、パソコン等から成る演算装置4を使用して連続的に行なう。

0021

図4にて示した、鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置a4は、光路長を測定し得るレーザ距離計1を被測定物となる溶融金属3の測定表面3aに対して垂直に設置してある。一方、反射板2は、拡散反射面として構成した反射面2aを、測定表面3aと平行となるように設置してある。また、上記反射板2は、上記レーザ距離計1の照射部1bと同等の高さとし、さらにその照射部1bの周辺を囲むように設置してある。

0022

よって、上記した如く構成した装置a4は、溶融金属3の測定表面3aが、鏡面であっても、若しくは、拡散反射面であっても、レーザ距離計1を垂直に設置してあるため、測定表面3aに対して垂直に照射されるレーザ光1aを捕らえることができ、さらに、その光路長の測定値が、直接、溶融金属3の測定表面3aとの距離となる。また測定表面3aが鏡面であり、さらに、この反射面が混入物等の影響により多少傾いた場合でも、レーザ距離計1の照射部1bの周囲に設けた反射板2がレーザ光1a’を受光できれば、ずれによる誤差は多少生じるが精度的に問題なければ、図1にて示したものと同様の方法で測定可能である。ちなみに、レーザ光1a’のずれにより生じる誤差の例として、基準距離が5000mm、ずれが100mmのとき、距離の測定値は5001.00mmであり、測定面3aまでの距離の誤差は約1.00mmとなる。

0023

図5にて示す鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置a5は、光路長が測定可能なレーザ距離計1を具備している。上記レーザ距離計1は、照射部1bから照射するレーザ光1aが、上記溶融金属3の測定表面3aと直交する法線Lに対して、傾斜角度θを介して設置し、上記照射部1bから照射されたレーザ光1aが、水平な測定表面3aに対して傾斜角度θを介して照射されるように設置してある。一方、溶融金属3の測定表面3aから上記レーザ光1aの正反射方向へ向けて所定の距離を置いた位置には、受光位置を検出することができる反射板2’を、上記測定表面と並行するように設けてある。また、上記反射板2’は、反射面2a’がレーザ距離計1と略同じ高さで、且つ、測定表面3aにて正反射されたレーザ光1a’を受光できる位置に設置してある。尚、上記反射板2’の反射面2a’は拡散反射面として構成してある。

0024

また、溶融金属3の測定表面3aが鏡面である場合で、その測定表面3aが混入物等の影響により傾いてしまった場合、光路長の変化による、測定誤差が生じる。しかし、上記したように受光位置が検出可能な反射板2’を利用し、レーザ距離計1と、上記反射板2’におけるレーザ光1a’の受光位置との距離と測定光路長より正確な変位測定を実現することができる。

0025

上記溶融金属3の測定表面3aが鏡面か、若しくは拡散反射面であるかを判断するには、受光位置検出可能な反射板2’の受光の有無で行い、それぞれの場合の被測定物の測定表面との距離Yは・・・
拡散反射面のとき Y = X1cosθ
ID=000003HE=015 WI=098 LX=0560 LY=1100
ただし X:測定光路長
Z:レーザ距離計と反射板でのレーザ光の受光位置との距離
尚、測定光路長Xと、レーザ距離計と反射板でのレーザ光の受光位置との距離Zから被測定物となる溶融金属3の測定表面3aとの距離Yを連続的に求める演算処理は、パソコン等から成る演算装置4を使用して行なう。ちなみに、本発明の鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置は、溶融金属や液体の他に、固体金属板など、異なる反射率を有する材料が入れ替わる場合の表面変位についても、同様に適用し得るものである。

発明の効果

0026

本発明は以上説明したように、光路長を測定可能なレーザ距離計から被測定物の測定表面へ向けて照射されるレーザ光の光路長の値と、既知の反射板の位置情報からレーザ距離計と被測定物との距離求め、上記レーザ光の光路長若しくは全光路長に基づいて演算処理を行なうことにより、被測定物の測定表面が鏡面、拡散反射面に関わらず、被測定物の測定表面までの距離の変位を、上記光路長の測定値に基づいて簡単な演算を行なうことで、安定した光学的変位測定を非接触状態にて実行することができる。特に、測定距離が1m程度にも及ぶような長距離変位測定において、被測定物の測定表面が鏡面である場合には、測定表面の微少な変化で、被測定物の測定表面からの反射光がずれて誤測定や測定不能となることが多くなり、安定した測定が難しいが、その反射光を拡散反射面の反射板で受光することで少ない誤差、もしくは誤差無く安定して連続的に測定し得る。

0027

請求項2記載の発明は、上記した請求項1記載の鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置において、受光位置を検出し得る反射板を使用したものであるから、被測定物の測定表面の状態が、鏡面か、若しくは拡散反射面であるかの判断を、反射板による受光の有無、及び反射板による受光の有無と測定範囲を限定することで行ない、それぞれレーザ光の光路長に基づく被測定物の変位測定を簡単且つ安定して行なうことができる。また、例えば溶融金属の液面に混入物が付着した場合等では、被測定物の測定表面が鏡面で、且つその測定表面が傾いてしまう場合もある。この場合、光路長の変化による、測定の誤差が生じるが、受光位置検出可能な反射板を使用することで、レーザ距離計と反射板におけるレーザ光の受光位置との距離を演算して求め、この値と測定光路長より正確な変位測定を実現し得る。

図面の簡単な説明

0028

図1本発明を実施した鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置であり、同装置の被測定物の測定表面が鏡面,拡散反射面状態である状態を示す構成図。
図2本発明を実施した装置であって、レーザ距離計を設置した高さの2倍の高さに反射板を設置した実施例を示す構成図。
図3本発明を実施した装置であって、レーザ距離計から測定表面へ向けて照射されるレーザ光の傾斜角度と並行になるように反射板を傾斜させて設置した実施例を示す構成図。
図4本発明を実施した装置であって、レーザ距離計を被測定物の測定表面に対して垂直に設置した実施例を示す構成図。
図5本発明を実施した装置であって、受光位置が検出可能な反射板を設置した実施例を示す構成図。

--

0029

a1〜a5・・・鏡面、非鏡面物における表面の変位測定装置
1・・・レーザ距離計
1a・・・レーザ光
2,2’・・・反射板
2a・・・反射面
3・・・溶融金属(被測定物)
3a・・・測定表面
4・・・演算装置
Lmin・・・最小測定光路長(Lmax/2<Lmin<Lmax)

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