CN114812457B - 光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置及方法 - Google Patents

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CN114812457B CN202210741145.1A CN202210741145A CN114812457B CN 114812457 B CN114812457 B CN 114812457B CN 202210741145 A CN202210741145 A CN 202210741145A CN 114812457 B CN114812457 B CN 114812457B
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Abstract

本发明属于金属材料厚度测量技术领域，具体涉及光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置及方法，光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置，所述相机同轴安装块或样品夹具安装在滑轨的中部，所述脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机分别安装在相机同轴安装块的两侧，所述脉冲激光显影屏和连续激光显影屏分别安装在脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机的镜头前，所述脉冲激光光阑和连续激光光阑对称安装在滑轨的左右两侧，本发明通过脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机与脉冲激光光阑、连续激光光阑的组合，可以保证两束激光在误差范围内调整至同轴，避免了仅将激发点与检测点调整至厚度方向的共线。

Description

光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料厚度测量技术领域，具体涉及光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置及方法。
背景技术
金属复合板可以实现单一金属不能满足的性能要求，充分发挥基层材料与复层材料各自的优势，实现材料间的最优性能配置。金属复合板基层材料与复层材料的厚度对复合板的强度、导电率等关键性能有着重要的影响，因此基层材料与复层材料的精准厚度测量对复合板的使役性能评估有着重要作用。
常用的金属复合板厚度测量方法包括磁性法测厚、金相法测厚与超声法测厚。磁性法测厚是利用磁感应原理对磁性基体上的非磁性涂层进行测厚，其受基体金属磁性变化的影响严重，并且被测目标的表面粗糙度也会引起***误差和偶然误差；金相法测厚虽然可视化且测量精度高，但需要对检测目标进行切割采样、抛光等工序，不仅流程繁琐、不具备实时性，而且针对检测目标的采样点有限，不能做到全面的检测；超声法测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，具有实时性好、可检范围广、精度高等优点。然而传统的压电探头产生的超声脉冲在时域上较宽，在复合板的复层中传播时容易产生回波在时域上的混叠，难以区分多次回波的时间信息，无法对复合板各层的厚度进行有效计算。
区别于传统的压电超声，由脉冲激光激励的超声波脉冲具有很窄的时域宽度，特别适用于薄板的厚度测量，并且激光超声是一种全光学非接触、高时/空间分辨率的无损检测技术，在检测过程中无需耦合剂，相对于传统的压电超声，激光超声还适合用于高温、移动目标的无损检测。
激光超声通常使用脉冲激光作为超声波的激励源，脉冲激光通过热弹或融蚀效应，可在固体材料中同时激发出纵波、横波以及表面波等波形。其中表面波沿着材料表面传播，通常表面波的激发及接收在被测样品的同侧完成。然而纵波、横波属于体波，尤其是由融蚀效应激发的纵波，由于其波形能量最高的方向为材料表面的法线方向，因此通常被用于厚度检测。这类纵波的激发及接收可以在被测样品的同侧，也可以在被测样品的异侧，当激发及接收在样品同侧时，仅需要通过肉眼将激发激光与检测激光调整至重合。然而当超声波的激发与接收在样品的异侧时，仅凭肉眼观察，难以保证两束激光的同轴，导致超声波的激发点及接收点在样品的厚度方向上无法保持共线，超声波的实际传播路程大于样品厚度。若在样品侧厚时发生激发点与检测点的偏心，则厚度的测量结果会偏大，由此可见激发点与检测点的偏心对测量结果的精度有着直接影响。
若在测量前仅调整激发点与检测点在样品厚度方向上的共线，而不调整激发激光与检测激光的同轴，这将导致激发激光与检测激光的轴线方向呈现一定的夹角，若更换不同厚度的测试样品或调整激发光斑的尺寸，则激发点与检测点又重新产生了位置偏差，需要重新调整对准。因此为了保证光路在不同样品厚度下的适用性，必须在测量前将样品两侧的激发激光与检测激光调整至同轴，这对提高激光超声的厚度测量精度及测量稳定性具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对上述问题提供了光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置及方法。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置，包括操作平台、滑轨、相机同轴安装块、样品夹具、脉冲激光CCD相机、连续激光CCD相机、脉冲激光显影屏、连续激光显影屏、脉冲激光光阑、连续激光光阑、一号角度调节机构、二号角度调节机构、一号反射镜、二号反射镜、脉冲激光器和光学干涉仪，所述滑轨安装在操作平台上，所述相机同轴安装块或样品夹具安装在滑轨的中部，所述相机同轴安装块用于光路的对准误差自调节，所述样品夹具用于金属复合板测厚时，装夹金属复合板，所述脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机分别安装在相机同轴安装块的两侧，所述脉冲激光显影屏和连续激光显影屏分别安装在脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机的镜头前，所述脉冲激光光阑和连续激光光阑对称安装在滑轨的左右两侧，且分别与脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机相对应，在所述脉冲激光光阑和连续激光光阑的外侧安装有二号角度调节机构，在所述二号角度调节机构的前方或后方安装有一号角度调节机构，所述一号角度调节机构和二号角度调节机构均安装在操作平台上，所述一号反射镜和二号反射镜分别安装在一号角度调节机构和二号角度调节机构上，所述一号角度调节机构的内侧安装有脉冲激光器和光学干涉仪，其中脉冲激光器与脉冲激光光阑同侧，光学干涉仪于连续激光光阑同侧，所述二号反射镜和脉冲激光显影屏/连续激光显影屏之间的连线与一号反射镜和脉冲激光器/光学干涉仪之间的连线相平行。
进一步，所述脉冲激光光阑和连续激光光阑通过可伸缩的支撑杆安装在滑轨上。
再进一步，所述一号角度调节机构和二号角度调节机构结构相同，所述一号角度调节机构包括固定杆，在所述固定杆上设置有安装座，在所述安装座上固定设置有Y轴支撑架，在所述Y轴支撑架的外侧固定有Y轴旋转电机，在所述Y轴旋转电机的输出轴上固定设置有Y轴旋转轴，所述Y轴旋转轴转动安装在Y轴支撑架上，在所述Y轴旋转轴上固定安装有Y轴调节块，在所述Y轴调节块上固定设置有X轴支撑架，在所述X轴支撑架的外侧固定有X轴旋转电机，在所述X轴旋转电机的输出轴上固定设置有X轴旋转轴，所述X轴旋转轴转动安装在X轴支撑架上，在所述X轴旋转轴上固定安装有一号反射镜。
光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚方法，包括以下步骤：
步骤1，在滑轨上依次安装脉冲激光光阑、相机同轴安装块和连续激光光阑，并将相机同轴安装块安装在滑轨的中心位置，在所述相机同轴安装块的两侧分别安装脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机，所述脉冲激光CCD相机和脉冲激光光阑位于相机同轴安装块的同一侧，连续激光CCD相机和连续激光光阑位于相机同轴安装块的同一侧，在所述脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机的镜头前分别安装脉冲激光显影屏和连续激光显影屏；
步骤2，校准脉冲激光侧光路，包括以下步骤：
步骤2.1，校准脉冲激光CCD相机的图像中心O，使其与自身的几何轴线重合，脉冲激光CCD相机的成像区域采用笛卡尔坐标系，其原点为图像中心O，用于为光斑位置的调整提供参考点；
步骤2.2，设定光斑的圆度系数阈值为δ 0，光斑中心O 1偏离脉冲激光CCD相机的图像中心O的偏心度阈值为β 0；
步骤2.3，调整脉冲激光光阑的轴线位置，使其与脉冲激光CCD相机的轴线重合，具体包括以下步骤：
步骤2.3.1，通过改变脉冲激光光阑下方的支撑杆长度手动粗调脉冲激光光阑的位置，使其中心线与脉冲激光CCD相机的中心线大致处于同一水平面；
步骤2.3.2，开启脉冲激光CCD相机，利用重合于脉冲激光CCD相机几何轴线的平行光源照射脉冲激光光阑，使光斑落在脉冲激光显影屏上，计算光斑的几何中心点坐标O 1(x 0,y 0)，具体计算步骤如下：
步骤a1，通过脉冲激光CCD相机采集脉冲激光显影屏上的图像，并对采集的图像进行二值化处理，将光斑区域全部保留；
步骤a2，提取二值化处理后的光斑图像的轮廓信息，记为Φ，记录轮廓沿X轴正方向上坐标值最大点的横纵坐标(x 1, y 1)，作为曲率及曲率半径计算的起始点；
步骤a3，从起始点开始沿逆时针方向，利用下式计算Φ第i点处的曲率K i ：
Figure 583156DEST_PATH_IMAGE001
（1）
(x i , y i )为第i点处的坐标；
步骤a4，分析Φ各点处的曲率K i ，并计算光斑的中心点坐标，具体如下：
(i).若Φ各点处的曲率K i 不存在突变点，即光斑完整的穿过脉冲激光光阑的中心孔落在脉冲激光显影屏上，则光斑中心点坐标根据下式计算：
Figure 116906DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中S代表脉冲激光CCD相机图像中光斑的面积，n代表光斑轮廓离散点个数，x i 、y i 代表第i个离散点的横、纵坐标；
Figure 374712DEST_PATH_IMAGE003
（3）
(ii).若曲率K i 存在两个突变点，即光斑只有部分穿过脉冲激光光阑的中心孔，其余部分通过脉冲激光光阑投影至脉冲激光显影屏上，则在光斑中心点坐标计算时，需要提取两个曲率突变点的坐标A(xx 1, yy 1)及B(xx 2, yy 2)，并计算脉冲激光显影屏上两段圆弧的曲率半径，即光斑本身的曲率半径和光斑投影的曲率半径：
Figure 335715DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中K 1＞K 2，K 1为光斑本身的曲率，K 2为光斑投影的曲率，其中A(xx 1, yy 1)始终保持在B(xx 2, yy 2)右侧，R 1表示光斑本身的曲率半径，R 2表示光斑投影的曲率半径；
为了计算O 1(x 0, y 0)在脉冲激光CCD相机的成像区域中的绝对坐标，即在笛卡尔坐标系中的绝对坐标，需要首先计算A(xx 1, yy 1)与B(xx 2, yy 2)的中点C(xx 3, yy 3)坐标：
Figure 311761DEST_PATH_IMAGE005
（5）
以光斑中心点O 1(x 0, y 0)为原点建立子坐标系，在子坐标系中，由O 1C、O 1A以及AC之间的几何关系，可列出如下关系式：
Figure 649201DEST_PATH_IMAGE006
（6）
求解上式，若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第一象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 558252DEST_PATH_IMAGE007
（7a）
若C(xx 3, yy 3) 在子坐标系的第二象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 893418DEST_PATH_IMAGE008
（7b）
若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第三象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 153498DEST_PATH_IMAGE009
（7c）
若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第四象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 29050DEST_PATH_IMAGE010
（7d）
步骤2.3.3，依据计算的光斑几何中心点坐标，通过脉冲激光光阑上的微调机构对脉冲激光光阑进行微调，使光斑中心点O 1与图像中心O重合，直至光斑中心的偏心度β满足：
Figure 261448DEST_PATH_IMAGE011
（8）
偏心度β的计算公式为：
Figure 564254DEST_PATH_IMAGE012
（9）
其中(x 0, y 0)代表光斑的几何中心点坐标；
步骤2.4，将滑轨固定在操作平台，并在操作平台上安装脉冲激光器、一号角度调节机构和二号角度调节机构，在所述一号角度调节机构和二号角度调节机构上分别安装一号反射镜和二号反射镜，所述一号反射镜和二号反射镜相对设置，且一号反射镜和二号反射镜的倾斜角分别为45°和135°，所述二号反射镜和脉冲激光显影屏之间的连线与一号反射镜和脉冲激光器之间的连线相平行；
步骤2.5，开启脉冲激光器，手动调整一号反射镜和二号反射镜，使脉冲激光完整穿过脉冲激光光阑，并在脉冲激光显影屏上形成完整的光斑；
步骤2.6，通过调节一号反射镜和二号反射镜调整脉冲激光，使其与脉冲激光CCD相机同轴，具体包括以下步骤：
步骤2.6.1，定义一号角度调节机构和二号角度调节机构中Y轴旋转电机和X轴旋转电机的正反转，具体为：从电机轴端方向看，一号角度调节机构和二号角度调节机构中Y轴旋转电机和X轴旋转电机的顺时针旋转称为正转，逆时针旋转称为反转，正转时角度为正，反转时角度为负；
步骤2.6.2，通过脉冲激光CCD相机采集脉冲激光显影屏上的光斑图像，并进行二值化处理，提取二值化处理后的轮廓信息，利用公式（10）计算光斑的圆度系数δ；
Figure 514892DEST_PATH_IMAGE013
（10）
其中S代表脉冲激光CCD相机图像中光斑的面积，c代表脉冲激光CCD相机图像中光斑的周长；
Figure 194135DEST_PATH_IMAGE014
（11）
Figure 77778DEST_PATH_IMAGE015
（12）
步骤2.6.3，判断当前光斑的圆度系数δ，若δ≤δ 0，则利用公式（2）计算当前光斑的中心坐标O 1(x 0, y 0)，若δ＞δ 0，则利用公式（7a）、（7b）、（7c）或（7d）计算当前光斑的中心坐标O 1(x 0, y 0)；
步骤2.6.4、利用公式（9）计算当前光斑的偏心度，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进行光斑位置的调整；
步骤2.6.5，调整当前光斑与X轴的偏离，具体步骤如下：
b1，记录当前光斑中心O 1在笛卡尔坐标系中所在的象限，并读取当前偏心度β；
b2，定义电机旋转方向系数M、N，其中M用于表示一号角度调节机构中X轴旋转电机和Y轴旋转电机的旋转方向系数，N用于表示二号角度调节机构中X轴旋转电机和Y轴旋转电机的旋转方向系数，M、N的值从1与-1中选定，1与-1分别代表正转和反转，若光斑的中心坐标O 1位于第一或第二象限，则初始化定义M=1、N=-1，若光斑的中心坐标O 1位于第三或第四象限，则初始化定义M=1、N=1；
b3，计算当前脉冲激光光束与X轴所在水平面的夹角θ x ：
Figure 489167DEST_PATH_IMAGE016
（13）
其中l 2代表二号反射镜与脉冲激光显影屏之间的水平距离，y 0为光斑中心的纵坐标；
二号角度调节机构中X轴旋转电机的步进旋转角度Δθ x2为：
Figure 458260DEST_PATH_IMAGE017
（14）
一号角度调节机构中X轴旋转电机的步进旋转角度Δθ x1为：
Figure 941194DEST_PATH_IMAGE018
（15）
其中l 1代表一号反射镜与二号反射镜之间的距离；
b4，记录光斑当前的偏心度为β 1，定义一号角度调节机构中X轴旋转电机的步进旋转角度MΔθ x1，二号角度调节机构中X轴旋转电机的步进旋转角度NΔθ x2；
b5，一号角度调节机构中X轴旋转电机旋转MΔθ x1一次， 二号角度调节机构中X轴旋转电机以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
b6，判断当前偏心度β是否小于步骤b4中记录的偏心度β 1，若β≥β 1，则一号角度调节机构中X轴旋转电机旋转方向错误，令M=-1，重复步骤b5，直至β＜β 1；若β＜β 1，则一号角度调节机构中X轴旋转电机旋转方向正确，进入下一步；
b7，判断当前偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则继续进行调整，一号角度调节机构中X轴旋转电机旋转MΔθ x1一次，二号角度调节机构中X轴旋转电机以连续步进的方式进行旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
b8，判断当前偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进入下一步；
b9，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤b1发生变化，则停止X轴的偏离调整，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤b1没有发生变化，则返回步骤b7；
步骤2.6.6，判断当前偏心度β，若β≤β 0，则调整结束；若β＞β 0，则调整当前光斑与Y轴的偏离，具体步骤如下：
c1，记录当前光斑中心O 1在笛卡尔坐标系中所在的象限，并读取当前偏心度β；
c2，若当前光斑的中心坐标O 1位于第一或第四象限，则初始化定义M=1、N=1，若光斑的中心坐标O 1位于第二或第三象限，则初始化定义M=1、N=-1；
c3，计算当前脉冲激光光束与Y轴所在水平面的夹角θ y ：
Figure 882605DEST_PATH_IMAGE019
（16）
x 0为光斑中心的横坐标；
二号角度调节机构中Y轴旋转电机的步进旋转角度Δθ y2为：
Figure 792793DEST_PATH_IMAGE020
（17）
一号角度调节机构中Y轴旋转电机的步进旋转角度Δθ y1：
Figure 249182DEST_PATH_IMAGE021
（18）
c4，记录光斑当前的偏心度β 2，***定义一号角度调节机构中Y轴旋转电机的步进旋转角度MΔθ y1，二号角度调节机构中Y轴旋转电机的步进旋转角度NΔθ y2；
c5，一号角度调节机构中Y轴旋转电机旋转MΔθ x1一次，二号角度调节机构中Y轴旋转电机以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
c6，判断偏心度β是否小于步骤c4中记录的偏心度β 2，若β≥β 2，则一号角度调节机构中Y轴旋转电机旋转方向错误，令M=-1，重新旋转，若β＜β 1，则一号角度调节机构中Y轴旋转电机旋转方向正确，进入下一步；
c7，判断偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则继续进行调整，一号角度调节机构中Y轴旋转电机旋转MΔθ y1一次，二号角度调节机构中Y轴旋转电机以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ y2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
c8，判断偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进入下一步；
c9，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤c1发生变化，则停止Y轴的偏离调整，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤c1没有发生变化，则返回步骤c7；
步骤2.6.7，判断当前偏心度β，若β＞β 0，则返回步骤c7，若β≤β 0，则调整结束；
步骤3，重复步骤2，校准连续激光侧光路；
步骤4，依次拆除脉冲激光CCD相机、连续激光CCD相机、相机同轴安装块，在相机同轴安装块所在的位置上，安装样品夹具，在样品夹具上装夹金属复合板，其中金属复合板的基层面对脉冲激光，金属复合板的复层面对干涉仪的连续激光；
步骤5，获取金属复合板的激光超声信号，并分别计算复层与基层的厚度。
进一步，所述步骤5，获取金属复合板的激光超声信号，并分别计算复层与基层的厚度的具体步骤如下：
步骤5.1，开启脉冲激光器，脉冲激光在金属复合板的基层激发出超声波，由于复层与基层材料声阻抗的差异，超声波在传播至基层与复层界面处会同时发生透射与反射，随后由光学干涉仪在复层接收金属复合板中的超声回波信号，分别标记出直达纵波Ⅰ、界面一次反射波Ⅱ和顶面一次反射波Ⅲ，提取直达纵波Ⅰ、界面一次反射波Ⅱ、顶面一次反射波Ⅲ在信号中的出现时间t Ⅰ、t Ⅱ、t Ⅲ，由此计算出复层的厚度：
Figure 207911DEST_PATH_IMAGE022
（19）
上式中，h 1为复层的厚度，v 1为直达纵波在复层中的传播速度；
步骤5.2，金属复合板的厚度由基层厚度与复层厚度共同构成，根据超声波在基层与复层中的传播时间，可列出如下方程：
Figure 331724DEST_PATH_IMAGE023
（20）
上式中，h 2为基层的厚度，v 2为超声纵波在基层中的传播速度；
根据公式（20）可推导出复合板的基层厚度：
Figure 350496DEST_PATH_IMAGE024
（21）。
再进一步，所述步骤b5和b7中的直至偏心度β不再减小：具体是指二号角度调节机构中X轴旋转电机以连续步进的方式进行旋转，在偏心度β不断减小的过程中，出现偏心度β增大的情况时，即认定拐点处为偏心度β不再减小的点，随后二号角度调节机构中X轴旋转电机反向旋转至偏心度β拐点处；所述c5和c7中的直至偏心度β不再减小：具体是指二号角度调节机构中Y轴旋转电机以连续步进的方式进行旋转，在偏心度β不断减小的过程中，出现偏心度β增大的情况时，即认定拐点处为偏心度β不再减小的点，随后二号角度调节机构中Y轴旋转电机反向旋转至偏心度β拐点处。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明采用全光学的非接触激光超声方法对金属复合板的各层厚度进行测量，并且通过光路对准误差自调节，避免了由于光路不同轴带来的测量误差；
2、本发明在厚度测量时，用于激发超声波的脉冲激光与用于探测超声波的连续激光，分别位于探测目标的两侧，且超声波在金属复合板的基层激发、复层探测，充分利用了激光超声在时域上的窄脉冲特性；
3、本发明在调整光束同轴时采用了脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机，利用经过同轴的脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机，不仅可以高精度地识别出光斑位置，还可以避免在调整时两束激光互相进入对方的激光器，起到保护激光器的作用；
4、本发明通过图像识别确定光斑位置，并利用X轴旋转电机和Y轴旋转电机调整一号反射镜和二号反射镜的角度，解决了手动调节效率低、精度差的问题；
5、本发明通过脉冲激光CCD相机和连续激光CCD相机与脉冲激光光阑、连续激光光阑的组合，可以保证两束激光在误差范围内调整至同轴，避免了仅将激发点与检测点调整至厚度方向的共线，因此在不同厚度样品更换或光斑尺寸调整时，无需重新调整光路对准，对提高检测精度及检测效率具有十分重要的作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明相机同轴安装块、脉冲激光光阑以及连续激光光阑的安装示意图；
图3为本发明一号角度调节机构的结构示意图；
图4为本发明脉冲激光CCD相机的成像区域示意图；
图5为本发明脉冲激光CCD相机采集的曲率K i 存在两个突变点时的图像示意图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
如图1至图3所示，光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置，包括操作平台、滑轨1、相机同轴安装块2、样品夹具、脉冲激光CCD相机3、连续激光CCD相机4、脉冲激光显影屏5、连续激光显影屏6、脉冲激光光阑7、连续激光光阑8、一号角度调节机构9、二号角度调节机构10、一号反射镜11、二号反射镜12、脉冲激光器13和光学干涉仪14，所述滑轨1安装在操作平台上，所述相机同轴安装块2或样品夹具安装在滑轨1的中部，所述相机同轴安装块2用于光路的对准误差自调节，所述样品夹具用于金属复合板测厚时，装夹金属复合板，所述脉冲激光CCD相机3和连续激光CCD相机4通过可伸缩的支撑杆15分别安装在相机同轴安装块2的两侧，所述脉冲激光显影屏5和连续激光显影屏6分别安装在脉冲激光CCD相机3和连续激光CCD相机4的镜头前，所述脉冲激光光阑7和连续激光光阑8对称安装在滑轨1的左右两侧，且分别与脉冲激光CCD相机3和连续激光CCD相机4相对应，在所述脉冲激光光阑7和连续激光光阑8的外侧安装有二号角度调节机构10，在所述二号角度调节机构10的前方或后方安装有一号角度调节机构9，所述一号角度调节机构9和二号角度调节机构10均安装在操作平台上，所述一号反射镜11和二号反射镜12分别安装在一号角度调节机构9和二号角度调节机构10上，所述一号角度调节机构9的内侧安装有脉冲激光器13和光学干涉仪14，其中脉冲激光器13与脉冲激光光阑7同侧，光学干涉仪14于连续激光光阑8同侧，所述二号反射镜12和脉冲激光显影屏5/连续激光显影屏6之间的连线与一号反射镜11和脉冲激光器13/光学干涉仪14之间的连线相平行。
所述一号角度调节机构9和二号角度调节机构10结构相同，所述一号角度调节机构9包括固定杆901，在所述固定杆901上设置有安装座902，在所述安装座902上固定设置有Y轴支撑架903，在所述Y轴支撑架903的外侧固定有Y轴旋转电机904，在所述Y轴旋转电机904的输出轴上固定设置有Y轴旋转轴905，所述Y轴旋转轴905转动安装在Y轴支撑架903上，在所述Y轴旋转轴905上固定安装有Y轴调节块906，在所述Y轴调节块906上固定设置有X轴支撑架907，在所述X轴支撑架907的外侧固定有X轴旋转电机908，在所述X轴旋转电机908的输出轴上固定设置有X轴旋转轴909，所述X轴旋转轴909转动安装在X轴支撑架907上，在所述X轴旋转轴909上固定安装有一号反射镜11。
光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚方法，包括以下步骤：
步骤1，在滑轨1上依次安装脉冲激光光阑7、相机同轴安装块2和连续激光光阑8，并将相机同轴安装块2安装在滑轨1的中心位置，在所述相机同轴安装块2的两侧分别安装脉冲激光CCD相机3和连续激光CCD相机4，所述脉冲激光CCD相机3和脉冲激光光阑7位于相机同轴安装块2的同一侧，连续激光CCD相机4和连续激光光阑8位于相机同轴安装块2的同一侧，在所述脉冲激光CCD相机3和连续激光CCD相机4的镜头前分别安装脉冲激光显影屏5和连续激光显影屏6；
步骤2，校准脉冲激光侧光路，包括以下步骤：
步骤2.1，校准脉冲激光CCD相机3的图像中心O，使其与自身的几何轴线重合，脉冲激光CCD相机3的成像区域采用笛卡尔坐标系，其原点为图像中心O，用于为光斑位置的调整提供参考点；
步骤2.2，设定光斑的圆度系数阈值为δ 0，光斑中心O 1偏离脉冲激光CCD相机3的图像中心O的偏心度阈值为β 0；
步骤2.3，调整脉冲激光光阑7的轴线位置，使其与脉冲激光CCD相机3的轴线重合，具体包括以下步骤：
步骤2.3.1，通过改变脉冲激光光阑7下方的支撑杆长度手动粗调脉冲激光光阑7的位置，使其中心线与脉冲激光CCD相机3的中心线大致处于同一水平面；
步骤2.3.2，开启脉冲激光CCD相机3，利用重合于脉冲激光CCD相机3几何轴线的平行光源照射脉冲激光光阑7，使光斑落在脉冲激光显影屏5上，计算光斑的几何中心点坐标O 1(x 0, y 0)，具体计算步骤如下：
步骤a1，通过脉冲激光CCD相机3采集脉冲激光显影屏5上的图像，并对采集的图像进行二值化处理，将光斑区域全部保留；
步骤a2，提取二值化处理后的光斑图像的轮廓信息，记为Φ，记录轮廓沿X轴正方向上坐标值最大点的横纵坐标(x 1, y 1)，作为曲率及曲率半径计算的起始点；
步骤a3，从起始点开始沿逆时针方向，利用下式计算Φ第i点处的曲率K i ：
Figure 294181DEST_PATH_IMAGE001
（1）
(x i , y i )为第i点处的坐标；
步骤a4，分析Φ各点处的曲率K i ，并计算光斑的中心点坐标，具体如下：
(i).若Φ各点处的曲率K i 不存在突变点，即光斑完整的穿过脉冲激光光阑7的中心孔落在脉冲激光显影屏5上，则光斑中心点坐标根据下式计算：
Figure 853338DEST_PATH_IMAGE025
（2）
其中S代表脉冲激光CCD相机3图像中光斑的面积，n代表光斑轮廓离散点个数，x i 、y i 代表第i个离散点的横、纵坐标；
Figure 769342DEST_PATH_IMAGE026
（3）
(ii).若曲率K i 存在两个突变点，即光斑只有部分穿过脉冲激光光阑7的中心孔，其余部分通过脉冲激光光阑7投影至脉冲激光显影屏5上，则在光斑中心点坐标计算时，需要提取两个曲率突变点的坐标A(xx 1, yy 1)及B(xx 2, yy 2)，并计算脉冲激光显影屏5上两段圆弧的曲率半径，即光斑本身的曲率半径和光斑投影的曲率半径：
Figure 21332DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中K 1＞K 2，K 1为光斑本身的曲率，K 2为光斑投影的曲率，其中A(xx 1, yy 1)始终保持在B(xx 2, yy 2)右侧，R 1表示光斑本身的曲率半径，R 2表示光斑投影的曲率半径；
为了计算O 1(x 0, y 0)在脉冲激光CCD相机3的成像区域中的绝对坐标，即在笛卡尔坐标系中的绝对坐标，需要首先计算A(xx 1, yy 1)与B(xx 2, yy 2)的中点C(xx 3, yy 3)坐标：
Figure 655575DEST_PATH_IMAGE027
（5）
以光斑中心点O 1(x 0, y 0)为原点建立子坐标系，在子坐标系中，由O 1C、O 1A以及AC之间的几何关系，可列出如下关系式：
Figure 18424DEST_PATH_IMAGE028
（6）
求解上式，若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第一象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 585671DEST_PATH_IMAGE007
（7a）
若C(xx 3, yy 3) 在子坐标系的第二象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 946245DEST_PATH_IMAGE008
（7b）
若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第三象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 864523DEST_PATH_IMAGE009
（7c）
若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第四象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 968745DEST_PATH_IMAGE029
（7d）
步骤2.3.3，依据计算的光斑几何中心点坐标，通过脉冲激光光阑7上的微调机构对脉冲激光光阑7进行微调，使光斑中心点O 1与图像中心O重合，直至光斑中心的偏心度β满足：
Figure 921658DEST_PATH_IMAGE011
（8）
偏心度β的计算公式为：
Figure 249871DEST_PATH_IMAGE012
（9）
其中(x 0, y 0)代表光斑的几何中心点坐标；
步骤2.4，将滑轨1固定在操作平台，并在操作平台上安装脉冲激光器13、一号角度调节机构9和二号角度调节机构10，在所述一号角度调节机构9和二号角度调节机构10上分别安装一号反射镜11和二号反射镜12，所述一号反射镜11和二号反射镜12相对设置，且一号反射镜11和二号反射镜12的倾斜角分别为45°和135°，所述二号反射镜12和脉冲激光显影屏5之间的连线与一号反射镜11和脉冲激光器13之间的连线相平行；
步骤2.5，开启脉冲激光器13，手动调整一号反射镜11和二号反射镜12，使脉冲激光完整穿过脉冲激光光阑7，并在脉冲激光显影屏5上形成完整的光斑；
步骤2.6，通过调节一号反射镜11和二号反射镜12调整脉冲激光，使其与脉冲激光CCD相机3同轴，具体包括以下步骤：
步骤2.6.1，定义一号角度调节机构9和二号角度调节机构10中Y轴旋转电机904和X轴旋转电机908的正反转，具体为：从电机轴端方向看，一号角度调节机构9和二号角度调节机构10中Y轴旋转电机904和X轴旋转电机908的顺时针旋转称为正转，逆时针旋转称为反转，正转时角度为正，反转时角度为负；
步骤2.6.2，通过脉冲激光CCD相机3采集脉冲激光显影屏5上的光斑图像，并进行二值化处理，提取二值化处理后的轮廓信息，利用公式（10）计算光斑的圆度系数δ；
Figure 593127DEST_PATH_IMAGE030
（10）
其中S代表脉冲激光CCD相机3图像中光斑的面积，c代表脉冲激光CCD相机3图像中光斑的周长；
Figure 297778DEST_PATH_IMAGE031
（11）
Figure 42880DEST_PATH_IMAGE032
（12）
步骤2.6.3，判断当前光斑的圆度系数δ，若δ≤δ 0，则利用公式（2）计算当前光斑的中心坐标O 1(x 0, y 0)，若δ＞δ 0，则利用公式（7a）、（7b）、（7c）或（7d）计算当前光斑的中心坐标O 1(x 0, y 0)；
步骤2.6.4、利用公式（9）计算当前光斑的偏心度，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进行光斑位置的调整；
步骤2.6.5，调整当前光斑与X轴的偏离，具体步骤如下：
b1，记录当前光斑中心O 1在笛卡尔坐标系中所在的象限，并读取当前偏心度β；
b2，定义电机旋转方向系数M、N，其中M用于表示一号角度调节机构9中X轴旋转电机908和Y轴旋转电机904的旋转方向系数，N用于表示二号角度调节机构10中X轴旋转电机908和Y轴旋转电机904的旋转方向系数，M、N的值从1与-1中选定，1与-1分别代表正转和反转，若光斑的中心坐标O 1位于第一或第二象限，则初始化定义M=1、N=-1，若光斑的中心坐标O 1位于第三或第四象限，则初始化定义M=1、N=1；
b3，计算当前脉冲激光光束与X轴所在水平面的夹角θ x ：
Figure 541995DEST_PATH_IMAGE016
（13）
其中l 2代表二号反射镜12与脉冲激光显影屏5之间的水平距离，y 0为光斑中心的纵坐标；
二号角度调节机构10中X轴旋转电机908的步进旋转角度Δθ x2为：
Figure 434864DEST_PATH_IMAGE017
（14）
一号角度调节机构9中X轴旋转电机908的步进旋转角度Δθ x1为：
Figure 880889DEST_PATH_IMAGE033
（15）
其中l 1代表一号反射镜11与二号反射镜12之间的距离；
b4，记录光斑当前的偏心度为β 1，定义一号角度调节机构9中X轴旋转电机908的步进旋转角度MΔθ x1，二号角度调节机构10中X轴旋转电机908的步进旋转角度NΔθ x2；
b5，一号角度调节机构9中X轴旋转电机908旋转MΔθ x1一次， 二号角度调节机构10中X轴旋转电机908以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
b6，判断当前偏心度β是否小于步骤b4中记录的偏心度β 1，若β≥β 1，则一号角度调节机构9中X轴旋转电机908旋转方向错误，令M=-1，重复步骤b5，直至β＜β 1；若β＜β 1，则一号角度调节机构9中X轴旋转电机908旋转方向正确，进入下一步；
b7，判断当前偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则继续进行调整，一号角度调节机构9中X轴旋转电机908旋转MΔθ x1一次，二号角度调节机构10中X轴旋转电机908以连续步进的方式进行旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
b8，判断当前偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进入下一步；
b9，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤b1发生变化，则停止X轴的偏离调整，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤b1没有发生变化，则返回步骤b7；
步骤2.6.6，判断当前偏心度β，若β≤β 0，则调整结束；若β＞β 0，则调整当前光斑与Y轴的偏离，具体步骤如下：
c1，记录当前光斑中心O 1在笛卡尔坐标系中所在的象限，并读取当前偏心度β；
c2，若当前光斑的中心坐标O 1位于第一或第四象限，则初始化定义M=1、N=1，若光斑的中心坐标O 1位于第二或第三象限，则初始化定义M=1、N=-1；
c3，计算当前脉冲激光光束与Y轴所在水平面的夹角θ y ：
Figure 808394DEST_PATH_IMAGE019
（16）
x 0为光斑中心的横坐标；
二号角度调节机构10中Y轴旋转电机904的步进旋转角度Δθ y2为：
Figure 681672DEST_PATH_IMAGE020
（17）
一号角度调节机构9中Y轴旋转电机904的步进旋转角度Δθ y1：
Figure 530679DEST_PATH_IMAGE021
（18）
c4，记录光斑当前的偏心度β 2，***定义一号角度调节机构9中Y轴旋转电机904的步进旋转角度MΔθ y1，二号角度调节机构10中Y轴旋转电机904的步进旋转角度NΔθ y2；
c5，一号角度调节机构9中Y轴旋转电机904旋转MΔθ x1一次，二号角度调节机构10中Y轴旋转电机904以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
c6，判断偏心度β是否小于步骤c4中记录的偏心度β 2，若β≥β 2，则一号角度调节机构9中Y轴旋转电机904旋转方向错误，令M=-1，重新旋转，若β＜β 1，则一号角度调节机构9中Y轴旋转电机904旋转方向正确，进入下一步；
c7，判断偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则继续进行调整，一号角度调节机构9中Y轴旋转电机904旋转MΔθ y1一次，二号角度调节机构10中Y轴旋转电机904以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ y2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
c8，判断偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进入下一步；
c9，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤c1发生变化，则停止Y轴的偏离调整，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤c1没有发生变化，则返回步骤c7；
步骤2.6.7，判断当前偏心度β，若β＞β 0，则返回步骤c7，若β≤β 0，则调整结束；
步骤3，重复步骤2，校准连续激光侧光路；
步骤4，依次拆除脉冲激光CCD相机3、连续激光CCD相机4、相机同轴安装块2，在相机同轴安装块2所在的位置上，安装样品夹具，在样品夹具上装夹金属复合板，其中金属复合板的基层面对脉冲激光，金属复合板的复层面对干涉仪的连续激光；
步骤5，获取金属复合板的激光超声信号，并分别计算复层与基层的厚度，具体步骤如下：
步骤5.1，开启脉冲激光器13，脉冲激光在金属复合板的基层激发出超声波，由于复层与基层材料声阻抗的差异，超声波在传播至基层与复层界面处会同时发生透射与反射，随后由光学干涉仪14在复层接收金属复合板中的超声回波信号，分别标记出直达纵波Ⅰ、界面一次反射波Ⅱ和顶面一次反射波Ⅲ，提取直达纵波Ⅰ、界面一次反射波Ⅱ、顶面一次反射波Ⅲ在信号中的出现时间t Ⅰ、t Ⅱ、t Ⅲ，由此计算出复层的厚度：
Figure 842712DEST_PATH_IMAGE022
（19）
上式中，h 1为复层的厚度，v 1为直达纵波在复层中的传播速度；
步骤5.2，金属复合板的厚度由基层厚度与复层厚度共同构成，根据超声波在基层与复层中的传播时间，可列出如下方程：
Figure 562406DEST_PATH_IMAGE023
（20）
上式中，h 2为基层的厚度，v 2为超声纵波在基层中的传播速度；
根据公式（20）可推导出复合板的基层厚度：
Figure 403323DEST_PATH_IMAGE034
（21）。
所述步骤b5和b7中的直至偏心度β不再减小：具体是指二号角度调节机构10中X轴旋转电机908以连续步进的方式进行旋转，在偏心度β不断减小的过程中，出现偏心度β增大的情况时，即认定拐点处为偏心度β不再减小的点，随后二号角度调节机构10中X轴旋转电机908反向旋转至偏心度β拐点处；所述c5和c7中的直至偏心度β不再减小：具体是指二号角度调节机构10中Y轴旋转电机904以连续步进的方式进行旋转，在偏心度β不断减小的过程中，出现偏心度β增大的情况时，即认定拐点处为偏心度β不再减小的点，随后二号角度调节机构10中Y轴旋转电机904反向旋转至偏心度β拐点处
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置，其特征在于：包括操作平台、滑轨（1）、相机同轴安装块（2）、样品夹具、脉冲激光CCD相机（3）、连续激光CCD相机（4）、脉冲激光显影屏（5）、连续激光显影屏（6）、脉冲激光光阑（7）、连续激光光阑（8）、一号角度调节机构（9）、二号角度调节机构（10）、一号反射镜（11）、二号反射镜（12）、脉冲激光器（13）和光学干涉仪（14），所述滑轨（1）安装在操作平台上，所述相机同轴安装块（2）或样品夹具安装在滑轨（1）的中部，所述相机同轴安装块（2）用于光路的对准误差自调节，所述样品夹具用于金属复合板测厚时，装夹金属复合板，所述脉冲激光CCD相机（3）和连续激光CCD相机（4）分别安装在相机同轴安装块（2）的两侧，所述脉冲激光显影屏（5）和连续激光显影屏（6）分别安装在脉冲激光CCD相机（3）和连续激光CCD相机（4）的镜头前，所述脉冲激光光阑（7）和连续激光光阑（8）对称安装在滑轨（1）的左右两侧，且分别与脉冲激光CCD相机（3）和连续激光CCD相机（4）相对应，在所述脉冲激光光阑（7）和连续激光光阑（8）的外侧安装有二号角度调节机构（10），在所述二号角度调节机构（10）的前方或后方安装有一号角度调节机构（9），所述一号角度调节机构（9）和二号角度调节机构（10）均安装在操作平台上，所述一号反射镜（11）和二号反射镜（12）分别安装在一号角度调节机构（9）和二号角度调节机构（10）上，所述一号角度调节机构（9）的内侧安装有脉冲激光器（13）和光学干涉仪（14），其中脉冲激光器（13）与脉冲激光光阑（7）同侧，光学干涉仪（14）于连续激光光阑（8）同侧，所述二号反射镜（12）和脉冲激光显影屏（5）/连续激光显影屏（6）之间的连线与一号反射镜（11）和脉冲激光器（13）/光学干涉仪（14）之间的连线相平行。
2.根据权利要求1所述的光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置，其特征在于：所述脉冲激光光阑（7）和连续激光光阑（8）通过可伸缩的支撑杆（15）安装在滑轨（1）上。
3.根据权利要求2所述的光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚装置，其特征在于：所述一号角度调节机构（9）和二号角度调节机构（10）结构相同，所述一号角度调节机构（9）包括固定杆（901），在所述固定杆（901）上设置有安装座（902），在所述安装座（902）上固定设置有Y轴支撑架（903），在所述Y轴支撑架（903）的外侧固定有Y轴旋转电机（904），在所述Y轴旋转电机（904）的输出轴上固定设置有Y轴旋转轴（905），所述Y轴旋转轴（905）转动安装在Y轴支撑架（903）上，在所述Y轴旋转轴（905）上固定安装有Y轴调节块（906），在所述Y轴调节块（906）上固定设置有X轴支撑架（907），在所述X轴支撑架（907）的外侧固定有X轴旋转电机（908），在所述X轴旋转电机（908）的输出轴上固定设置有X轴旋转轴（909），所述X轴旋转轴（909）转动安装在X轴支撑架（907）上，在所述X轴旋转轴（909）上固定安装有一号反射镜（11）。
4.一种利用权利要求3所述装置进行的光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，在滑轨（1）上依次安装脉冲激光光阑（7）、相机同轴安装块（2）和连续激光光阑（8），并将相机同轴安装块（2）安装在滑轨（1）的中心位置，在所述相机同轴安装块（2）的两侧分别安装脉冲激光CCD相机（3）和连续激光CCD相机（4），所述脉冲激光CCD相机（3）和脉冲激光光阑（7）位于相机同轴安装块（2）的同一侧，连续激光CCD相机（4）和连续激光光阑（8）位于相机同轴安装块（2）的同一侧，在所述脉冲激光CCD相机（3）和连续激光CCD相机（4）的镜头前分别安装脉冲激光显影屏（5）和连续激光显影屏（6）；
步骤2，校准脉冲激光侧光路，包括以下步骤：
步骤2.1，校准脉冲激光CCD相机（3）的图像中心O，使其与自身的几何轴线重合，脉冲激光CCD相机（3）的成像区域采用笛卡尔坐标系，其原点为图像中心O，用于为光斑位置的调整提供参考点；
步骤2.2，设定光斑的圆度系数阈值为δ 0，光斑中心O 1偏离脉冲激光CCD相机（3）的图像中心O的偏心度阈值为β 0；
步骤2.3，调整脉冲激光光阑（7）的轴线位置，使其与脉冲激光CCD相机（3）的轴线重合，具体包括以下步骤：
步骤2.3.1，通过改变脉冲激光光阑（7）下方的支撑杆长度手动粗调脉冲激光光阑（7）的位置，使其中心线与脉冲激光CCD相机（3）的中心线大致处于同一水平面；
步骤2.3.2，开启脉冲激光CCD相机（3），利用重合于脉冲激光CCD相机（3）几何轴线的平行光源照射脉冲激光光阑（7），使光斑落在脉冲激光显影屏（5）上，计算光斑中心O 1的几何坐标(x 0, y 0)，具体计算步骤如下：
步骤a1，通过脉冲激光CCD相机（3）采集脉冲激光显影屏（5）上的图像，并对采集的图像进行二值化处理，将光斑区域全部保留；
步骤a2，提取二值化处理后的光斑图像的轮廓信息，记为Φ，记录轮廓沿X轴正方向上坐标值最大点的横纵坐标(x 1, y 1)，作为曲率及曲率半径计算的起始点；
步骤a3，从起始点开始沿逆时针方向，利用下式计算Φ各点处的曲率K i ：
Figure 942730DEST_PATH_IMAGE002
（1）
步骤a4，分析Φ各点处的曲率K i ，并计算光斑的中心点坐标，具体如下：
(i).若Φ各点处的曲率K i 不存在突变点，即光斑完整的穿过脉冲激光光阑（7）的中心孔落在脉冲激光显影屏（5）上，则光斑中心点坐标根据下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（2）
其中S代表脉冲激光CCD相机（3）图像中光斑的面积，n代表光斑轮廓离散点个数，x i 、y i 代表第i个离散点的横、纵坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（3）
(ii).若曲率K i 存在两个突变点，即光斑只有部分穿过脉冲激光光阑（7）的中心孔，其余部分通过脉冲激光光阑（7）投影至脉冲激光显影屏（5）上，则在光斑中心点坐标计算时，需要提取两个曲率突变点的坐标A(xx 1, yy 1)及B(xx 2, yy 2)，并计算脉冲激光显影屏（5）上两段圆弧的曲率半径，即光斑本身的曲率半径和光斑投影的曲率半径：
Figure 945932DEST_PATH_IMAGE006
（4）
其中K 1＞K 2，K 1为光斑本身的曲率，K 2为光斑投影的曲率，其中A(xx 1, yy 1)始终保持在B(xx 2, yy 2)右侧，R 1表示光斑本身的曲率半径，R 2表示光斑投影的曲率半径；
为了计算光斑中心O 1在脉冲激光CCD相机（3）的成像区域中的绝对坐标，即在笛卡尔坐标系中的绝对坐标，需要首先计算A(xx 1, yy 1)与B(xx 2, yy 2)的中点C(xx 3, yy 3)坐标：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（5）
以光斑中心O 1的几何坐标(x 0, y 0)为原点建立子坐标系，在子坐标系中，由O 1C、O 1A以及AC之间的几何关系，可列出如下关系式：
Figure 977341DEST_PATH_IMAGE008
（6）
求解上式，若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第一象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（7a）
若C(xx 3, yy 3) 在子坐标系的第二象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 991434DEST_PATH_IMAGE010
（7b）
若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第三象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（7c）
若C(xx 3, yy 3)在子坐标系的第四象限，则(x 0, y 0)可以表示为：
Figure 588637DEST_PATH_IMAGE012
（7d）
步骤2.3.3，依据计算的光斑几何中心点坐标，通过脉冲激光光阑（7）上的微调机构对脉冲激光光阑（7）进行微调，使光斑中心O 1与图像中心O重合，直至光斑中心的偏心度β满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（8）
偏心度β的计算公式为：
Figure 295562DEST_PATH_IMAGE014
（9）
其中(x 0, y 0)代表光斑的几何中心点坐标；
步骤2.4，将滑轨（1）固定在操作平台，并在操作平台上安装脉冲激光器（13）、一号角度调节机构（9）和二号角度调节机构（10），在所述一号角度调节机构（9）和二号角度调节机构（10）上分别安装一号反射镜（11）和二号反射镜（12），所述一号反射镜（11）和二号反射镜（12）相对设置，且一号反射镜（11）和二号反射镜（12）的倾斜角分别为45°和135°，所述二号反射镜（12）和脉冲激光显影屏（5）之间的连线与一号反射镜（11）和脉冲激光器（13）之间的连线相平行；
步骤2.5，开启脉冲激光器（13），手动调整一号反射镜（11）和二号反射镜（12），使脉冲激光完整穿过脉冲激光光阑（7），并在脉冲激光显影屏（5）上形成完整的光斑；
步骤2.6，通过调节一号反射镜（11）和二号反射镜（12）调整脉冲激光，使其与脉冲激光CCD相机（3）同轴，具体包括以下步骤：
步骤2.6.1，定义一号角度调节机构（9）和二号角度调节机构（10）中Y轴旋转电机（904）和X轴旋转电机（908）的正反转，具体为：从电机轴端方向看，一号角度调节机构（9）和二号角度调节机构（10）中Y轴旋转电机（904）和X轴旋转电机（908）的顺时针旋转称为正转，逆时针旋转称为反转，正转时角度为正，反转时角度为负；
步骤2.6.2，通过脉冲激光CCD相机（3）采集脉冲激光显影屏（5）上的光斑图像，并进行二值化处理，提取二值化处理后的轮廓信息，利用公式（10）计算光斑的圆度系数δ；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（10）
其中S代表脉冲激光CCD相机（3）图像中光斑的面积，c代表脉冲激光CCD相机（3）图像中光斑的周长；
Figure 613936DEST_PATH_IMAGE016
（11）
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（12）
步骤2.6.3，判断当前光斑的圆度系数δ，若δ≤δ 0，则利用公式（2）计算当前光斑中心O 1的几何坐标(x 0, y 0)，若δ＞δ 0，则利用公式（7a）、（7b）、（7c）或（7d）计算当前光斑中心O 1的几何坐标(x 0, y 0)；
步骤2.6.4、利用公式（9）计算当前光斑的偏心度，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进行光斑位置的调整；
步骤2.6.5，调整当前光斑与X轴的偏离，具体步骤如下：
b1，记录当前光斑中心O 1在笛卡尔坐标系中所在的象限，并读取当前偏心度β；
b2，定义电机旋转方向系数M、N，其中M用于表示一号角度调节机构（9）中X轴旋转电机（908）和Y轴旋转电机（904）的旋转方向系数，N用于表示二号角度调节机构（10）中X轴旋转电机（908）和Y轴旋转电机（904）的旋转方向系数，M、N的值从1与-1中选定，1与-1分别代表正转和反转，若光斑中心O 1的坐标位于第一或第二象限，则初始化定义M=1、N=-1，若光斑中心O 1的坐标位于第三或第四象限，则初始化定义M=1、N=1；
b3，计算当前脉冲激光光束与X轴所在水平面的夹角θ x ：
Figure 556353DEST_PATH_IMAGE018
（13）
其中l 2代表二号反射镜（12）与脉冲激光显影屏（5）之间的水平距离，y 0为光斑中心的纵坐标；
二号角度调节机构（10）中X轴旋转电机（908）的步进旋转角度Δθ x2为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（14）
一号角度调节机构（9）中X轴旋转电机（908）的步进旋转角度Δθ x1为：
Figure 742483DEST_PATH_IMAGE020
（15）
其中l 1代表一号反射镜（11）与二号反射镜（12）之间的距离；
b4，记录光斑当前的偏心度为β 1，定义一号角度调节机构（9）中X轴旋转电机（908）的步进旋转角度MΔθ x1，二号角度调节机构（10）中X轴旋转电机（908）的步进旋转角度NΔθ x2；
b5，一号角度调节机构（9）中X轴旋转电机（908）旋转MΔθ x1一次， 二号角度调节机构（10）中X轴旋转电机（908）以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
b6，判断当前偏心度β是否小于步骤b4中记录的偏心度β 1，若β≥β 1，则一号角度调节机构（9）中X轴旋转电机（908）旋转方向错误，令M=-1，重复步骤b5，直至β＜β 1；若β＜β 1，则一号角度调节机构（9）中X轴旋转电机（908）旋转方向正确，进入下一步；
b7，判断当前偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则继续进行调整，一号角度调节机构（9）中X轴旋转电机（908）旋转MΔθ x1一次，二号角度调节机构（10）中X轴旋转电机（908）以连续步进的方式进行旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
b8，判断当前偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进入下一步；
b9，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤b1发生变化，则停止X轴的偏离调整，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤b1没有发生变化，则返回步骤b7；
步骤2.6.6，判断当前偏心度β，若β≤β 0，则调整结束；若β＞β 0，则调整当前光斑与Y轴的偏离，具体步骤如下：
c1，记录当前光斑中心O 1在笛卡尔坐标系中所在的象限，并读取当前偏心度β；
c2，若当前光斑中心O 1的坐标位于第一或第四象限，则初始化定义M=1、N=1，若光斑中心O 1的坐标位于第二或第三象限，则初始化定义M=1、N=-1；
c3，计算当前脉冲激光光束与Y轴所在水平面的夹角θ y ：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
（16）
x 0为光斑中心的横坐标；
二号角度调节机构（10）中Y轴旋转电机（904）的步进旋转角度Δθ y2为：
Figure 620309DEST_PATH_IMAGE022
（17）
一号角度调节机构（9）中Y轴旋转电机（904）的步进旋转角度Δθ y1：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
（18）
c4，记录光斑当前的偏心度β 2，***定义一号角度调节机构（9）中Y轴旋转电机（904）的步进旋转角度MΔθ y1，二号角度调节机构（10）中Y轴旋转电机（904）的步进旋转角度NΔθ y2；
c5，一号角度调节机构（9）中Y轴旋转电机（904）旋转MΔθ x1一次，二号角度调节机构（10）中Y轴旋转电机（904）以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ x2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
c6，判断偏心度β是否小于步骤c4中记录的偏心度β 2，若β≥β 2，则一号角度调节机构（9）中Y轴旋转电机（904）旋转方向错误，令M=-1，重新旋转，若β＜β 1，则一号角度调节机构（9）中Y轴旋转电机（904）旋转方向正确，进入下一步；
c7，判断偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则继续进行调整，一号角度调节机构（9）中Y轴旋转电机（904）旋转MΔθ y1一次，二号角度调节机构（10）中Y轴旋转电机（904）以连续步进的方式旋转，每次步进NΔθ y2后均更新偏心度β，直至偏心度β不再减小；
c8，判断偏心度β是否满足停止条件，若β≤β 0，则调整结束，若β＞β 0，则进入下一步；
c9，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤c1发生变化，则停止Y轴的偏离调整，若当前光斑中心O 1所在象限相较步骤c1没有发生变化，则返回步骤c7；
步骤2.6.7，判断当前偏心度β，若β＞β 0，则返回步骤c7，若β≤β 0，则调整结束；
步骤3，重复步骤2，校准连续激光侧光路；
步骤4，依次拆除脉冲激光CCD相机（3）、连续激光CCD相机（4）、相机同轴安装块（2），在相机同轴安装块（2）所在的位置上，安装样品夹具，在样品夹具上装夹金属复合板，其中金属复合板的基层面对脉冲激光，金属复合板的复层面对干涉仪的连续激光；
步骤5，获取金属复合板的激光超声信号，并分别计算复层与基层的厚度。
5.根据权利要求4所述的光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚方法，其特征在于：所述步骤5，获取金属复合板的激光超声信号，并分别计算复层与基层的厚度的具体步骤如下：
步骤5.1，开启脉冲激光器（13），脉冲激光在金属复合板的基层激发出超声波，由于复层与基层材料声阻抗的差异，超声波在传播至基层与复层界面处会同时发生透射与反射，随后由光学干涉仪（14）在复层接收金属复合板中的超声回波信号，分别标记出直达纵波Ⅰ、界面一次反射波Ⅱ和顶面一次反射波Ⅲ，提取直达纵波Ⅰ、界面一次反射波Ⅱ、顶面一次反射波Ⅲ在信号中的出现时间t Ⅰ、t Ⅱ、t Ⅲ，由此计算出复层的厚度：
Figure 19454DEST_PATH_IMAGE024
（19）
上式中，h 1为复层的厚度，v 1为直达纵波在复层中的传播速度；
步骤5.2，金属复合板的厚度由基层厚度与复层厚度共同构成，根据超声波在基层与复层中的传播时间，可列出如下方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
（20）
上式中，h 2为基层的厚度，v 2为超声纵波在基层中的传播速度；
根据公式（20）可推导出复合板的基层厚度：
Figure 640929DEST_PATH_IMAGE026
（21）。
6.根据权利要求4所述的光路对准自调节的激光超声金属复合板测厚方法，其特征在于：所述步骤b5和b7中的直至偏心度β不再减小：具体是指二号角度调节机构（10）中X轴旋转电机（908）以连续步进的方式进行旋转，在偏心度β不断减小的过程中，出现偏心度β增大的情况时，即认定拐点处为偏心度β不再减小的点，随后二号角度调节机构（10）中X轴旋转电机（908）反向旋转至偏心度β拐点处；所述c5和c7中的直至偏心度β不再减小：具体是指二号角度调节机构（10）中Y轴旋转电机（904）以连续步进的方式进行旋转，在偏心度β不断减小的过程中，出现偏心度β增大的情况时，即认定拐点处为偏心度β不再减小的点，随后二号角度调节机构（10）中Y轴旋转电机（904）反向旋转至偏心度β拐点处。
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