專利名稱：Led式固態紅外薄膜厚度測量方法
技術領域：
本發明涉及LED式固態紅外薄膜厚度測量方法，屬于光學領域。
背景技術：
在薄膜的生產過程中，薄膜厚度的在線測量相當重要。在生產線上，聚酯薄膜縱向 行走，通過測量探頭獲取薄膜各個位置的厚度。目前已知的常用厚度測量方法有射線法、超 聲波法、紅外透射法等。紅外透射法作為一種傳統的厚度測量方法，長期在聚酯薄膜的厚度 測量中占有統治地位。傳統紅外線透射測厚方法采用鹵素燈炮作為光源1，參見圖1所示，光線經透鏡會
聚成平行光至調制盤3上，調制盤3分別裝有測量波長Jtlf的濾光片4和測量參比波長Λι
的濾光片5，再由同步電機6帶動調制盤3切割透過的平行光源，經濾光后的兩束單色光脈 沖交替地照射薄膜7，經薄膜7吸收后，透射光聚集到PbS傳感器8上，并轉變成電信號送到 信號運算和處理單元9，最終由厚度顯示儀10顯示出被測聚酯薄膜7的實測厚度值。傳統紅外線測厚方法的兩個波長紅外光是由調制盤3旋轉調制獲得的，由于調制 盤3的調制頻率低(大約在60Hz左右)，因此測量光與參比光在時間上存在一定的相位差。 而雙向拉伸薄膜和流延膜通常以300m/min以上的速度運行，因此兩束紅外波長并非真的 照射在同一區域，即在薄膜7的測量空間上存在一定的偏移，這就會造成測量的誤差，同時 也會使響應速度降低。此外，調制盤3的機械運動還會增加系統的誤差，降低系統的可靠 性。
發明內容
本發明目的是為了解決采用傳統的紅外透射法測量薄膜厚度測量誤差大、響應速 度低的問題，提供了一種LED式固態紅外薄膜厚度測量方法。本發明的方法為
吸收光LED在光源調制電路的控制下輸出波長3. 4 μ m的光脈沖，參比光LED在光源調 制電路的控制下后輸出波長3. Iym的光脈沖，所述兩路不同波長的光同時打在薄膜的同 一位置上，透過薄膜的兩路光由PbSe傳感器吸收并輸出電壓信號，信號運算和處理單元在 光源調制電路輸出的同步控制信號的控制下接收所述電壓信號，信號運算和處理單元根據 接收的電壓信號獲取薄膜的厚度信息。本發明的優點本專利提出的LED式固態紅外薄膜厚度測量儀依據紅外能量吸收 原理，采用雙光路設計、固態光電傳感器，通過比較吸收波長和參比波長的信號變化，準確 地測量出薄膜的厚度。克服了雙向拉伸薄膜和流延膜的高速、連續化生產過程中厚度測量 的相位差問題，顯著的提高了測厚系統的精度、響應速度和可靠性。同時該紅外測厚儀還 具有對環境的溫度、濕度、空氣壓力、灰塵和薄膜拉伸方向不敏感，運行可靠，安裝簡便的優 點ο
圖1是背景技術中傳統紅外線測厚方法原理圖，圖2是本發明測量薄膜厚度方法 的原理圖，圖3是信號運算和處理單元獲取薄膜厚度信息的原理圖，圖4是3. 1 μ m的光脈 沖信號示意圖，圖5是3. 4μ m的光脈沖信號示意圖，圖6是信號運算和處理單元提取出的 光信號示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1至圖6說明本實施方式，本實施方式為 吸收光LED2在光源調制電路1的控制下輸出波長3. 4 μ m的光脈沖，參比光LED3在光
源調制電路1的控制下后輸出波長3. 1 μ m的光脈沖，所述兩路不同波長的光同時打在薄膜 4的同一位置上，透過薄膜4的兩路光由PbSe傳感器5吸收并輸出電壓信號，信號運算和處 理單元6在光源調制電路1輸出的同步控制信號的控制下接收所述電壓信號，信號運算和 處理單元6根據接收的電壓信號獲取薄膜4的厚度信息。信號運算和處理單元6將所述厚 度信息輸出給厚度顯示儀7顯示。本系統光源采用GaSb-InAs紅外發光管，取代傳統的β射線式傳感器或鹵素燈光 源，薄膜4的主要成份為-CH-基團，采用對-CH-基團具有強烈吸收的3. 4 μ m波長作為對 薄膜4的吸收波長，3. 4 μ m波長光脈沖的波形圖如圖5所示，同時選用對薄膜4基本不吸 收的3.1 μ m波長作為參比波長，3. 1 μ m波長光脈沖的波形圖如圖4所示。3. 4 μ m波長 的光透過薄膜4的程度小，PbSe傳感器5對其感應，產生的光信號的強度就小，而3. 1 μ m 波長的光透過薄膜4的程度大，PbSe傳感器5對其感應，產生的光信號的強度大，調制后的 兩路光脈沖分別穿透被測薄膜后，由PbSe傳感器5 (硫化鉛)接收，并將其轉化成光電流信 號，由信號運算和處理單元6處理，計算出薄膜4的厚度，信號運算和處理單元6提取出兩 路光脈沖的電壓信號如圖6所示。根據前述可知，3. 4μ m波長的光透過率低，3.1 μ m波 長的光透過率低，圖6中幅值大的一組波形為對應3. 1 μ m波長光脈沖的電壓信號U1，幅值 小的一組波形為對應3. 4μ m波長光脈沖的電壓信號U2。通過比較吸收波長和參比波長的 信號變化，就可以獲得薄膜4的厚度值。具體計算過程如下
設被測薄膜4的厚度為D，其通過如下公式獲得 D=K* (U1-U2)/U1。其中K為標定系數，通過測量一個已知厚度為Dtl的標準薄膜獲得，具體為 K=D0Wl0/(Ul0-U20)，Ul0為厚度為Dtl的標準薄膜對應3. 1 μ m波長光脈沖的電壓信號，U20 為厚度為Dtl的標準薄膜對應3. 4μ m波長光脈沖的電壓信號。本發明方法采用電子調制方式，與傳統的單鹵素燈光源，調制盤調制的方法相比， 取消了機械動態調制機構，從而提高了測量的精度、穩定性和響應速度，同時也提高了系統 的可靠性。通過本專利方法所設計的薄膜厚度測量儀可以高精度、高速和可靠地在線檢測雙向拉伸薄膜和流延膜的厚度分布。吸收光LED2和參比光LED3采用GaSb-InAs紅外發光管。由于LED發光管對溫度的變化比較敏感，所以必須對其溫度進行控制，以保證LED 發光管輸出光的波長和光強穩定。吸收光LED2、參比光LED3和PbSe傳感器5均配套設置 一個溫控電路8。
信號運算和處理單元6獲取薄膜4的厚度信息的過程為將PbSe傳感器5輸出的電信號首先進行前置放大處理，然后在光源調制電路1的同步控制信號的控制下對放大處 理后的信號進行同步積分，提取出對應兩路不同波長光脈沖的信號，然后進行濾波、整流， 再進行A/D轉換處理，最后由DSP進行運算處理，來獲得薄膜4的厚度信息。
權利要求
一種LED式固態紅外薄膜厚度測量方法，其特征在于，該方法為吸收光LED(2)在光源調制電路(1)的控制下輸出波長3.4μm的光脈沖，參比光LED(3)在光源調制電路(1)的控制下后輸出波長3.1μm的光脈沖，所述兩路不同波長的光同時打在薄膜(4)的同一位置上，透過薄膜(4)的兩路光由PbSe傳感器(5)吸收并輸出電壓信號，信號運算和處理單元(6)在光源調制電路(1)輸出的同步控制信號的控制下接收所述電壓信號，信號運算和處理單元(6)根據接收的電壓信號獲取薄膜(4)的厚度信息。
2.根據權利要求1所述的LED式固態紅外薄膜厚度測量方法，其特征在于，吸收光LED (2)和參比光LED ( 3)采用GaSb-InAs紅外發光管。
3.根據權利要求1所述的LED式固態紅外薄膜厚度測量方法，其特征在于，吸收光LED (2)、參比光LED (3)和PbSe傳感器(5)均配套設置一個溫控電路(8)，保持吸收光LED (2)、 參比光LED (3)和PbSe傳感器(5)的工作溫度穩定。
4.根據權利要求1所述的LED式固態紅外薄膜厚度測量方法，其特征在于，信號運算 和處理單元(6)獲取薄膜(4)的厚度信息的過程為將PbSe傳感器(5)輸出的電信號首先 進行前置放大處理，然后在光源調制電路(1)的同步控制信號的控制下對放大處理后的信 號進行同步積分，提取出對應兩路不同波長光脈沖的信號，然后進行濾波、整流，再進行A/D 轉換處理，最后由DSP進行運算處理，來獲得薄膜(4)的厚度信息。
全文摘要
LED式固態紅外薄膜厚度測量方法，屬于塑料薄膜厚度光學測量領域，本發明為解決采用傳統的紅外透射法測量薄膜厚度測量誤差大、響應速度低的問題。本發明方法為吸收光LED在光源調制電路的控制下輸出波長3.4μm的光脈沖，參比光LED在光源調制電路的控制下后輸出波長3.1μm的光脈沖，所述兩路不同波長的光同時打在薄膜的同一位置上，透過薄膜的兩路光由PbSe傳感器吸收并輸出電壓信號，信號運算和處理單元在光源調制電路輸出的同步控制信號的控制下接收所述電壓信號，信號運算和處理單元根據接收的電壓信號獲取薄膜的厚度信息。本發明方法用于在線測量薄膜的厚度。
文檔編號G01B11/06GK101839695SQ20101020832
公開日2010年9月22日 申請日期2010年6月24日 優先權日2010年6月24日
發明者何平, 何露雅, 劉俊武, 楊旭東, 錢玉恒 申請人:哈爾濱工業大學