基于雙光路紅外反射法的涂層測厚儀的制作方法

本發明涉及一種基于雙光路紅外反射法的涂層測厚儀。

背景技術：

自17世紀初F.W.Herschel發現紅外輻射原理以來，紅外技術在許多領域內得到了越來越多的應用。有一段時間紅外技術在在線測厚的應用中受到了條紋干涉現象的技術瓶頸而沒有什么發展，但是如今紅外技術很好地解決了這個問題，從而可以對超薄薄膜厚度進行精確測量。運用紅外技術進行測量可以不受環境的濕度、縫隙間溫度變化和空氣壓力等因素的影響，以保證測量精度。信號源沒有放射性，成本不高，設備維護難度也相對較低，紅外技術還可以用于雙向拉伸薄膜、流延膜和多層共擠薄膜等生產檢測中。因為紅外測厚技術應用范圍廣泛、無放射性使用安全而且成本低，所以其是當今最具發展潛力的薄膜在線檢測技術。

國內研究機構對紅外厚度測量技術的研究始于上世紀80年代。目前己經將紅外測厚技術應用到了廣泛的領域，例如紙張厚度、無損厚度檢測、圓筒壁厚、涂層厚度、紙幣真偽檢測等。

華中科技大學發明的一種單鏡頭激光三角法厚度測量儀。工作時，同軸對準的上下激光器發出兩束準直光線，由激光器前端透鏡聚焦到被測物表面，被測物表面的漫反射光線經過孔徑光闌、平面玻璃后由組合成像透鏡匯聚到圖像探測器上，再將圖像數據傳輸至圖像處理器進行圖像處理，進而由兩光斑之間的間距計算得出被測物的實際厚度，最后顯示測量厚度這是一種激光測量的方法。

同樣也是華中科技大學發明的一種基于紅外成像的薄膜測厚儀，測量時參考物經反射鏡、分光鏡和成像透鏡成像到CCD光敏面，被測物經反射鏡和成像透鏡也成像到CCD光敏面，CCD將圖像傳送至計算機，經圖像處理后根據圖像的灰度值求得被測物的厚度；如此形成雙光路測量系統，避免了光源光強變化的影響；使用散射光透射成像的測量體系，避免了傳統紅外測厚裝置中存在的干涉影響；設置具有多個局部標準厚度的參考物，該裝置可以獲取參考物各個局部標準厚度，從而能夠更加精確地測量薄膜厚度。但是此裝置結構比較復雜，設計難度大，且利用的是透射法測量，對于本發明來說由于測量的是金屬表面的涂層厚度，光線透不過金屬表面，因此不能運用此方法來進行測量。

廣東省測試分析研究所的林瑞國、劉青等人研制的IM-C型紅外水份/薄膜厚度測試儀其測量原理與本專利極其類似，不同的是IM-C型紅外水份/薄膜厚度測試儀光源經過透鏡后直接經過濾光片進行濾光，這種方法在高速薄膜生產在線不適用因為調制盤旋轉一定的角度時，涂層薄板已經行進一段距離，導致測量光和參考光兩束光照射到被測薄膜上的不同區域從而測量結果不準確，而本專利光源經過透鏡、濾光片后分為兩條光路，測量涂層厚度的光路直接向照射到涂層上，待反射后分別有各自的信號處理單元對光信號進行處理，從而消除了時間差帶來的測量誤差。

國外的美國NDC公司是世界領先的在線檢測及紅外技術應用的制造商。其測厚儀能夠保持對厚度測量的高精度，即使薄膜在傳感器間隙內來回抖動，它是采用不同物質具有不同吸收波長的原理來可測量薄膜的厚度。它的近紅外傳感器具有測量精度高，不受環境溫度影響，測量穩定，響應速度快和分辨率高的特點。但是在國內NDC公司的產品價格非常的昂貴，約是國產儀器的10倍以上。

英國SENCON公司的SC8800型號的在線測量裝置能實現在線測量，其工作原理也是利用電機轉動產生兩個波長的光照射到涂層后再經過反射，對反射回來的型號在進行處理從而得到厚度值。此裝置響應速度塊工作效率高；測量精準，產品的質量得到保證；同時也是一種非接觸式的在線測量方法；安裝時比較方便拆卸也容易；可以通過網絡遠程監控，也內置多種國家的語言使用方便。但是價格昂貴，并且在他的生產在線只是在金屬薄板上方的兩側固定安裝了傳感裝置，因此只能測量整個金屬薄板固定兩條線的在線厚度值，所以其應用有局限性。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種結構合理，工作效果好的基于雙光路紅外反射法的涂層測厚儀。

本發明的技術解決方案是：

一種基于雙光路紅外反射法的涂層測厚儀，其特征是：包括暗盒，暗盒下方設置待測涂層，暗盒中設置水平光通道；水平光通道后分成二個支通道，其中一個支通道為水平支通道，另一個支通道為水平段后接通向待測涂層的斜向通道；水平支通道與一個傘形光通道相通，傘形光通道的尖端通向待測涂層；在暗盒中另設置一個菱形光通道，菱形光通道的一端通向待測涂層；在暗盒中設有一個與所述另一個支通道相通的、放置第一次檢測器的光通道，且在所述另一個支通道與所述放置第一次檢測器的光通道交接處，設置第一分光棱鏡；在所述水平光通道中設置紅外激光光源，紅外激光光源后設置第一凸透鏡，在水平支通道的前端設置2.32μm濾光片濾光片，在所述另一個支通道的前端設置2.23μm濾光片，且在所述另一個支通道的水平段與斜向通道交接處設置平面反射鏡；在所述另一個支通道的斜向通道中、第一分光棱鏡后，設置第二凸透鏡；在菱形光通道的末端設置第一主檢測器，在菱形光通道中設置第三凸透鏡；在傘形光通道的弧面端設置凹面鏡，在傘形光通道中設置第二主檢測器，第二主檢測器的下端面上設置第二次檢測器，在第二次檢測器的下端面上設置導光管，導光管下端成斜面，且斜面向著所述另一個支通道方向，在斜面上設置第二分光棱鏡，在第二分光棱鏡下方設置第四凸透鏡；

所述紅外激光光源、第一凸透鏡的幾何中心在水平方向位于同一軸線上；所述2.32μm濾光片、第二分光棱鏡的幾何中心在水平方向位于同一軸線上，凹面鏡、第二主檢測器、第二次檢測器、導光管、第二分光棱鏡、第四凸透鏡、待測圖層的幾何中心在豎直方向位于同一軸線上，組成參考光路；所述2.23μm濾光片、平面反射鏡的幾何中心在水平方向位于同一軸線上，平面反射鏡與入射光15°夾角放置，平面反射鏡、第一分光棱鏡、第二凸透鏡、待測圖層的幾何中心在150°方向位于同一軸線上，待測圖層、第三凸透鏡、第一主檢測器的幾何中心在30°方向位于同一軸線上，組成測量光路；第一次檢測器在第一分光棱鏡的反射光路上；第二凸透鏡、第三凸透鏡、第四凸透鏡各自與待測圖層之間的距離分別為相應各凸透鏡的焦距；凹面鏡與第二主檢測器之間的距離為凹透鏡的焦距；第三凸透鏡與第一主檢測器之間的距離為第三凸透鏡的焦距；2.32μm濾光片、2.23μm濾光片的幾何中心在豎直方向位于同一軸線上，且它們組成的整體的幾何中心位于第一凸透鏡的幾何中心水平軸線上。

光線經2.23μm濾光片在經過平面反射鏡然后經過第一分光棱鏡后一部分光被第一次檢測器監測，另外一部分經過第二凸透鏡經被測涂層反射后被第一主檢測器監測；另一路光線經過2.32μm濾光片經第二分光棱鏡，一部分光經導光管進入第二次檢測器，另外一部分光線經過被測涂層反射后經過凹面鏡后聚焦于第二主檢測器，經過主/次檢測器數據處理后得到涂層厚度。

第一主檢測器接收到的光信號為M，第一次檢測器檢測到的光信號為m，第二主檢測器檢測到的光信號為R、第二次檢測器檢測到的光信號為r，利用公式A∝(R/M)×(m/r)，可得到吸光度的數值，進一步利用朗伯定律：

其中bc代表厚度t，A為涂層吸光度，k為涂層的系數，I₀為入射光強度，I_t為透射光強度；

從而計算出待測涂層的厚度值。

本發明結構合理，工作效果好。利用光的折射、干涉以及反射定律，對金屬表面涂層厚度進行非接觸式的測量。紅外反射法測量系統響應的速度快，可用于金屬表面涂層濕膜的在線測量與監控。測量方式采用了比值測量，具有了光學自補償性能,使儀器獲得良好的穩定性和準確度。由于光源是首先經過涂層反射之后再經過濾光片進行濾光的，消除了因時間差而帶來的誤差。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是本發明一個實施例的結構示意圖。

圖2是圖1中局部放大圖。

具體實施方式

一種基于雙光路紅外反射法的涂層測厚儀，包括暗盒1，暗盒下方設置待測涂層10，暗盒中設置水平光通道；水平光通道后分成二個支通道，其中一個支通道為水平支通道，另一個支通道為水平段后接通向待測涂層的斜向通道；水平支通道與一個傘形光通道相通，傘形光通道的尖端通向待測涂層；在暗盒中另設置一個菱形光通道，菱形光通道的一端通向待測涂層；在暗盒中設有一個與所述另一個支通道相通的、放置第一次檢測器7的光通道，且在所述另一個支通道與所述放置第一次檢測器的光通道交接處，設置第一分光棱鏡8；在所述水平光通道中設置紅外激光光源2，紅外激光光源后設置第一凸透鏡3，在水平支通道的前端設置2.32μm濾光片濾光片4，在所述另一個支通道的前端設置2.23μm濾光片5，且在所述另一個支通道的水平段與斜向通道交接處設置平面反射鏡6；在所述另一個支通道的斜向通道中、第一分光棱鏡后，設置第二凸透鏡9；在菱形光通道的末端設置第一主檢測器17，在菱形光通道中設置第三凸透鏡18；在傘形光通道的弧面端設置凹面鏡11，在傘形光通道中設置第二主檢測器12，第二主檢測器的下端面上設置第二次檢測器13，在第二次檢測器的下端面上設置導光管14，導光管下端成斜面，且斜面向著所述另一個支通道方向，在斜面上設置第二分光棱鏡15，在第二分光棱鏡下方設置第四凸透鏡16；

所述紅外激光光源、第一凸透鏡的幾何中心在水平方向位于同一軸線上；所述2.32μm濾光片、第二分光棱鏡的幾何中心在水平方向位于同一軸線上，凹面鏡、第二主檢測器、第二次檢測器、導光管、第二分光棱鏡、第四凸透鏡、待測圖層的幾何中心在豎直方向位于同一軸線上，組成參考光路；所述2.23μm濾光片、平面反射鏡的幾何中心在水平方向位于同一軸線上，平面反射鏡與入射光15°夾角放置，平面反射鏡、第一分光棱鏡、第二凸透鏡、待測圖層的幾何中心在150°方向位于同一軸線上，待測圖層、第三凸透鏡、第一主檢測器的幾何中心在30°方向位于同一軸線上，組成測量光路；第一次檢測器在分光棱鏡的反射光路上；第二凸透鏡、第三凸透鏡、第四凸透鏡各自與待測圖層之間的距離分別為相應各凸透鏡的焦距；凹面鏡與第二主檢測器之間的距離為凹透鏡的焦距；第三凸透鏡與第一主檢測器之間的距離為第三凸透鏡的焦距；2.32μm濾光片、2.23μm濾光片的幾何中心在豎直方向位于同一軸線上，且它們組成的整體的幾何中心位于第一凸透鏡的幾何中心水平軸線上。

光源采用紅外激光光源。在進行測量時，被測涂層置于暗箱外。光源產生的光線經2.23μm濾光片在經過平面反射鏡然后經過第一分光棱鏡后一部分光被第一次檢測器監測，另外一部分經過第二凸透鏡經被測涂層反射后被第一主檢測器監測；另一路光線經過2.32μm濾光片經第二分光棱鏡，一部分光經導光管進入第二次檢測器，另外一部分光線經過被測涂層反射后經過凹面鏡后聚焦于第二主檢測器，經過主/次檢測器數據處理后得到涂層厚度。

本發明采用雙光路結構，其中，設M為第一主檢測器檢測到的光信號,m為第一次檢測器檢測到的光信號；又設R為第二主檢測器檢測到的光信號,r為第二次檢測器檢測到的光信號；可以證明,被測物的吸光度A與主檢測光信號和次檢測光信號的比值成比例關系,即有A∝(R/M)×(m/r)，此關系稱為“真比值”測量。由上式可見,由于信號M和m、R和r都是由同一光源發出,各自又通過同一濾光片(2.23μm和2.32μm),投射到PbS檢測器；顯然當諸如光源,近紅外干涉濾光片等光學元件老化引起漂移,硫化鉛性能隨環境溫度變化時,M和m、R和r變化率是相同的,因而由上式決定的吸光度并沒有變化。只當待測涂層的吸光度發生變化時,由于待測涂層吸收掉部分光信號后反射的光攜帶了待測涂層吸光度的信息,使投射到主檢測器的漫反射光信號M發生了變化,從而吸光度A發生變化。這樣比值測量就具有了光學自補償性能,使儀器獲得良好的穩定性和準確度。

本發明設計吸光度A與涂層厚度t的關系，根據朗伯定律：

后有比爾定律：

將兩個定律整合得：

其中bc代表厚度t，A為涂層吸光度，k為涂層的系數，I₀、I_t分別為入射光、通過樣品后的投射光的強度；

從而計算出待測涂層的厚度值。

本發明中的凸透鏡具有聚光的作用，本發明中包含有四個檢測器，兩兩一組，組成兩組，可使實驗數據更為精確。