（系统工程专业论文）薄膜X射线测厚仪的设计与开发.pdf

摘要 薄膜z 射线测厚仪的设计与开发 摘要 测厚仪在薄膜生产行业中具有举足轻重的作用。它的精度直接影 响到产品质量。随着生产需要对产品厚度的测量与质量控制提出了更 高的要求，更显现出具有先进的理论，检测技术和高效高精度在线测 厚仪器的重要性。而国内的大部分薄膜生产线采用的测厚仪都是国外 进口设备，在成本，维护和使用上都有弊端，而国产的测厚仪器也存 在着精度不高，功能不完善等的缺陷。 本文详细介绍应用在双向拉伸薄膜生产线上的x 射线测厚仪的研 制和设计过程。主要从三个方面对研制和设计作了详细介绍。 首先从x 射线测厚仪的硬件结构进行描述，阐明各个硬件的组成 和原理，并着重介绍了在设计中各个硬件的类型和功能实现。硬件方 面主要从五个方面介绍：发射装置，接收装置，机械传动结构，控制 系统，操作终端。介绍了它们的设计原理和构造，并重点介绍了控制 系统的设计。通过硬件的描述和比较，也说明了此测厚仪的特点和长 处。 其次从测厚仪的监控软件方面进行了描述，重点介绍了组态王的 特点，及在实际产品中基于组态王二次开发出来的功能界面，如：主 监控界面，系统配置界面，远程控制界面等。上位机监控系统也是整 个测厚仪系统的重要组成部分，设计本着界面美观，功能实用，操作 方便的思想。本文通过这些功能界面的介绍也体现了这些设计思想。 最后介绍了测厚仪的实际测试性能和技术指标，该产品已经成功 1 1 l 北京化工大学硕= 学位论文 应用抚顺石化公司b o p p 生产线上，运行和控制效果均达到理想效果。 在论文的结尾指出了对此设计存在的具体不足之处和需要改进的地 方，产品的不断完善还需要在长期使用中的积累。 关键词：测厚仪，x 射线，薄膜，p l c i v a b s l 卧c t d e v d o p m e n to fx - r a yt h i c l n e s sg a u g ef o rp l a s t i cf i l m a b s t r a c t at 1 1 i c k n e s sg a u g ep l a y sa i li m p o r t a n tr 0 1 ei nm e p l a s t i cf i l mp r o d u c t l i n e s n sa c c u r a c yd e t e m l i n e st h ep r o d u c t s q u a l i t y + m o s to ft l l i c k n e s s g 卸g e su s i n gi nd o m e s t i cf i l mp r o d u c tl i n e sa r ei m p o r t e d ，m i sg i v e sal o to f i n c o n v e n i e n c e sf o r m a i n t a i l l i l i n g ，o p e r a t i o n a n d c o s t ，h o w e v e r ，t 1 1 i c l m e s s g a u g e sw h i c hm a d ei nc h i n ah a v es o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sp o o r a c c u r a c ya n d 如n c t i o n t h i sp 印e rg i v e sad e t a i l e di n t r o ( 1 u c t i o no 【b o u to u rd e ，e l o p i n ga n d d e s i g n i n gp r o c e s sf o rx - r a ym i c k n e s sg a u g eu s i n gi nb i a x i a lo r i e n t e d p o l y p r o p y l e n e ( b o p p ) f i l m f i r s t l y ，t h i sp 印e rd e s c 曲e st h eh a r d w a r es y s t e mo fm ex - r a y m i c k n e s sg a u g e ，e x p l a i n sm ec o n l p o s i t i o na n dp r i n c i p l eo fe v e 珂h a r d w a r e p a n ，i n c l u d i n g f i v e p a n s ： e i n i s s i o n d e v i c e ，r e c 印t i o nd e v i c e ， r n e c h a n i c a l l y - 埘v e ns t m c t u r e ，c o n t r 0 1s ”t e ma i l do p e r a t i o nt 哪! i n a l t h i s p a np u t sa ni m p o r t a n to ne x p l a i n i n gm ec o m r 0 1c o m p o s i t i o na i l dc o n 仃0 1 m n c t i o nd e s i g n b yd e s c r i b i n gt h eh a f d w a r es y s t e m ，t h et h i c k n e s sg a u g e s c h a r a c t e 打s t i c sa n ds t r o n gp o i m si sg i v e no u t s e c o n d l y ，t h i sp 印e ra l s od e s c r i b e s 血em o n i t o r i n gs o n w a r es y s t e m o f 也i sd e v i c e t h i sp 甜p u t sa l li m p o r t a l l to ni n 仃o d u c i n gac o n f i g u r a t i o n s o r w a r e - k i n g v i e w ，趴d 也ef l l n c t i o n a l i m e r f a c e so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do n也e 鼬n g 、，i e w ，s u c h a s ：m a i nm o n i t o r i n g i n t e r f 犯e ，s y s t e m c o n f i g u r a t i o ni n t e 嘞c ea n dr e m o t ec o n t r o li n t e r f a c e m o m i t o r i n gs y s t e mi s v 北京化工大学硕士学位论文 a l s oo n eo fm o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h ed e v i c e ，i ts h o u l db eb e a u t i 缸l i n t e r f a c e ，p r a c t i c a lm n c t i o n ，e a s yo p 啪t i o n t h i r d l y ，t h i sp 印e rd e s c r i b e st 1 1 ed e 仉c e sp e r f b n n a l l c ei n d e xu n d e r s o m et e s t s ，s u c ha s ：s t a t i cs t a t et e s t ，d y l l a m i cs t a t et e s ta n do n t h e s p o tt e s t a n di tg o ts a t i s 研n gr e s u l ta 1 1 dc o u l dr 印l a c ei m p o r t e dd e v i c eb yo u rd e v i c e i n 仕l ee n d ，t h i sp 印e rp r e s e m ss o m ed e f 斌sa b o u tt h ed e s i g na n d h o wt oi m d r o v ei t s 蚤j n c t i o n k e yw o r d s ：t h i d m e s sg a u g e ，x - r a 弘p 1 a s t i cf i l m ，p l c v l 北京化工大学硕士学位论文 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 监 日期：匕! i 叠! 旦! 旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：堡：! 至! 鱼! 堡 日期：主竺丝垒曼旦受垦 第一章绪论 1 1测厚仪研究背景和发展现状 随着科学工程技术与社会化大生产的快速发展，工业生产对产品厚度的测量 与质量控审4 提出了更高的要求，诸如要求在线、动态、实时、非接触等，这就促 使科技人员利用先进的理论与检测技术，研制更高效、准确的智能在线测厚仪器。 测厚仪产品的研究和应用在国外已经具有很先进的水平，其发展过程在上世 纪7 0 年代早期，世界上有许多公司采用传统的测厚系统结构，即用模拟计算和 显示的双束光探测器来接收光信号进行测量。在7 0 年代后期，采用单束光探测 器的测厚系统慢慢的发展起来。探测器获得的模拟信号经对数放大器放大，由 a ，d 转换器转换成数字信号，然后送至微处理器计算处理，再变成模拟信号进 行显示和记录。即采用“模拟一数字一模拟”的结构形式。例如t o s h i b a 和 d a y s t r o m 公司的产品就采用这种形式1 】【”。 另外，在第二次世界大战结束后，随着核物理技术从军事应用向民用工业应 用的转移，人们开始注意到：当射线穿过物质时强度将随之减弱，其减弱量与 被穿过物质的厚度有确定的对应关系。用这一原理就可以实现对板材等物质的 厚度测量。该测厚方式与其他测厚方式相比，更适合现场测试条件，于是，同 位素测厚仅便应运而生，此类测厚仪的出现就引起了人们的极大关注，显示出 强大的生命力。上世纪五十年代到六十年代，西方发达国家便大力发展该类设 各 3 1 。 随着同位素测厚仪的不断发展，其弊端也渐渐显露，首先安全方面，同位素 测孽仪要经过严格的安全规定，且在切断测厚仪电源后，同位素射线源同样具 有放射性；而x 射线测厚仪的发射源可以随时控制其发射和切断，安全性更高。 另外，在灵敏度，响应时间等方面，同位素测厚仪也没有x 射线测厚仪灵敏度 高1 4 j 。所以测厚仪的发展在从同位素测厚仪慢慢向x 射线测厚仪转变。 目前市场上的测厚设备，按照工作原理的不同，测厚仪一般分为以下几种：涡 流传感器测厚仪、电容传感器测厚仪、激光测厚仪、超声波测厚仪、射线式 流传感器测厚仪、电容传感器测厚仪、激光测厚仪、超声波测厚仪、射线式 北京化工大学硕士学位论文 测厚仪、红外线薄膜测厚仪等。部分已经投入工业生产应用，而且取得了很好的 实际生产效果，还有一些正在进行更深层次的研究，以针对实际生产中的问题取 得更好的控制效果。 现简单介绍以下几种类型的测厚仪的研究现状，原理以及优缺点。 1 1 1 涡流式测厚仪 涡流式测厚仪是采用电涡流原理，来测量非磁性金属基体上非导电覆盖层厚度 2 0 世纪6 0 年代末期，已有国产的电子管式涡流测厚仪应市。随着新型工程材料的 开发，微电子技术应用和标准化事业进程，尤以近十年来，涡流测厚技术得到迅 猛发展，涡流涂镀层测厚仪在电路设计、新型传感器应用、测头的多制式与通用 性、量值显示与数据打印，测控功能扩展及其智能化诸方面，都不断取得突破与 刨新。 涡流式测厚仪是根据电涡流磁感应原理，电涡流式位移传感器广泛应用于检 测试件位移、金属板、金属涂层及非金属涂层、镀层及箔的厚度；塑料、橡胶及 p v c 板材片材的厚度；旋转体转速监视和控制液位。 涡流效应如图1 - 1 所示。根据电磁理论，通交变电流i 。的电感线圈l 产生交变 磁场h 。，若放置一块金属板在交交磁场h 。的一端，并使金属板平面跟h 。垂直；则 在金属板表面产生感应电流i ：，称电涡流。电涡流产生涡流磁场h 2 ，其方向跟h 。 相反。 圈1 - 1 涡流效应图 f i g 1 一lt h ee d d ye f f e c t sc h a r t 涡流式测厚仪具有造价较低，检测线路简单，介质损耗小，零点漂移小，易 于制造等优点。它的缺点是稳定程度不高，长期使用会使精度降低很大。 涡流涂镀层测厚技术的进步依赖于涡流检测技术的全面发展，其中主要包括获 2 绪论 取信号( 传感器) 、测量参数选择、信号处理和结果显示等几个部分，而传感器 则是检测技术的关键。据有关文献报道，近年在传感器的数字模型、结构、几何 尺寸自动化优化、特性值的测定、有效屏蔽以及与计算机结合等方面开展的大量 研究约占涡流检测技术开发工作总量的1 8 ，而传统的涡流传感器往往因输出电 压容易受到电路参数变化的影响，不能保持长期稳定和难以实现精密测量。目前 国内外正在开展的数字式涡流传感器的研究，将可通过“一步数字化”，即中间 无需a d 转换，实现直接输出所要求的脉冲数字信号，并能较好地克服电路参数变 化的影响。新一代数字式涡流传感器的开发应用，必将加速涡流检测技术的全面 发展；。 1 1 2 电容传感器测厚仪 电容传感器测厚仪是采用电容传感器作为测厚传感器。电容传感器具有温度 稳定性好、结构简单、精度高、响应快、线形范围宽和可实现非接触式测量等优 点，当位于平行板电容器件、之间的被测物厚度发生变化时，电容器的电容量随 着发生变化，通过电容检测线路可以测出这个电容变化值，再考虑一个比例系数 即可方便地测得被测物体厚度，当生产线上的被测物体不断地从这个平行板电容 之问通过时，即可检测每一瞬时通过该电容的物件厚度。 电容式传感器、电容测量技术近几年来有了很大发展，不但广泛应用于位移、 振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用于尺寸、液面、成分 含量等方面的测量。对电容极板闻的介质，材料厚度的变化就可以起电容量的变 化。因此，还可用于薄型非金属材料的测厚。 通常所用的电容器由两个会属极板和介于其问的电介质所组成。电容器带电时 常使两极扳带上等量异种的电荷( 或使一板带电，另一板接地，借感应起电雨带上 等量异种电荷) 。电容器的电容定义为电容器一个极板所带电荷q ( 指它的绝对值) 和两极板的电势差u 。一u 。( 不是某一极板的电势) 之比： c ： ! u | 一u8 设两平行金属极板每板的面积为s ，两板的内表面之间相距为d ，并使板面的 线度远大于两板的内表面的间距( 如图1 2 ) 。令板a 带正电，板b 带等量的负电。 由于板面线度远大于两板的间距，所以除边缘部分以外，两板间的电场可以认为 北京化工大学硕i + 学位论文 是均匀的，而且电场局限于两板之间。现在先不考虑介质的影响即认为两板间为 真空或充满空气。 蘸“一一 图1 - 2 平行板电容器 f i g 1 - 2t h ep a r a l l e lp l a t eo fc a p a c i t a n c e 两极板间的电势差且一口。为： 叽也2 尉2 器( 1 _ 2 ) 式中g 为任一极板表面上所带的电荷大小，氏为该电介质的相对电容率a 从式( 1 2 ) 可知，当s ，d 和s 三者中任一个量发生变化时，都会引起电容的变化。 根据这一原理所制成的电容式传感器，可用来测量诸如位移、液面高度、压强和 流量等非电学量。电容传感器式测厚仪如图l 一3 ，可用来测量塑料带子等的厚度。 图卜3 电容传感器测厚仪 f i g 1 - 3 t h ec a p a c i t a n c et h i c k n e s sg a u g e 一礴1 等。甲。 一参氏 一霞r 电容式测厚仪的主要优点如下： ( 1 ) 电容传感器由于检测头结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以 它能经受相当大的温度变化及各种辐射作用，因而可以在温度较高，有各种辐射 等恶劣环境下工作。 ( 2 ) 电容传感器响应时间短，又可以设计成往复位移的形式，适合于在线和动态 测量。 ( 3 ) 电容传感器具有高灵敏度，如果再采用现代化精密测量方法，就能测量电容 纸的1 0 - 7 的变化量。又因为其极间的电磁吸引力十分微小，从而保证了比较高的测 量精度。 主要缺点如下： ( 1 ) 虽然分辨力很高，但量程通常较小。 ( 2 ) 极板边缘具有非均匀的曲线式电力线，此边缘效应影响了电容传感器输入一 输出特性曲线的线性程度。 ( 3 ) 设计不恰当时，抗干扰能力将变差。 ( 4 ) 由于电容传感器是依靠极板之间间隙进行工作的，所以在生产线上传感器自 身不能移动。 针对电容传感器的这些缺点，必需采用各种软硬、件的技术措施，如接地技 术，电缆驱动技术及软件非线性校正技术，用以分别克服。 1 1 3 超声波测厚仪 超声波测厚仪有共振法、脉冲反射法、 主要对静态静止物体进行在线接触式测量， o 0 5 2 m m ，声速一般为1 8 0 0 , - - 8 0 0 0 r n s 。 电磁超声波法等几种，超声波测厚仪 测量范围为1 2 2 0 0 0 m m ，精度可达到 超声波测厚仪不但能够测量金属材料的厚度，而且能够测量非金属材料，例 如玻璃纤维增强塑料( f r p ) 、橡胶、特殊树脂等的厚度。此外对于混凝土，超声 测厚也是种颇有用的方法。 超声波测厚仪由集成电路，超声波发射器，连接电源集成电路与超声波发射器 的变送传感导线组成。利用超声波在各种介质内的传播速度不同，即：由一相介质 转到另一相介质，必然产生波反射的性能来“做出壁厚度”测定的，即利用波反射 北京化t 大学预t 学位论文 的时问差来确定金属材料壁厚。 共振法超声波测厚仪是第一代产品，现在已基本不再生产使用。这种方法用 的是连续超声波，是将频率连续变化的超声波射入物体内，当物体厚度等于超声 波的半波长的整数倍时，超声波产生共振，形成驻波，根据出物体材质和厚度决 定的共振频率可算出厚度，但是当表里两面不平行或凹凸不平时，难以进行测量， 而且对于共振点的判定容易产生个人误差，测量不够准确。 目前应用较多的超声波式测厚原理采用脉冲反射法，即在被测定物体的表面 涂上耦合剂，将装有发射振子和接受振子的双振子探头( 或单振子直探头) 放在 此表面上，由发射砧予发射( 单砧子直探头的场合单砧子兼用作发射和接收) 超 声波，使超声波通过耦合和射入物体内部，而由物体底面反射回来的超声波被接 收砧子接收，根据超声波来回传播的时间可以算出物体的厚度。 电磁超声波测厚仪目前得到较大的发展，它是利用电磁感应原理的磁性材料 里激发并接收超声波进行检测的方法，具有非接触的优点，对表面凹凸不平或者 有涂层存在的物体可以进行测量，可以适应高温环境，现在已经实际应用于管材 生产线的测厚，但该仪器具有探头能量转换效率低、装置体积大、质量大的缺点。 利用超声波测厚仪检测材料厚度，对人体无伤害，简单方便( 指h c c 1 7 超 声波测厚仪而言。功率强大的超声波发生器是有害的) ，易操作读数，但使用操 作应用中的些问题，应该受到重视。 超声波铡厚仪测定的数据不能作为最后的可靠依据，因为影响数值的因素很 多，所以测得数据一般作为第一步怀疑点，然后对该点采用常规方法复核、鉴定、 评估。否则，稍一疏忽，将造成严重后果。 超声波测厚仪不仅可以用来测厚，而且还可用来检测是否存在气泡、裂纹，一 般超出正常数值显示的情况，就有可能存在气泡、裂纹，这就需要认真对待。 1 1 4 激光测厚仪 激光测厚仪是采用激光作为尺度测量手段，充分利用激光单色性、亮度高、 方向性强、抗干扰性强等优点，达到精密测量的目的。它是一种综合应用激光、 光学、电子和计算机等多项技术，能够高速自动测量板材、薄材、带材等厚度的 光电测厚设备，适用于对各种非透明板材厚度进行在线、实时、非接触高精度测 量，尤其适用于环境极为恶劣的热轧钢生产线的在先测量和轧制厚度的控制，但 其测量精度没有射线式测厚仪精度高圆。 作为检测技术的一个新的分支，激光检测以其精确、稳定、安全、灵敏等特 点，使非接触式连续化在线精确测量成为可能，并且成为国际上公认的检测技术 的发展方向。 激光是由激光器产生一种特殊的平行光束。它具有方向性强，亮度高，颜色 纯，光脉冲宽度很窄等优良的物理特性，激光测厚仪的工作原理为：上下采用两 束准直共线的激光光束照射待测板材，在板材上下两面形成2 个测量光点，2 个光 点间的距离即为板材在光点处的厚度，这样把板材测量点处的厚度信号转变为光 信号，再经过光学接收系统和光电转换装置把光信号转变为电信号，电信号经过 处理后送入计算机，得到板材厚度的测量值啊。 激光测厚仪从扫描形式上可分为机械连续式扫描、光纤点阵式扫描、光学扫 描和机械光纤扫描。 机械扫描装置是将激光发射器和光电接收装置上下成对地安装在由可逆细分 步进式电机搬运的扫描支架上，扫描支架又可分为音叉式和导轨滑块式。激光由 特殊设计的激光发射器和光电接收装置的扫描支架在沿薄膜的宽度方向上作往复 运动，从而实现连续扫描我所目前的常规激光测厚仪产品采用的就是导轨滑块式 扫描支架。 机械连续式扫描的优点在于：它的扫描轨迹是沿薄膜生产长度方向的一条连 续的正弦曲线，在整个薄膜的宽度上无任何扫描空白，它所反映的薄膜片型是最 实际和最贴切的，另外，连续式扫描使计算机在数据的采集和处理方面的优势可 得以充分的发挥。机械式扫描对设备的制造和安装都有很严格的要求，任何形式 的误差都会直接影响测量的精度。 光纤点阵式扫描装里由光导纤维、发射横梁、激光发射器、光纤藕合器和c c d 接收器等单元组成。这种新型的激光测厚仪从设计上就克服了机械运动所产生的 误差，可进一步提高激光测厚仪的测量精度。单纯的点阵式测量由于存在扫描空 白区域，在数据的采集等方面受光纤设置的限制，因而，它所得到的片型曲线只 能是模拟连续的尽管如此，点阵式扫描在检测薄膜的纵向均匀性上有其独到的表 现。 光学扫描机构是将激光光束通过转动的多面棱镜，反射于薄膜上作往复扫描， 光束穿过薄膜后，投射到薄膜下方排列的一组光导纤维收器上，所有光纤经耦合 北京化工大学硕士学位论文 器与c c d 接收器相连，由此可获得一系列随扫描而出现的光电脉冲信号，进而可 算出扫描轨迹上的薄膜厚度。 光学扫描的特点是：扫描速度可根据薄膜生产的工艺要求而随意调整，薄膜 厚度的均匀性可分辩到5 u m 以内。光学扫描在理论性研究和实验中表现出诸多优 势，但作为工业化应用，还有许多关键性技术问题尚待解决，如精密光学元器件 的加工，抗光干扰和软件支持等。 机械光纤扫描综合了机械连续式扫描和光纤传导二者之长，有效地克服了纯 机械扫描因同步问题而造成的误差。经过反复比较，我们认为机械往复式扫描、 光纤传导以及o c d 接收等环节，目前都有较为成热的技术和基础元器件产品可供 选择。另外，在新一代测厚仪的研制上，已经考虑采用先进的数码成像技术，在 线检测薄膜的分子取向及拉伸平衡度，使单纯测量厚度的激光测厚仪发展成为薄 膜综合理化参数在线薄膜检测仪【8 】。 1 1 5 同位素测厚仪 射线式测厚仪是根据放射性同位素原理工作的，根据使用的放射源不同，目 前国内研制成功了卢射线，y 射线等几种测厚仪系统。同位素测厚仪主要用于对动 态物体进行非接触式辐射测量，测量范围 4 0 1 1 3 1 1 1 ，精度可达n + o 3 m m ，射线测厚 仪目前已在板、管、膜产品的在线测量与厚度控制中得到了广泛的应用，口测厚 仪在橡胶、造纸、塑料等工业生产的在线测量控制中得到了广泛的应用嘲。 芦射线测厚仪是根据夕反散射原理工作的，由此制成的反散射式的测厚仪可用 来测量金属镀层的厚度。微型卢放射源发出的卢射线，当通过准直孔照射到待测 物体表面上时，一部分被吸收，另一部分被散射。当散射的粒子运动方向与入 射方向相反或接近相反时，就形成了反散射。对于均匀物质而言，反散射的粒 子的通量随物体厚度的增加而增加，当厚度达到某一界限时，其反散射口粒子通 量趋于稳定不变，这时被测物质的厚度称为饱和厚度。口射线测厚仪把被测物体 基体和镀层反散射回来的粒子由卢射线探测器接收，并转化成相应的电脉冲信 号送至单片微机进行分析，通过数据处理得到薄层的厚度。y 射线测厚仪的工作原 理与x 射线测厚仪的工作原理相同，y 射线较其他射线具有穿透能力强，比较稳 定，不易受其他射线的干扰等优点1 0 】【l l 】。 1 1 5红外线测厚仪 红外厚度测量传感器采用近红外线技术，高精度，高分辨率地用于检测双向 拉伸薄膜和流延薄膜的横向厚度分布，具有极高的精度和分辨率。 红外线测厚仪是采用近红外线在线厚度测量的传感器，集中体现了厚度测量 精度和性能方面的最高水平和最新成就。应用红外技术进行测量不受环境的湿度、 空气压力和缝隙间温度变化的影响。无需每两年更换一次放射源，以保证测量精 度。 近红外光( n e a ri n f r a r e d 简称n i r ) 1 是波长范围介于可见光与中红外之间的 电磁波，近红外光谱根据其检测对象的不同分成近红外反射和近红外透射，近红 外反射是根据反射与入射光强的比例关系来获得物质在近红外区的吸收光谱，其 正常工作范围是1 1 0 0 “2 5 0 0 h m ，一般用于固体和半固体类样品的测量；近红外透射 是根据透射与入射光强的比例关系来获得物质在近红外的吸收光谱，其正常的工 作波长范围是8 5 0 1 0 5 0 ，一般用于均匀透明的真溶液或固体样品，测量得到的吸 收光谱符合比尔定律。 近红外光谱定量分析主要利用近红外区的漫反射光谱进行。漫反射分析技术在 近红外光谱分析中占有非常重要的地位，近红外光谱早期在农业及农副产品分析 中的应用大多是通过漫反射技术完成的。漫反射光是光源的光进入样品内部经过 多次反射、折射、衍射及吸收后返回样品表面的光，即漫反射光是分析光与样品 内部分子发生作用后的光，它负载了样品的结构和组成信息。除样品的组成外， 其粒径大小、分布和形状都对漫反射光的强度有一定影响，因此漫反射分析并不 严格符合比尔定律。 。 由于近红外线的波长是与塑料薄膜的厚度非常接近，测量时一种叫光学条纹干 扰( o h ) 的现象就会产生，而o h 会对破坏测量精度，因此普通的近红外线测厚 仪实际上无法适用于薄薄膜产品的厚度检测。目前属于较先进的红外线测厚仪采 用了虑光干涉的技术，可以使传感器对厚度小于2 m i c r o n s 薄膜做出高精度测量。 其特点如下： ( 1 ) 对超薄薄膜厚度进行准确的测量( 2 岫或更薄的产品) ； ( 2 ) 第一次扫描就能提供实时测量； ( 3 ) 特殊处理抑制了光学条纹干扰( o f d ； 北京化工大学硕士学位论文 ( 4 ) 对薄膜的穿入角度、环境的温度、湿度、空气压力、灰尘和薄膜拉伸方向不 敏感； ( 5 ) 对产品的波动、扫描架机械运行故障不敏感： ( 6 ) 相比p m 1 4 7 f l 传感器，精度有巨大提高； ( 7 ) 比同类产品速度快1 0 倍的n i r 检测仪； ( 8 ) 可测量大于3 英寸缝隙； ( 9 ) 无任何放射性，无需特殊的执照、操作规范和测试。 1 1 7 z 射线测厚仪 z 射线测厚仪和同位素测厚仪原理相似。z 射线测厚仪是根据z 射线穿透被 测物体的强度减弱来进行变换测厚度的，当z 射线源发射出强度为i o 的射线穿透 被测物体时，被吸收掉一部分，穿过被测物体到达检测器的是强度被减弱为i 的射 线，它们有如下关系： i = 毛p 一( 1 - 3 ) 其中：l 为放射源发射出的射线强度，与加在x 射线管上的高电压成函数关 系；j 为到达检测器时的射线强度：卢为材料的吸收系数，它取决于材料，也与加 在x 射线管上的高电压成函数关系；d 为被测材料的厚度；e 为自然对数底数。 对上式进行对数变换，经整理得到厚度的算法公式： d ：土k 拿( 1 - 4 ) 测得发射源强度1 0 与检测器检测强度i ，即可求得被测物体的厚度“3 】。 z 射线测厚仪和同位素测厚仪相比，在测量精度，响应时间和灵敏度方面都 有很大优势m 邮。 1 1 8 发展展望 随着我哥社会和现代工业的快速发展，特别是我国加入w t 0 后，世界范围内 的竞争加剧，对工业产品的质量提出了更高的要求，测厚仪器作为工业产品生产 过程中的重要环节，对产品质量起着关键作用，而我国工业生产中面临的一个重 要的挑战就是要尽快提高生产制造设备的测量控蒂4 水平。 1 0 绪论 针对目前国内测厚仪器的发展现状与应用环境，测厚仪器要进一步提高自动化 程度、抗干扰性能和测量精度，从而提高测量可靠性，提爿我国工业产品的生产 质量，增强国际产品竞争力“1 。 1 2z 射线测厚仪在薄膜生产中的应用 薄膜厚度的均匀性是宽幅塑料薄膜的一个极其重要的质量指标，在自动化程 度较高的薄膜生产线中，薄膜厚度都是采用精度较高的非接触式测厚仪和反馈控 制系统进行自动检涌和控制的。 双向拉伸塑料薄膜( b o p p ) 的生产是一个连续的过程，在生产的过程中，薄膜 的厚度只能用非接触式测厚仪进行在线测量和控制，最常用的非接触式测厚仪是 放射性同位素测厚仪，如z 、y 和b 射线测厚仪。而z 射线型测厚仪由于精度高、 响应快，测量范围可调、安全等成为首选，尤其在对成品薄膜的厚度测量中，x 射 线测厚仪较其他类型测厚仪应用更为广泛。目前国内薄膜生产线用于薄膜成品厚 度在线测量的测厚仪主要是国外进口设备。如美国n d c 公司，法国s c a n t e c h 公 司，德国布鲁克纳( b r u e c k n e r ) 公司等【2 2 】【2 3 】。现举例如下表1 1 所示： 表卜t 国外测厚仪性能比较 t a b l e | - 1t h ep e r f o r m a n c e so f i m p o r t e dt h i c k n e s sg a u g e s 公司 性能特点 n d c 在国内薄膜行业应用较广，技术先进 数字式可调的高电压动力供给和条纹检测清晰度高 可同时检测不冠克度和厚度，检测范围广 操作和控制系统较为复杂，维护相对不便，价格1 f 常昂贵 1 。3 课题的意义 我国b o p p 薄膜是在1 9 7 2 1 9 7 3 年间，由桂林电器科学研究院、嘉兴绝缘 材料，一、晨光化工研究院开始试制的。1 9 8 0 年四川东方绝缘材料厂引进日本信越 公司的管膜法生产线，生产能力为5 0 0 t a 。1 9 8 0 年北京化工六厂从德国布鲁克纳 公司引进一套年产5 0 0 0 吨的b o p p 薄膜生产线，1 9 8 4 年正式投产。产品的厚度为 1 5 6 0 a m ，幅宽为6 m 。北京燕山石油化学公司化工二厂也引进一套4 m 宽的设备。 其后，广东、安徽、广西等地又陆续引进多套b o p p 薄膜生产线。9 0 年代以后国 1 1 x 射线测厚仪的碰件致计 2 ) 温度 即使是同样的板厚，材质温度增高，因热膨胀而密度减小，板厚的指示值就 变小。 虽然公式( 2 1 ) 不能完全反应高压和厚度之间的关系，但是也可以部分的反 应它们之问的关系，也就是说这个函数的基本原形应该是原理公式 d ：三h 竖 u ( 2 5 ) 建立一个如下的数学模型： d = ( 4 2 u 2 + 口l u + 口。) d + ( n 5 ，2 + 口4 u + 口y ( 2 6 ) 其中，d 表示原理公式拟合后得到的厚度，u 是测量同一材质不同厚度所得到的射 线强度，其中： ( d 。u 2 + 口- u + 口。) 是原理公式曲线拟合的斜率补偿； ( a s u 2 + 口。u + 口，) 是原理公式曲线拟合的偏移补偿。 需要得到参数，馥，“，“，“，如以及和u o 来计算出采集每个电压相应 的相应厚度值。 此模型用两个二次多项式作为原有数学模型的补偿多项式：一个作为斜率补偿， 另一个作为偏移补偿，这两个多项式都是以测量电压作为自变量，可以根据厚度 来确定不同的参数，也就是说对于传统方法的对于整个曲线进行补偿，而是对每 一个厚度点来进行补偿。 此模型形式较为复杂，需要求较多的参数，求解也比较困难，但此数学模型很 有实际意义，由于影响厚度的因素很多，因此它会在测量同一材质的不同厚度都 给予相应的参数补偿，而不是只有一个参数补偿。 明显，这是个非线性模型，则需要非线性最小二乘法来求解1 3 5 】。但我们可以将 上述三个公式分解成三个线性公式，分别是原理公式拟合，斜率补偿拟合以及偏 移补偿拟合。然后用改进的最小二乘法对其进行拟合。 胪去铲。：刊 咒2 ( 吗u 2 + 4 l u + 4 0 ) 弘佗一8 ) 北京化t 大学硕士学位论文 y 3 = y 2 + ( 口5 u 2 + d 4 u + 口3 ) ( 2 9 ) 先对公式( 2 7 ) 对采集的数据点进行线性最+ - - 乘法的拟合，可以求出参数u o 和a ；然后对公式( 2 8 ) 对采集点进行数据拟合，可得到参数m ，仉，4 ：；最后， 公式( 2 9 ) 同样地可以得到参数q ，。一，口s 。 第一步：对( 2 7 ) 式进行线性化处理：设k = i n u ，k o = i n u o ，整理( 2 - 7 ) 式得 k = k o 一y l ( 2 1 0 ) 用最小二乘法运算，可得方程组如下： ( 江0 其中n 为拟合点数，解方程组，可求出参数u o 和。 第二步：在第一步的基础上，对公式( 2 8 ) 进行线性最+ - - 乘法，求出参数 口o ，“l ，“2 ，整理公式( 2 8 ) ，可得： ( 4 ，- 配3 + n 。- q 2 + q + 儿，- q ) = 乃，u 荟( d s 。u j + 4 。q + q + 咒) 2 丢乃r ( 2 一1 2 ) 设t = 【，2 y - ，如2 u y l ，k 3 。y 一，则 y 2 = a 2 。k l + a i 如+ 口。k 3 一( 2 - - 1 3 ， 对上式进行最+ - - 乘法运算，可得方程组： 窆( 墨，后l i + a t i ：。k l , + a o 后七。，) = n k l ， i = 0 i = 1 k 2 ，+ n l k 2 。也+ 。- k k 2 i ) = 儿。如 i - l 羔( 口：屯，屯+ a l - 如，心。+ 吼七，k 3 。) = 窆y ：，k ， i = 0 f = l 其中n 为拟合点数，解方程组，可求出参数玑，4 - ，。z 。 t 。砌 = 、l，y 一 o 忌 ，i 。瑚 d 砖 。咖 = 、i l ， 2 m 一 y r，、l 。i r，l，l【 后 2 口 ，l 。瑚 x 射线测厚仪的碗件设计 第三步：在第二步的基础上，对公式( 2 9 ) 进行线性最小二乘法，可求出参 数“，吼，“5 。 进行最小二乘法运算，可得方程组： ( 口； i = 0 u 3 + 以。2 + 以。+ 儿i u ) = y ，i u i ( d ， i = 0 u i 2 - a 4 u i + 口，+ 虼) ：窆强( 2 - - 1 5 ) 其中1 1 为拟合点数，解方程组，可求出参数4 3 ，“，“5 。 当确定了公式中的各系数以后，即测厚公式确定。测得的每个电压值对应其厚 度值。 在本设计中，考虑到测量的对象为1 0 一1 0 0pi n 薄膜产品和测厚仪开发工期， 在这个测量范围内z 射线的衰减几乎为线性变化，在开发中暂没有加进上述补偿 因素，而采用了储存c ，k 值的方法进行计算，效果很理想，但考虑到测厚仪功能 的不断完善，上述模型的补偿方法将被加入。 2 1 3 总体结构的设计 在本设计的测厚仪的结构上，根据其构造与工作过程简单概述有以下模块 组成：信号采集，信号转化与处理，信号显示。 信号采集模块：由测厚传感器系统将被测物件的厚度信号采集为传感器信号； 信号转换与处理模块：由传感器将接收的信号转变放大为标准电压或电流信 号，再经由以p l c 为控制核心的测厚仪操作系统将电压电流信号转换为实际厚度 信号。 信号显示模块：显示测厚仪操作系统转换而来的，能够给人以直观认识的实际 物件厚度信号。 从本设计的实际出发，设计的测厚系统由z 射线发射装置，接收装置，机械传 动机构，控制系统，终端操作面板，上位机和模头控制机构组成。结构简图如图 2 2 所示。测量探头的工作稳定性和测量精度是最为关键，它基本决定了整个系 ，、【 北京化1 = 大学硕士学位论文 统的精度。下面将对本设计的测厚仪硬件结构做详细阐述。 圃0 j 二：二、 图2 2 系统结构简图 f i g2 - 2t h es i m p l ec h a r to f s y s t e m s t r l 1 g t l l r e 2 2 发射装置的设计 2 2 1 z 射线管 本设计采用的z 射线管是美国o x f o r d 仪器公司的1 0 0 0 系列z 射线管，性能 参数见表2 - 1 所示。射线管的结构如图2 - 3 所示。 电柱 图2 - 3 x 射线管 f i g 2 - 3x r a yt u b e 阴极、阳极、铍窗口、外壳等组成，阴极包括灯丝和阴极罩，是产生电子束的 部件。改变灯丝电流可以改变电子束的大小，从而改变x 射线的强度。为了保证 测厚仪的稳定性，本设计中配有一个高精度的灯丝电源调节电路( 见2 2 2 ) ，稳定电 子束的大小。阴极罩又称为聚焦罩，使电子流聚焦。阳极包括靶、导电柱及阳极 x 穿十线测厚仅的硬件设计 罩，是将高速电子的动能转换为x 射线的部件。靶常用的材料有c r 、f e 、c o 、w 、 n i 等，其中使用钨靶多用来产生连续x 光谱，其他多用来产生特征光谱，此射线 管采用的是钨靶。导电柱及阳极罩常用导热性能好的铜制成，以便传热。铍窗口 是x 射线的出口。阴极电子在高压的作用下，高速撞击靶面产生x 射线，x 射线 经阳极罩侧面的小孔穿过铍窗口射出。镀是一种对x 射线吸收较小的材料，所以 测厚用的x 射线管多用铍片做窗e l i 3 6 【3 7 】。玻璃罩用于保持x 射线管的高度真空。 表2 - 1 设计用朋t 线营性能参数 t a b l e2 - 1t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f u s e dx - r a yt u b e 2 22 高压发生装置和灯丝调节电路 由于本设计采用的测厚方法是选用x 射线进行测厚，就要涉及到控制x 射线 的强弱。本设计的测厚仪通过改变灯丝电流来改变x 射线电子束的大小，从而改 变x 射线的强度。为保证测厚的稳定性，设计中采用了一个高精度的灯丝电源调 节电路，以稳定电子束的大小。这也是本设计保证测厚精度的关键。 x 射线管的几个重要参数有；灯丝电流，阳极电流，阴极电压，阳极电压，阴 阳极电势差。x 射线的发生主要由管电压和管电流决定的。与管电压的立方或平 方及管电流成正比。若换算到厚度上，对于管电压的波动来说要增大4 1 0 倍，对 于管电流的波动要增大1 - 4 倍。所以要求x 射线发射有很高的稳定性陋3 9 】。 在本设计的测厚仪发射装置中，为更好的使x 射线发射源稳定工作，采用如下 策略：( 1 1 把加到x 射线管上的电压整流成直流，检测并控制此电压，采用高压测 反馈从而达到高稳定度。( 2 ) 高压电压，高压电流，灯丝电流可以通过可变电阻( 见 图2 - 4 中p 1 ，p 2 。p 3 ) 实现无级调整。使射线管可以根据实际的要求来调整工作环境， 延长了射线管寿命和保证测量精度。( 3 ) 高压变压的初级采用高频激励，使控制高 速化和外型小巧化。( 4 ) 采用高稳定度的电压检测电阻，及低漂移形状； 【】爹种： i 羞 北京化工人学硕” ：学位论文 2 2 3 信号采集模块 图2 - 4x 射线发生示意图 f i g 2 - 4x - r a ye m i t t i n gd i a g r a m m a t i cs k e t c h 本设计的测厚仪发射装置中，信号采集模块的作用是采集一定的模拟量信号， 用于上位机的监视和控制。在设计中，我们采用一套s i e m e n sp l cs 7 2 0 0 的c p u 和模拟量数据采集模块，负责采集x 射线发射装置的各模拟量，如高压电压，高 压电流，灯丝电流，射线管温度，高压发生器的温度。 2 2 4 电源板 发射装置内需要2 4 v d c 电源，此电源板卡把从控制柜过来的2 三v 直流电通过 直流转换器并进行r c 滤波转变为1 5 v 和+ 5 v d c ，分别给温度传感器和高压控 制电流供电。 2 2 5 制冷系统 在本设计中，考虑到功能的要求和空问限制，我们选择的是半导体制冷片。它 具有体积小，制冷快且易于控制。 半导体制冷片的外形如图2 5 所示，它的位置被放在散热