（光学工程专业论文）锂离子电池极片涂层厚度监测系统研究.pdf

摘要 本课题根据用户要求，利用激光三角法原理，设计了锂离子电池极片涂层厚 度的监测系统，以图解决锂离子电池极片生产过程中极片涂层厚度的非接触监测 问题。具体工作如下： 1 、对薄膜涂层厚度测量技术的发展历程及现状进行调研，归纳了当今常用 的各种厚度测量方法，对其原理进行了分析，并对各种测量方法的优缺点进行了 比较。 2 、针对本课题的具体要求，提出了符合实际的系统设计方案。根据对各种 测厚方法的比较和分析，系统采用光学方法进行厚度测量。激光经极片基层反射 后，发生镜面反射；极片的上表面为炭质层，激光经上表面反射后形成弥散斑， 该弥散斑并没有明显的光斑中心。本系统针对电池极片的这一特点，采用激光三 角法进行测量，并设计专用的光学系统，对反射弥散斑进行收集并将其会聚于后 端传感器。系统选用p s d 作为核心传感器件，m s p 4 3 0 单片机作为处理器。根据 生产现场的实际情况，设计了采集多路p s d 信号用于消除系统误差的方法，从而 保证了测量的精度，提高了系统监测的准确性。 3 、根据涂层反射光的特点，利用c o d ev 光学工程软件，设计了用于收集并 会聚极片涂层反射弥散斑的光学系统，对光路进行了相应的模拟，对系统的m t f 进行了分析。 4 、设计了p s d 信号放大电路和处理电路，并设计了单片机内部的软件部分 实现了系统厚度测量以及监测的功能。 5 、模拟现场情况，利用实验室现有的设备搭建了模拟实验系统。对电池极 片的样片进行了厚度测量的测试，并利用l a b v i e w 软件将测量结果通过单片机的 i o 口在计算机显示出来，根据给定的样片厚度数据对测量结果进行了标定，并 对产生的测量误差进行了分析。 关键词：激光三角法非接触测量位置敏感探测器 a b s t r a c t i nt h i sp a p e gw es u c c e s s f u l l yd e s i g n e dt h em o n i t o r i n gs y s t e mt ob ya p p l y i n gt h e l a s e rt r i a n g l em e t h o dt or e a l i z et h en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n to ft h ep o l e sc o a t t h i c k n e s si nt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so ft h el i t h i u mb a t t e r yp o l ep i e c e t h em a i nt a s k s i sc o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 r e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo ft h ec o a tt h i c k n e s sm e a s u r i n gt e c h n o l o g y , g a t h e r e dt h ep o p u l a rm e t r i c a lm e t h o dt oa n a l y z et h eb a s i cp r i n c i p l ea n dm a k eaw h o l e c o m p a r i s o nw i t he a c ho t h e r 2 c o n s i d e r i n gt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t ，s c h e m e do u ta s e to fs y s t e mb yt h e o p t i c a lm e t h o d t h el a s e rw a sf u l l yr e f l e c t e dw h e nt r a n s m i t t i n gt ot h es u b s t r a t eo ft h e p o l e ，a n dt h e ns c a t t e r e db yt h eu p p e rl a y e ro f t h ep o l es h a p i n gad i s p e r s i o ns p o t w i t h o u ta n yo b v i o u sf a c u l af o c u s t h ew h o l es y s t e mi n t r o d u c e dt h el a s e rt r i a n g l e m e t h o da sb a s i ct h e o r y , t h ep s da st h es e n s o r a n dt h em s p 4 3 0a st h ep r o c e s s o r t o e n s u r et h ep r e c i s i o na n dv e r a c i t y , w eg a t h e r e dt h ed i f f e r e n c es i g n a l st oe l i m i n a t et h e e r r o rt oal a r g ee x t e n t 3 a d o p t i n gt h ec o d evs o f t w a r e ，w es i m u l a t e dt h el i g h tp r o p a g a t i o no f t h e o p t i c a ls y s t e mf o ra s s e m b l i n gt h ed i s p e r s i o ns p o to f t h ep o l ep i e c ec o a t ，a n da n a l y z e d t h em t fo ft h es y s t e m 4 d e s i g n e dt h ep s ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dt h em c us o f t w a r et or e a l i z et h e m e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gf u n c t i o no ft h es y s t e m 5 t os i m u l a t et h ef i e l de n v i r o n m e n t ，w ee s t a b l i s h e dt h ee x p e r i m e n ts y s t e mt o m e a s u r ea n dd i s p l a yt h es c a l i n gr e s u l to f t h es a m p l e s t h i c k n e s s ；a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s ，w ed e m a r c a t e dt h es y s t e m ，a n da n a l y z e dt h em e a s u r i n ge r r o r k e yw o r d s ：l a s e r t r i a n g l em e t h o d ，n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，p o s i t i o ns e n s i t i v e d e t e c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乏苇匆签字吼沙7 年，月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 易矽新躲刊缎拯 签字日期：抄口7 年 厂月参日签字日期：2c 夕p 7 年月占 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 本课题来源于天津市力神电池制造公司，项目任务是要完成对锂离子电池极 片的涂层厚度进行监测。极片由一台挤压机挤压而成，待测物即为压制在金属铂 片上的炭质涂层，待测涂层厚度仅为1 2 0 1 6 0 微米，属于超薄范围。电池极片生 产现场如图1 一l 所示。 图1 一l 电池极片生产现场 第一章绪论 1 2 厚度测量技术及发展现状 在几何量测量中，长度( 包括微小厚度、位移) 是基本的、主要的测量参数， 其测量的技术水平随着人类文明发展而不断创新、拓宽。从刻线尺、千分尺等机 械测微仪到近年来的高科技测量装置，说明微厚度测量技术在随科技进步而不断 发展。 进入本世纪后，加工精度的提高又要求有较高的测量技术，因此出现了光学、 电动、气动等各种测量手段，这些新的测量手段不仅推动原有测量技术的发展， 而且创造出许多新型的测量方法，丰富了测量手段，使得微厚度测量技术向着高 精度、高效率方向发展。在较丰富的测量方法中，分类方法也较多，特别是针对 不同的测量环境，采用的方法也不一样，大致可以按照以下几种标准来划分： 按测量的时间性：分静态测量、动态测量。静态测量是指在一段时间内厚度 不变或缓慢变化条件下测量；而动态测量是为确定随时变化的微厚度的瞬时值而 进行的测量。一般而言，动态测量更能真实反应加工零件的尺寸变化。 按测量的主动性：分主动测量、被动测量。在零件加工完成之后对厚度进行 的测量都是被动测量；而在生产加工过程中对加工零件或材料的厚度测量则都为 主动测量。主动测量具有更大的优越性，加入了反馈等自动控制系统后，它能根 据厚度的测量结果来及时控制加工过程，以保证加工零件尺寸的质量，防止废品 的产生。 按自动化方式：分自动测量、非自动测量。非自动测量是手动测量的方法， 是在测量操作者的直接操作下完成整个微厚度测量过程的；而自动测量是指按测 量者所规定的程序自动进行并完成微厚度的测量过程的方法。很明显，自动测量 有利于提高生产效率，能减轻测量者的劳动强度，降低测量者带来的人为误差。 按照对被测物的接触方式：分接触测量和非接触测量。接触测量是指测量器 具的敏感元件( 测量头) 在一定测量力的作用下，与被测物体直接接触的测量法。 非接触测量是测量器具的敏感元件( 测量头) 不与被测对对象接触而能完成测厚 的测量方法，它以可分为光学式和非光学式两种。接触测量由于与被测物接触变 形产生，造成误差，影响测量精度，更主要在不同程度上损坏物体表面，磨损接 触头，因而接触测厚在发展前途和应用范围上远不如非接触测量。各种不同的测 量原理形成各种不同的测厚方法，也就产生出各种不同的测厚仪器。目前，测厚 的常用方法有磁法、机械法、射线法、涡流法、光学法等，其它许多方法如电容 法、微波法、超声波法等，只是在某些特定情况下才能发挥作用【l 】。 2 第一章绪论 1 3 厚度测量的主要方法及基本原理 传统的厚度测量主要指的是机械式测厚。机械式测厚的基本原理是将被测物 和测量器具标准量进行比较，从而得出厚度测量值。绝大部分机械式测厚仪均为 接触式测厚，主要有点是测量操作简单，方便，仪器成本低，测量的范围较大。 同时，它的缺点也是显而易见的，精度低，而且或多或少都会对被测物有一定的 损害，对探头也会存在一定程度上的磨损。在追求高精度、高速度的在线实时测 量的今天，机械式测厚装置显然难以适用于大规模的质量要求较高的生产。 目前，世界各国的科技研究人员应用单片微机技术与传感器技术相结合，研 制出了采用多种传感器原理、应用范围广泛、测量日趋精确的各类厚度检测仪器， 包括以电阻式、电容式、电感式、超声波式、激光式、射线式等传感器为厚度检 测原理的各种测厚仪，其中部分已经投入了工业生产应用，并且取得了较好的实 际应用效果1 2 j 。 1 电阻厚度检测仪 电阻厚度检测仪的工作原理是利用电阻传感器将被测厚度量的变化转换成 电阻值的变化，再经相应的测量调节电路进行信号调理，最后显示或记录被测厚 度值的变化【3 1 。电阻式测厚仪所用传感器为变阻器式传感器。 变阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是通过改变电路中电阻值 的大小，将物体的位移转换为电阻的变化。根据式： r i - 拿x = k x ( 1 1 ) 式中k 。为电位器的电阻灵敏度。相应电刷位移x 的电压输出u 0 为： 玑= = k 。x ( 1 _ 2 ) 式中k 为电位器的电压灵敏度。当电阻丝直径与材质一定时，则电阻r 随导 线长度l 而变化。 变阻式厚度检测仪具有以下优点【4 1 ：( 1 ) 结构简单、尺寸小、重量轻、价格低 廉且性能稳定：( 2 ) 受环境因素( 如温度、湿度、电磁场干扰等) 影响小：( 3 ) 输出信 号大。缺点是：存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，会降低可靠性和测量精度， 分辨率较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。 2 电容厚度检测仪 电容厚度检测仪是利用电容传感器将被测物件的厚度变化量转换成电容变 化量而工作【5 】o 应用较多的为平行板电容器式测厚仪【6 】，它具有温度稳定性好、 结构简单、精度高、响应快、线性范围宽、检测线路简单、介质损耗小、零点漂 移小、易于制造和可实现非接触式测量等优点。当位于平行板电容器之间的被测 3 第一章绪论 物件厚度发生变化时，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件厚度。当生产 线上的被测物件不断地从平行板电容之间通过时，即可检测每一瞬时通过该电容 的物件厚度。主要应用于在线板材、纸张厚度非接触式测量，缺点是初始电容不 大，引线电容及杂散电容影响较大。 ( 1 ) 电容传感器工作原理 在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为： c ：鱼至苎 ( 1 3 ) l ，= 一 上一o ， 万 式中：晶一真空介电常数，( 晶= 8 8 5 4 1 0 一f m ) ； q 一极板的遮盖面积( m 2 ) ； 艿一两平行极板间的距离( m ) ； 占一极板间介质的相对介电系数，在空气中，占= l ； 上式表明，当被测量s ，万或占发生变化时，都会引起电容的变化。如果 保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单 一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出，即 可测得物件的厚度。 ( 2 ) 极距变化型平行板电容测厚仪 根据电容器参数变化的特性，电容传感器可分为极距变化型、面积变化型和 介质变化型三种，其中极距变化型应用较广。极距变化型平行板电容测厚仪两极 板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移时，引起 电容量的变化为： 犯：一掣：一一c ( 1 4 ) 6 “ 6 由此可得到传感器的灵敏度为： k ；塑：一掣：一一c ( 1 5 ) a = 一= 一= 一一 工一a ， d 8 6 。 6 从上式可看出，灵敏度k 与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般 通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量c 与极距万呈非线性关系，故这 将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围a 8 万。一般取极 距变化范围为a 8 l 基体 图1 1 5分光光度法原理图 如图1 1 5 所示，用宽带白光作为光源，光源发出的光射向厚度为d 、折射率 为n 的薄膜表面时，在薄膜的上下表面分别产生反射光束，。、i ：。根据j 。、i ：的 光程差、折射率n 就可计算出薄膜的厚度d 。这种方法的测量范围通常在0 5 2 0 微米。 ( 5 ) 光电法 光电法是光学法中应用较好的一种，它是以光电器件为传感元件，进行光电 转变，通过对电信号的分析而实现厚度测量。这种检测方法还可检测长、宽、直 径、表面粗糙度、角度等其它多种几何量；测量对象也较广，并不局限于金属或 第一章绪论 非金属：而且测量精度高，性能稳定，可实现非接触测量和接触测量等优点，因 而在几何量测量领域使用较多。 1 4 几种厚度测量系统的优缺点的比较 表1 1 各种厚度测量系统的优缺点比较 测厚方法特性优缺点应用范围 电阻式测厚测量精度不高，优点：( 1 ) 结构简单、尺接触式测量 目前在高精度测量 寸小、重量轻、价格低廉且 方面应用较少性能稳定：( 2 ) 受环境因素 ( 如温度、湿度、电磁场干 扰等) 影响小：( 3 ) 输出信号 大。缺点是：存在电刷与线 圈或电阻膜之间摩擦，会降 低可靠性和测量精度，分辨 率较低；动态响应较差，适 合于测量变化较缓慢的量。 电容式测厚测量精度为5 具有温度稳定性好、结接触式以及 测量范围在3 5 01 z m 构简单、精度高、响应快、非接触式都 之内。线性范围宽、检测线路简可应用 单、介质损耗小、零点漂移 小、易于制造和可实现非接 触式测量等优点。缺点是初 始电容不大，引线电容及杂 散电容影响较大。 电感式测厚测量精度可达到工作可靠，寿命长；灵非接触测量 0 0 0 1 坍敏度高，分辨率高( 位移变 化0 0 1 朋，角度变化 0 1 ”) ；精度高，线性好( 非 线性误差可达0 0 5 一- 0 1 ) ；性能稳定，重复性 好等 1 4 第一章绪论 超声波测厚测量范围为具有非接触的优点，可非接触测量 1 2 2 0 0 衄，精度可 以适应高温的环境，现在已 达到0 0 5 - - - 2 r a m 经实际应用于管材生产线 的测厚，但具有探头能量转 换效率低，装置体积大，重 量重的缺点 射线测厚测量范围从几十优点是测量速度快，重非接触测量 朋到十) l m m ，准确量轻，体积小；缺点是价格 度为2 昂贵，对人体有一定的危害 磁式测厚 测量范围从几 灵敏度高，测量范围宽， 接触式测量 朋到几十衄不等， 仪器轻便，操作简单等优 准确度为1 0 点；而它的缺点是易受各干 扰因素的影响，应用面窄 光学测厚较宽的测量范可检测长、宽、直径、主要应用于 围，较高的精度表面粗糙度、角度等其它多非接触测量 种几何量：测量对象也较 广，并不局限于金属或非金 属：而且测量精度高，性能 稳定，缺点是仪器对环境较 为敏感，影响在现场的使用 由表1 1 可以看出，各种测量方法都有其不同的技术特点和应用范围。随 着科学技术的进步，目前我国的测厚技术已经有了较大的发展，但由于因每一种 方法都存在自身所无法克服的缺点，从而制约了它们的使用和普及，不能满足当 前机械加工、检测领域中的实时、动态、在线、非接触的要求。在测厚领域里， 由于光的介入，使光、机、电三者出现了有机的结合，并研制出了一系列光、机、 电结合的测厚仪器，使非接触测量成为可能；同时在近几年中，由于计算机技术 的飞速发展，人们把计算机强大的数据处理能力和自动控制能力引入到厚度测量 中来，从而又使测厚技术趋向于动态、实时化测量，自动、程序化数据处理方向 发展。 从国外在非接触动态测微厚度的应用技术上来看，应用较多的是光学方法中 的光电法，其主要原因是： 1 充分利用了当前品种齐全、性能良好的光电器件为传感元件。 2 可以检测多参数，如：长度、宽度、直径、表面粗糙度、面积、角度等。 3 测量对象较广，并不局限于金属或非金属。 第一章绪论 4 测量精度高，性能稳定，可实现非接触测量和接触测量。 5 完成光信号到电信号的转变，易于用多种成型的电信号分析、处理方法实 现微厚度测量。 光电法测厚的基础理论研究及测量仪器的研制在国外是比较早的，而且比较 完善，如在日本、美国、英国、德国等国家，尤其是在日本、德国，由于一向注 重于光电子技术的应用，因而在这一方面的发展更为瞩目，从光源到光电检测元 件最为齐全，光电检测技术应用也较普遍。目前应用较多的是c c d 技术，这种 高性能的图像传感器件不仅己用在测厚领域，而且应用到了更为广阔的领域里， 如光谱分析、医学军事、空间光学、遥感及天文学等方面。 而在我国，把光电子器件应用于非接触测量的研究也有较大的进步。由于传 统的接触式测量存在着非常大的应用缺陷，因此，包括科研机构、公司工厂等很 多业内人士都开始了非接触测量的研究，而且成绩显著。直到今天，理论上的发 展已经较为成熟，而且在实际应用上也已经有成品出现。 本课题的具体的技术要求为：测量精度误差要求小于5 朋，测量范围在 1 2 0 , u r n - - - - 1 6 0 , t u n 之间，非接触式测量。综合考虑上述各种测量技术的特点和本课 题的要求，本系统采用光学测厚的方法来解决这一问题。 1 5 本课题选题背景、研究意义及主要工作 1 5 1 选题背景 目前，以力神公司为代表的国内电池极片生产线上缺少有效的极片涂层厚度 实时监测装置，厚度控制系统由于不能及时得到各工序中与厚度相关参数的信息 反馈，致使厚度控制系统不能对生产中出现的问题进行及时的调整，对产品质量 造成了直接的影响。而力神公司现在所采取的静态接触式厚度监测的措施，无疑 对生产的效率和产品质量都会产生很大的影响。因此，我们针对这一现状，在充 分考虑电池制造业在对生产线进行技术改造的经济能力的基础上，利用现代测试 技术( 光电测厚法) ，以及国内外相关的、成熟的监测理论，进行锂离子电池极 片厚度监测系统的设计研究。 1 5 2 研究意义 本课题所要研究的锂离子电池极片厚度监测系统，应该满足电池极片生产各 工序中对厚度监测的需求，应具有体积小、重量轻、成本低等特点，测量精度要 求误差小于5 , w n ，具有较高的性价比，适合我国电池极片制造业进行技术改造 1 6 第一章绪论 的要求，具有一定的推广和应用价值。这在一定程度上缓解了我国电池极片制造 生产线缺乏有效的监测手段所带来的问题，缩小了我国在该研究领域中同国外先 进技术的差距。 通过对电池极片涂层厚度监测系统的研制，为我国在电池极片生产设备监测 技术领域中的研究奠定一定的理论基础，并提供了相关的技术经验，为我国自行 研制先进的、成套的电池极片生产设备创造了有利条件。为改变我国电池生产行 业整体的落后状况，使我国电池生产线的监测水平以及现代化程度提升到国际水 平奠定了基础。 1 5 3 本课题的主要工作 本课题研究的主要内容是锂离子电池极片涂层厚度监测系统的设计，该设计 包括监测系统的整体设计、光学系统的设计、监测系统硬件电路的设计以及系统 实验装置的设计，具体的研究内容如下： 1 为了保证厚度监测系统的精度，本课题拟采用激光三角法对电池极片涂层 厚度进行测量。系统采用p s d 作为传感器件，对于p s d 输出的信号，我们采用 集成度很高的m s p 4 3 0 系列单片机完成对信号的采集和处理。针对生产现场出现 的极片抖动等问题，系统拟采用多路p s d 进行测量的方法来消除误差，提高系 统测量精度。 2 分析电池极片涂层的光学特性，根据其特点设计监测系统所需要的光路。 搭建系统实验光路，实现对激光器所发出光束的会聚以及反射光线弥散斑的收 集、会聚。采用c o d ev 软件对光路的效果进行仿真，并在理论上加以分析。 3 设计监测系统所需要的硬件电路以及编制单片机软件。硬件电路的设计包 括模拟信号处理电路部分以及单片机为主的数字电路部分的设计与调试。首先对 p s d 采集输出的信号进行放大，放大后输入到单片机内部，利用单片机内部的 a d 进行模数转换，转变成数字信号后进行相应的处理，得出待测极片涂层的厚 度，与设定的厚度阈值进行比较，一旦超出阈值范围，则控制外部的信号l e d 报警。软件拟采用c 语言进行设计，主要包括对单片机内部各模块的控制，对 采集数据的处理、与阈值的比较以及根据比较结果对后端l e d 的控制。 4 对建立的监测系统进行标定。根据用户提供的样品数据来标定系统动态非 接触测量的结果，对监测系统进行大量的实验，并对监测系统进行误差分析。 1 6 本章小结 在我国现有的锂离子电池生产企业中，有很多还采用接触式的测量方法进行 1 7 第一章绪论 产品的静态检测加工。不仅效率低下，而且不符合国际上某些产品非接触动态检 测的标准。因此，无论是老企业的技术改造，还是新企业的技术发展，都有如下 的两个问题必须解决： 1 将接触式测量变成非接触式的测量，以减小测量误差，提高测量精度，同 时还可以解决某些用接触方法无法解决的测量问题。 2 将被动静态测量变成主动动态测量，以提高劳动生产率，降低劳动者的工 作强度，并且可保证加工精度。 本章从上述问题出发，首先分析了目前厚度测量的主要方法及其原理，然后 对其优缺点进行了分析、比较，明确了研究的目的和意义，并由此确定了本文的 研究内容。 第二章锂离子电池极片涂层厚度监测系统总体设计 第二章锂离子电池极片涂层厚度监测系统总体设计 本章通过分析系统的具体要求和实际情况，提出了电池极片涂层厚度监测系 统的总体设计方案与结构组成，确定了各模块功能以及所用芯片的选择。 2 1 系统总体方案设计 力神公司对极片涂层厚度监测系统的性能提出的具体要求为：测量精度要求 误差小于5 朋，测量范围在1 2 0 , u r n - 1 6 0 朋之间，非接触式实时测量，当厚度 测量的结果超出阈值范围时，通过后端的l e d 灯报警。 根据力神公司的要求和现场的实际情况，基于对以上多种测厚方法优缺点的 综合考虑，我们采取光学测厚的基本方法来解决这一问题。 系统的工作原理为：激光器发出的激光经聚焦后照射到极片表面，极片基层 反射为镜面反射，激光经极片涂层上表面反射形成弥散斑，光学系统将激光经极 片反射出的光线会聚到传感器p s d 上，传感器将反映电池极片厚度变化的光信号 转变为可测量电压信号，经电压放大器放大后输入单片机，在单片机内部的a d 转换模块经过模数转换后，将数字信号送入c p u 进行处理，处理器完成数据处理 后，将计算出的电池极片涂层厚度信息与阈值信息进行比较，如果超出阈值范围， 则打开由后端i o d 控制的l e d 灯报警。基于p s d 和单片机的电池极片涂层厚度监 测系统的总体设计逻辑功能与结构框图及示意图如下图2 1 和2 2 所示。 曰会悃臀 光电 转换 图2 一l 系统原理框图 1 9 第二章锂离子电池极片涂层厚度监测系统总体设计 极片炭质层表面 极片基层表面 图2 2 系统测量原理示意图 由于极片生产现场会产生轻微的抖动等情况，这样就会对测量结果产生干 扰，从而影响单片机对后端报警灯的控制，造成失误。同时，由于极片上表面厚 度并非均匀一致，因此需要对表面厚度进行多点测量，对测量结果进行相应的处 理，得出极片表面厚度变化曲线。 为了消除类似问题给监控系统带来的影响，结合电池极片生产现场的情况， 本系统采用多路p s d 系统，将其中一路p s d 系统作为基准，测量极片基底厚度的 变化，其他路p s d 得出的测量结果与基准路的变化值做差分处理，从而消除了抖 动和厚度不均等问题引起的误差。然后再根据差分处理后的各路测量值构造差商 表以及插值多项式，得出涂层表面厚度变化的曲线函数。 多路p s d 测量的位置示意图( 俯视) 如图2 3 所示。 铂片= _ 二二= = 二二二二二一极片厚度测量( 位置h ， 、一假门导j 置侧量眦耳一 炭质层 y 二二二二鬈：茎茎：茎篙： 、一假门厚反侧重业互 j 弋：= = = = = = = ：一极片基层厚度变化浏量 图2 3 多路p s d 测量位置示意图( 俯视) 各路p s d 信号处理方法框图如图2 4 所示。 第二章锂离子电池极片涂层厚度监测系统总体设计 图2 4p s d 信号处理方法框图 2 2 系统总体设计功能模块组成 锂离子电池极片涂层厚度监测系统以p s d 传感器和m s p 4 3 0 单片机为核心设 计，基于激光三角法为主要测厚原理，主要由以下几个部分组成：光源及光学成 像系统，传感器与信号采集转换系统、微处理器与数据处理系统、对外报警系统 和复位系统等。 1 光源 实验采用激光器作光源，产生入射光束，依据实验室现有条件，有两种类型 的激光器可供选择：一种是半导体激光器，一种是h e - n e 激光器，在本实验中，两 种类型的激光器都进行了实验，以比较不同光源对测量结果的影响。由于本厚度 监测系统对精度的要求比较高，所以采用的激光器的光斑应尽可能小，最后综合 考虑各种因素，决定采用功率为3 m w 的半导体激光器。 2 光学系统 本监测系统的光学部分主要包括两方面：一是对激光器发出的激光光束的束 腰半径进行压缩，将其会聚于待测极片涂层上；另一部分是对激光经涂层反射后 的弥散斑进行收集并使其会聚子系统的传感器光敏面上。前一部分用一口径为 3 0 m m ，焦距为3 0 m m 的透镜即可实现，后一部分需设计专门的光学系统并对成像效 果及像差加以分析。 3 传感器 2 1 第二章锂离子电池极片涂层厚度监测系统总体设计 本系统中传感器完成将反映电池极片涂层厚度变化的光信号到电压信号的 转换功能，根据系统设计测量精度的要求( 测量误差在5i n n 以内) ，必须选用测 量精度达到1 a n 的传感器。依据电池极片生产的实际情况，进行极片涂层在线实 时厚度测量时，要求传感器系统具有很好的响应特性：具有较高的灵敏度和精确 度：具有较好的线性与稳定性。因此，考虑对传感器灵敏度、响应特性、线性范 围、稳定性、精确度、测量方式等各个方面因素的影响，本系统中选用了位置敏 感探测器( p s d ) ，通过后端的电路处理，其测量精确度可以达到l 朋。p s d 为光 电式传感器的一种，可以将反映电池极片涂层厚度变化的光信号转换成与其成比 例的电压信号，具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。 4 信号采集和处理系统 传感器测得的信号一般都比较弱，并且伴有杂波干扰，特别是电池极片涂层 厚度很薄，因此p s d 测得的信号必须经过滤波放大，使信号转换为足够大的在可 测量范围内的电压信号。基于系统的要求和实际情况，我们决定采用仰公司的 a d 5 2 4 作为信号放大器。a d 5 2 4 是一种专用的精密仪器放大电路，可用于要求精度 高、工作环境恶劣的多种数据采集系统。其特点是低噪声( 0 1 h z 一1 0h z 时为 0 3 ) ；低非线性( 0 0 0 3 ) ；高共摸抑制比( 1 2 0 d b ) ；低失调电压( 5 0 ) ，低 失调电压温漂( 0 5 _ , v 。c ) ；管脚可编程增益( 1 ，1 0 ，1 0 0 ，1 0 0 0 ) ；输入保护，电 源通到电源断，不要求外部元件；内有补偿，还可直接输出信号到1 4 位a d 变换 器【2 2 1 。基于a d 5 2 4 精密仪器放大器的以上优点，当p s d 的输出信号小于毫伏时，选 用a d 5 2 4 能够得到较好的结果 单片机微处理器是厚度监测系统组成与功能实现的核心部分，它主要应用系 统软件完成以下几方面功能： ( 1 ) 自测试，包括自动调零、故障与状态检验、自动校准、自诊断等。自测 试可以在仪器启动时或在仪器工作中运行，用来自动检测故障的部位和故障的原 因。 ( 2 ) 参数修改与存储，完成数据处理系统参数标定与存储。 ( 3 ) 数据处理，这是厚度监测系统的主要功能，包括对多路p s d 获取的信号进 行a d 、计算出每一路p s d 上的位置变化从而得出相应的厚度值，将其与基准p s d 值相减以消除误差。 ( 4 ) 将计算结果与预先设定的阈值进行比较，根据比较的结果确定后端l e d 是否报警。 在设计中，选用t i 公司生产的低电压，高性能的1 6 位单片机m s p 4 3 0 f 1 3 5 作微 处理器，其片内含一个8 路1 2 位的a d 转换器，1 6 k b + 2 5 6 b 的可反复擦写的存储器 ( f l a s h ) 和5 1 2 b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，不需再进行存储器扩展即可满 第二章锂离子电池极片涂层厚度监测系统总体设计 足系统开发需要，具有2 个1 6 位定时计数器，2 , 个u s a r t 和4 8 个i 0 1 2 1 ，可以完全 满足系统要求。 5 复位电路 复位信号是单片机最为敏感的信号之一，当单片机处于空闲节电模式与掉电 模式时，以及系统受到干扰运行出现错误时，都需要采用复位电路进行系统复位。 为使单片机系统安全可靠地工作，使复位电路具有快速上电复位、掉电复位等功 能，本系统中设计了按键复位电路，以提高系统受到干扰后复位的可靠性，当系 统开机自检或运行中出现错误时，应用复位电路使系统回复初始状态。 2 3 系统软件总体要求 软件在监测性仪器仪表设计中起主导作用。锂离子电池极片涂层厚度监测系 统以单片机微处理器为核心，在开发中合理考虑硬、软件设计的折中，在满足仪 器基本功能的基础上，简化硬件设计方案，加强软件功能的设计，使仪器工作更 具灵活性和多样化。 软件设计不但要实现各种功能，而且要保证校验的精度、速度。设计时采用 了模块化结构，力求简洁。软件包括初始化、参数设定、a d 采样、数据处理、 出错信息显示等几个主要模块。主要实现以下功能：首先对系统进行初始化，对 单片机各寄存器的进行初始配置，然后对采集到的模拟数据进行a d 转换，将转 换后的数字信号进行相应的计算处理，得出极片涂层厚度的数值，并将测得的极 片涂层厚度值与基层厚度变化值进行差分以消除误差，然后将该数值与预先设定 的阈值进行比较，当计算结果超出阈值范围时，控制与后端l e d 相连的i o t n 输出 高电平，即点亮l e d ，对外报警。 2 4 本章小结 本章首先分析了系统的具体要求和实际情况，然后根据系统要求提出了电池 极片涂层厚度监测系统的总体设计方案与结构组成，阐述了系统的工作原理，确 定了各模块功能以及所用芯片的选择。 第三章极片涂层厚度监测系统的光学系统设计 第三章极片涂层厚度监测系统的光学系统设计 本章的主要任务是完成对监测系统的光学系统进行设计。通过对电池极片涂 层的光学特性分析，结合本课题的实际情况提出了具体的系统方案，搭建了涂层 反射弥散斑接收系统的光路，运用c o d ev 软件对光路进行仿真处理，并对像面 弥散斑和系统的m t f 进行分析，得出了相应的结论。 3 1 概述 本课题采用的厚度一微位移测量方法一激光三角法，是集光、电等技术于 一体的一种精密测量方法，也是p s d 光电位置传感器技术在厚度测量中的一种具 体应用。它的主要组成部分是：光源，待测物和传感器件。 光源部分，本系统采用激光作为光源。 激光是一种常用的光源，它具有普通光源所不具备的优点： a 、方向性好。光束的发散角较小，在近距离测量时光束扩散的影响可以忽 略。 b 、高亮度。由于光束发散角较小，光能在空间高度集中，提高了亮度。 c 、高单色性。激光光谱单纯，波长范围旯0 1 n m ，比普通光源提高几万 倍，是最好的单色光源1 2 3 。 在激光器的选择上，本课题选择了半导体激光器作为光源。氦氖激光器虽然 具有输出激光的能力，稳定度高，但是它的输出效率不高，通过实验，本课题至 少需要3 m w 以上的激光器作为光源进行厚度检测。而且，氦氖激光器的主要优 势在于它的输出光束的相干性和方向性很强，鉴于本系统的实际情况，氦氖激光 器的优势在本系统中无法得到体现。 相比起氦氖激光器，半导体激光器更加适用于本课题。首先，它体积小，效 率高，工作电压低、功率损耗小，驱动和调整均很方便，结构简单，价格便宜。 而且，它非常适合野外短距离激光通信、检测等等。而本系统就是将此成果应用 于工业的生产实际，综合考虑各种因素，本系统选择了半导体激光器作为研究项 目的光源。 待测物为锂离子电池极片上的炭质层。电池极片基层为金属铂片，上附一层 炭质层，炭质层的厚度即为本系统所要监测的涂层厚度，通常厚度范围在1 2 0 - - 1 6 0 a n 之间。因极片基层为金属铂片，所以光源照射后反射为镜面反射，而炭质 第三章极片涂层厚度监测系统的光学系统设计 层经光源照射后反射为漫发射，会产生一弥散斑，因此需要专门设计光学系统加 以收集，并将其会聚于后端传感器件表面，然后由后端传感器完成相应的光电转 换。 3 2 激光三角法的基本原理及系统方案的选择 3 2 1 激光三角法的基本原理 采用激光三角法来测量厚度位移，是因为这种方法具有较多的优点。它能远 距离( 一般在1 0 0 硼左右) 高速度、高精度、非接触测量，而且测量点小，适用范 围广，不受被测材料性质的限制，对大多数不透明物体均可以采用，因而在国外 被广泛用于测量位移、厚度等，并已相应研制出许多系列产品。 最简单的三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表面，在另一方 向通过成像观察反射光点的位置，从而计算出物点的位移。由于入射和反射光构 成一个三角形，所以这种方法被称为三角测量法，又可按入射光线与被测工件表 面法线的关系分为直射式和斜射式。 直射式三角法测量等效光路如图3 1 所示。激光器发出的光线，经会聚透镜 聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光 轴移动。接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光点位置探测器 ( 如p s d 、c c d ) 敏感面上【2 4 】。但由于传感器激光光束与被测面垂直，因此只有一个 准确的调焦位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将引起像点的 弥散，从而降低了系统的测量精度。为了提高精度，丹，和1 9 ，必须满足 s c h ei m p f l u g 条件【2 5 2 6 1 ，即 增秒。= 卢增秒， ( 3 1 ) 式中，为横向放大率。此时一定景深范围内的被测点都能正焦成像在探测 器上，从而保证了精度。该式的物理含义即，激光器轴线、物镜主平面、p s d 光 敏面三者的延长线交于一点( 或三者相互平行) 。 第三章极片涂层厚度监测系统的光学系统设计 图3 1 直射式光路图 若光点在成像面上的位移为x ，利用相似三角形各边之间的比例关系，可按 下式求得被测面的位移： 饿s i n 馥 舻丙丽二瓦翮 6 s i n 鼠一x s i n i 舅+ 只l ( 3 2 ) 式中，口为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离；6 为接 收透镜后主面到成像面中心点的距离；鼠为激光束光轴与接收透镜光轴之间的 夹角；幺为探测器与接收透镜光轴之间的夹角。 斜射式三角法测量等效光路如图3 2 所示。激光与被测表面的法线方向成 一定角度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射 光。此时，为使精度得到一定程度上的保证，岛和岛应该满足的s c h e i m p f l u g 条 件为： 增幅+ 幺) = t g 岛( 3 - - 3 ) 若光点的像在探测器的光敏面上移动x ，利用相似三角形的边角关系，则可 得出物体表面沿法线方向的移动距离，其计算公式如下： x ：；竺竺鱼竺；刍；(3-4) 】c = - - - - - - - 二- - - - - - 。= - - - - - ：二- - - - - ， b s i n 幅+ 幺) 一f s i n 幅+ 幺+ 岛) 式中，品为激光束光轴与被测面法线之间的夹角；幺为成像透镜光轴与被测 面法线之间的夹角；织为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。 第三章极片涂层厚度监测系统的光学系统设计 图3 2斜射式光路图 当岛为o 。的时候，此时为斜入射直接收式，如图3 3 所示。光点移动时，被 测面沿法线方向移动的距离为： x ； 旦型墨i 坠旦! 堡q 墨旦! bs i n0 1 - - 一s i n ( 0 。+ 1 5 7 ，) 如图3 - - 3 所示，它是介于直射式和斜射式之间的方法， 故名为斜入射直接收式2 7 1 。 ( 3 5 ) 属于斜射式的特例， 图3 3 斜入射直接收式光路图 上述入射方式都可以对被测面进行高精度、高速度的非接触测量，但比较起 来有以下几点区别【2 8 】： 1 斜射式可接收来自被测物体的反射光，比较适合测量表面接近镜面的物体。 直射式由于其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面，如果表面较为 第三章极片滁目厚度监系的光学系* 计 平滑，则可能由于耦合到光电探测器的散射光强过弱，使测量无法进行，也就是 说可能存在测量盲区p 邡j 。 2 在被测物体表面发生如图3 3 所示位移x 时，斜射式入射光光点照射在物 体不同的点上，因此无法直接知道被测物体某点的位移情况，而直射式则可以。 当然斜射式也可以通过标定的方法得出位移。 3 直射式的优点是光斑较小，光强集中，不会因被测面不垂直而扩大光斑， 而且一般体积较小。斜射式传感器分辨率高于直射式，但它的测量范围较小，体 积较大。斜入射直接收式传感器的体积和直入射式相当，并且分辨率高于直射式， 因此较为常用。 3 2 2 电池极片涂层光学特性分析 与其他厚度测量相比，本课题所要测量的电池极片涂层表面有其特有的光学 特性。电池极片的基层表面为金属铂片材质，极片的上表面为炭质层，如图3 4 所示。 謦i = 图3 4 电池极片实物图 极片基层为金属铂片，激光经极片基层反射后，发生镜面反射，其反射光的 光斑中心十分明显，如图3 5 所示( 其中图a 为自然光背景下的反射光，图b 为无背景光条件下的反射光) 。因此通过其光斑中心在p s d 上的位置变化郎可计 算出基层极片涂层厚度的变化。 第三章掇片濂层厚度监蔫系统的光学系统设计 a 自然光背景下的反射光 b 无背景光条件下的反射光 图3 5 基层极片反射光 电池极片涂层的上表面为炭质层，激光经上表面反射后形成一弥散斑，该弥 散斑并没有明是的光斑中心，如罔3 6 所示。 一一- 一 一。一一_ 2 z _ _ _ _ a 自然光背景下的反射弥散斑b 无背景光条件下的反射弥散斑 图3 6 极片上表面反射弥散斑 如上图所示，反射弥散斑并没有明显的光斑中心，且弥散