基于NDIR的塑料薄膜厚度测量技术研究Word文档下载推荐.docx
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2.2测厚仪数据采集与处理系统功能简介5
2.3测厚仪数据采集与处理系统的总体方案设计6
2.4本章小结7
3系统硬件部分介绍7
3.1主要硬件选型7
3.2简化的电路10
3.3采集电路10
3.4小结11
4系统软件设计11
4.1采集卡的使用14
4.2标定程序流程16
4.3测厚程序流程17
4.4数据显示和保存18
4.5小结19
5系统调试与运行19
5.1系统调试过程19
5.2系统调试与结果20
结论29
参考文献30
致谢32
1绪论
1.1课题背景及意义
随着塑料薄膜以及以薄膜为主要辅助材料的其他产品在工业生产和人类生活中的广泛应用，薄膜的厚度越来越成为一个重要的物理指标[1]。
薄膜的阻隔性能，机械拉伸性能以及生产加工成本等均与其厚度密切相关，因此薄膜厚度的测量一直是人们密切关注和不断研究改进的课题。
对于生产出来的薄膜，在许多工业性能要求中最为关键的参数是厚度和均匀度，尤其厚度会直接的影响到薄膜产品的经济效益、质量和产量，是薄膜非常重要的物理指标[2]。
另外如果薄膜均匀度差，就会影响到薄膜各处阻隔性和拉伸强度等性能。
通过测量技术在薄膜生产时进行厚度检测，对不符合要求的部分薄膜进行再加工，使其生产出来的厚度和均匀度符合工业要求，会在一定程度上提高薄膜质量、产量，并降低成本。
因此塑料薄膜厚度测量技术具有一定研究意义。
1,2常见薄膜厚度测量方法
1.2.1非在线薄膜测厚
最初用于测量薄膜厚度的技术是非在线测厚技术。
非在线测厚技术包括非接触式和接触式测量法两种[3]。
机械薄膜测厚仪是利用接触式薄膜测厚方法测量薄膜厚度的仪器。
虽然它在测量那些表面不平整或具有弹性的材料时会出现测量数据不稳的现象，但它能在进行测量厚度之前施加适当的压力在样品的测量表面上来避免数据波动[4]。
其他常用非在线测量仪：
（1）涡流测厚仪和磁性测厚仪，磁性测厚仪是根据电磁感应原理来实现测厚功能的，而涡流测厚仪则是使用电涡流原理来实现测厚[5]。
它们主要用在测量一些涂层的厚度上。
（2）超声波测厚仪根据超声波反射原理来实现薄膜的厚度测量，它可以用来测量陶瓷、玻璃、金属、塑料等对其反应明显的导体厚度[6]，它具有许多测厚仪所不具备的特点：
可以工作在高温环境中。
（3）光学测厚仪在理论上可以推导出测量精度非常高的方法，但在实际使用中要求（使用条件及维护等）非常高：
第一它距离振源越远越好，第二必须有严格的防尘措施、专业操作和维护，第三它只能用于层数较少的复合膜的测厚，所以其使用范围极大的受到了限制[7]。
非在线测厚设备在便捷性和价格上具有很大优势，但不能够实现监测生产过程的功能，所以只能作为在线检测的辅助设备[8]。
1.2.2在线薄膜测厚仪
据有关方面统计，如果使用在线测厚仪技术，一个塑料薄膜制品厂每年可以节省约10万美元左右[9]。
目前主要的在线薄膜测厚仪包括：
β射线测厚仪，X射线测厚仪，激光测厚仪和红外测厚仪等。
（1）β射线测厚仪:
β射线技术相对于其他技术来说是最先应用于在线测厚的。
是一种放射性同位素测厚技术，它利用放射源放射出来的低能量β射线透过薄膜来实现测量功能，就是利用射线被薄膜部分吸收导致能量减弱的原理进行薄膜厚度测量的[10]。
它对设备辐射保护装置有很高要求，且β传感器对薄膜上下的波动以及周围环境变化相当敏感[11]。
（2）X射线测厚仪：
由于信号源放射性很强，辐射保护装置有严格要求；
而且不适合对多种元素组成的聚合物进行测厚[12]。
所以现在主要应用在单元素材料（如钢板等）的测量上。
（3）激光测厚仪：
激光测厚仪是近些年来开发出的高科技实用型设备。
它对工作的环境要求降低了，具有人工测量和其它测量方法无法比拟的优点：
测量准确、安全可靠、精度高、实用性好、无辐射、非接触式等。
且能够为厚度控制提供准确可靠的信息，从而提高工厂的生产效率、产品质量[13]。
但激光测厚仪在实际运用过程中因为某些现场环境的限制而得不到广泛使用。
小结：
射线测厚测厚仪由于自身射线物理特性，具有不可避免的缺点：
①射线的不可聚焦性使射线测厚仪无法对薄膜微观变化进行有效监测，只能用于测量薄膜宏观厚度的变化[14]。
②具有发射性，一般要在其四周划出一个1至1.5m的安全隔离带[15]。
③仪器的成本价格比较昂贵。
④虽然射线设备都对用户提出强制性安全防护的要求，但是工厂不愿采用的一个原因就是射线危害人体健康。
恶劣（如温度高，粉尘多），导致设备的运行维护有诸多不便,出现了不少的问题[16]。
（4）红外测厚仪：
运用红外技术进行厚度测量可以不受环境的湿度和空气压力及缝隙间温度变化等因素影响，可以保证测量精度。
因其信号源无放射性，成本低廉，设备维护难度相对较低，故红外技术适用于双向拉伸薄膜、多层共挤薄膜和流延膜等生产检测[17]。
综上所述，红外技术测量薄膜厚度已经成为薄膜测厚领域的最佳之选。
1.3课题国内国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
国外从在世纪70年代将红外测厚技术应用到薄膜厚度在线测量，到80年代初已有产品应用到实际生产中。
1981年，日本富士电机公司研制出红外在线测厚仪，测量范围10μm至2mm，重复性误差大于1μm。
1983年，英国和美国的InfraredEngineeringInc研制出红外在线测厚仪的测量范围为10至300μm，测量精度为±
1μm。
1999年英国红外工程公司研制出一种测量包装薄膜的红外线量规。
其通过非接触测定法，以±
0.1μm的精度测量薄膜厚度。
红外线探测头可以很方便地安装到塑料挤压生产线上。
在线测定厚度为10μm至5mm，响应时间为0.1至20s[18]。
1.3.2国内研究现状
国内研究机构对红外测厚技术的研究始于上世纪80年代。
1984年，浙江工学院研制成功我国第一台红外测厚仪[19]，该测厚仪的主要技术指标如下：
测量范围：
10至1000μm。
测量精度：
±
2μm（厚度<
200μm），±
5μm（厚度>
200μm）。
重复性：
<
（设定值×
0.2%＋1μm）。
稳定性：
8小时相对波动<
1%，24小时相对波动小于1.5%。
1988年，浙江工学院在前期工作基础上，设计出了不同结构的测厚仪。
中国计量科学研究院于1990年研制了在线测量涤纶薄膜厚度的HW-1型红外侧厚仪[20]。
现场实验结果表明，其可以满足一般的需要，测厚范围为20至100μm，测量精度：
（名义尺寸×
2%＋1.5μm）。
1998年，广东省测试研究所研制出了IM-C型红外薄膜（水分）厚度测试仪，综合了反、透射测量方法[21]。
薄膜测厚的主要技术指标：
10至120μm。
精确度：
优于±
3μm。
2μm。
苏州科技学院结合红外测厚技术和激光测厚技术于2002、2006年分别研制出了透射式激光测厚传感器和反射式红外测厚仪[22]。
2010年，广西师范大学利用MCGS组态软件和PID控制方法对一个双向拉伸薄膜厚度测控系统进行了设计和仿真[23]。
其结果显示该测控系统不仅可以进行实时、精确地测量和控制双向拉伸薄膜的厚度外，且具有调整参数方便、控制效果、可视性和可维护性好等优点，具有很大的应用价值[24]。
1.4章节安排
本文共包含五章，各章主要内容如下：
第一章为绪论，主要介绍了课题研究背景和意义，薄膜测厚技术的种类、发展历史与研究现状。
第二章为总体的方案设计，介绍了测厚系统具有的功能，包括了测厚方法的选定，系统总体框图和软件流程图。
第三章为系统的硬件简介，主要说明了涉及到的硬件，主要是数据采集卡和两个硬件电路。
第四章为系统软件设计,是本文最重要的部分。
主要内容有控制软件的交互界面设计，数据采集、标定和测量程序设计思想、流程与实现方法等。
第五章为系统调试运行结果，主要展示了系统实现的整体功能。
2系统总体方案设计
2.1红外测厚方法的比较和选取
2.1.1红外技术的选定
红外线照射到薄膜上将产生干涉、反射和透射等光学特征，因而红外测厚的方法相应有反射法、干涉法和透射法（吸收法）[25]。
综合考虑系统的数学模型的建立的复杂度，工厂的环境的好坏，仪器的精度高低，被测物的厚度的范围、折射率及表面光滑度等因素，薄膜厚度的红外测量采用透射法较为适宜[26]。
所以本次研究的方法是透射法。
2.1.2红外透射技术
在红外范围的发射和吸收对应于多原子物质的振动状态之间以及转动状态之间的跃迁[27]。
当入射电磁波的频率对应于受辐照分子振动或转动速率变化时，使产生吸收[28]。
所以，当光源发送的光线穿透薄膜时,会被薄膜吸收一部分,其余部分到达相对应的接收源。
被薄膜吸收的部分由薄膜的厚度和密度决定[29]。
当光源与接收器之间没有薄膜时，发送信号全部到达接收器,这时接收到的能量最高[30]。
当光源和接收器之间所加薄膜变厚时，被吸收的部分会变多，到达接收器的部分变少，此时接收到的能量就会减小。
当一束光透过塑料薄膜时，照射到薄膜表面的光强为I0，透过薄膜的光强为I，由朗伯比尔公式[31]，得到如下关系：
A=-lgT=-lg（I/I0）=kb
式中:
A表示吸光度，
T表示透射率，
k表示吸光系数（与不同材料有关），
b表示薄膜厚度。
2.1.3NDIR（Non-DispersiveInfra-Red无弥散红外线）测厚原理
用一个宽波长范围的光源，透过测量物，用两个窄带滤光片分别在检测器之前滤光，两个检测器一个作为传感器，一个作为参比传感器，对比两个检测的信号。
通过分析测量物对特定频率光波的吸收损耗来计算测量物的成分、浓度、厚度等参数[32]。
由于塑料薄膜含OH、NH、CH基的化合物在近红外和中红外、乃至远红外区域发生对光的吸收[33]。
因此，可以根据对入射红外线吸收的程度来测定吸收体的厚度。
图2.1测厚原理图
2.2测厚仪数据采集与处理系统功能简介
本系统主要完成以下功能:
一、硬件部分：
（一）光源控制：
标定或测量数据时，先点亮第一路灯，采集完本路数据后熄灭，如此重复操作剩余四路，直至标定完成或停止测量。
（二）数据采集：
先采集本组的第一路：
打开光源后待其稳定，开始采集数据，采集十个数据后熄灭灯，进行下一路采集，5路采集完成后停止采集（标定时）或继续采集下一组（测量数据时），手动停止测量时需等该组5路数据采集完成。
二、软件部分：
（一）输入：
在5个编辑框中输入5路的已知的薄膜厚度（标定用）。
（二）输出:
将标定时采集五路数据的平均值显示在五个编辑框内。
（可复制）
（三）四个按钮：
1、标定：
采集五路数据，求出数据的平均值，与输入的相应5组厚度，作为已知量求解测厚方程系数。
2、测量：
采集五路数据，求出数据的平均值，带入测厚方程求解厚度。
如此重复。
3、停止：
停止测量程序。
4、保存数据：
将显示在界面的厚度数据保存至运行根目录下的excel文档并显示。
（四）显示：
1、将每路采集的十个数据显示在相应的区域，并在其后显示平均值。
2、将每次计算出的厚度显示在表格中，并实时添加新的厚度。
3、将累计得到的五路厚度用曲线表示在相应的区域。
2.3测厚仪数据采集与处理系统的总体方案设计
图2.2总体系统框
（其中每一路的采集电路参见2.1测厚原理图）
操作人员可通过软件界面的控制按钮对测量系统进行控制，系统内部的软件程序通过调用动态链接库中的接口函数可以对采集卡进行相应的控制，而采集卡通过5路数字输出可以控制光源的开关。
从而达用软件控制整个系统的目的。
2.4本章小结
本章从整体上介绍了系统的测厚理论及其功能与设计方案，说明了系统的工作流程，为其的具体设计和实现提供了方向，下面的系统设计皆以完成以上功能为目的而进行。
3系统硬件部分介绍
3.1主要硬件选型
3.1.1采集卡
MPS-020101数据采集卡是一款基于USB总线的24位多功能微弱信号数据采集卡，具有4路差分（或8路单端）24位模拟信号采集，集成可编程增益放大器、Bornout检测、板载参考电压输出等功能，并具有2路电流信号输出和8路数字信号输入/输出端口。
可用于实验室、产品质量检测中心和大专院校等各种领域的数据采集、分析和数据处理系统，也可用于工业现场的过程监控系统，尤其适用于微弱信号的检测。
MPS-020101采用USB2.0全速总线接口，向下兼容USB1.1接口。
总线极具易用性，即插即用，是便携式系统用户的最佳选择，可以完全取代以往的PCI卡。
MPS-020101可工作在Win9X/Me、Win2000/XP等常用操作系统中，并提供可供VB,VC,C++Builder,Dephi，LabVIEW，Matlab等常用编程语言调用的动态链接库，编程函数接口简单易用，易于编写应用程序。
图3.1采集卡MPS-020101
I.性能指标：
1、USB总线性能
▪USB2.0全速总线传输
▪向下兼容USB1.1接口
▪使用方便，能够实现自动配置，支持设备的热插拔即插即用
2、模拟信号输入
▪模拟输入通道:
1路差分、4路差分或8路单端
▪模拟输入量程：
±
2.5V
▪模拟输入电压：
0V-2.5V
▪模拟输入阻抗:
7M欧姆（PGA=1）
▪数据分辨率：
24Bit
▪有效分辨率：
20bit（差分，10sps）
▪非线性误差：
15ppm
▪偏移误差：
10ppm
▪温漂：
10nV/℃
▪采样率：
10sps,100sps,1000sps
▪可编程增益：
1，2，4，8，16，32，64，128
3、模拟信号输出
▪模拟输出通道:
2路电流输出
▪电流输出范围：
0-2mA
▪开路电压:
2V
▪分辨率：
8Bit（256）
0.5LSB
4、数字信号输入/输出
▪输入/输出通道：
8路
▪输入/输出模式：
全输入/全输出/半输入半输出
▪输入电平：
CMOS
▪输出电平：
CMOS
II.本次研究所使用的功能：
（1）模拟信号输入：
模拟输入通道:
：
6路单端；
模拟输入量程：
2.5V；
模拟输入电压：
0V-2.5V；
模拟输入阻抗:
7M欧姆（PGA=1）；
数据分辨率：
24Bit；
有效分辨率：
20bit（差分，10sps）；
采样率：
10sps,100sps,1000sps；
（2）数字信号输出：
输出通道：
5路；
输出电平：
CMOS（实测3.16V）。
（3）绿色信号灯：
点亮用来表示正在执行采集信号的操作。
3.1.2传感器
双通道热释电探测器（型号PY-ITV-DUAL–T039（3+1））
图3.2滤光传感器
该传感器元件内置于一个具有内部CMOS运算放大器的低噪声电路，具有一个10G欧姆反馈电阻的输出标准电压模式信号。
传感器信息：
过滤孔径2.6mm2单元尺寸1000×
1000微米最大电压8.0V
最小电压2.7V工作温度-20〜+70℃储存温度-20至+110℃
3.1.3光源
品牌:
Simon/西蒙型号:
3550LSD输入电压：
12V功率：
35W
图3.3卤素灯
3.2简化的电路（光敏电阻代替滤光传感器、led代替大功率光源）
图3.4简化电路原理图
为了证明系统可行性，在软件设计时临时搭建的一个简化电路。
其中光敏电阻代替所选的滤光传感器、led代替大功率光源。
该电路中，光敏电阻两端的电压为一节七号电池的1.5V输出电压，图中上端的总线为采集卡的5路数字输出（实测3.16V），可使采集卡控制循环点亮LED,下端的总线为采集卡的六路模拟输入（采集电压用），其中5路输入为右边的5个光敏电阻在LED照射下的电压，另一路为左端的光敏电阻在无LED照射下的电压（作为参比电压），图中电路与采集卡共地。
该电路的搭建与使用暴露了软件设计的几个问题，使其得以改正，在相对安全的条件（电压较低）下验证了测厚系统的可行性，为后期工作提供了保证。
但由于光敏电阻和LED的精度不高，容易受环境（尤其是温度）的影响，所以采集的数据不是很理想，下文会详细介绍。
3.3采集电路（使用滤光传感器和大功率光源）
为了提高采集数据的精度，以便用于数据的分析，用上文所选的器件搭建了一路采集电路。
通过控制光源的亮灭，观察传感器的采集数据的变化，确定最佳采集的时间。
传感器的电源接直流5V电源，一路输出接采集卡的第一路模拟输入，另一路输出接采集卡的第六路模拟输入，作为参照电压。
由于选择的光源是额定电压为12V的灯，而采集卡的数字信号输出电压为3.16V无法驱动。
所以选用5V继电器作为光源驱动部分，用一个开关三极管作为继电器的驱动部分。
其驱动电路如下图所示。
图3.5光源控制电路
由于3.2中的简化电路只能验证光学透射法测量薄膜厚度原理，而不能验证无弥散红外线测厚原理，所以搭建了该采集电路。
而且该电路采集的数据要优于简化电路，故数据分析是用的是该电路采集的数据。
3.4小结
本章首先介绍了薄膜测厚系统的主要硬件部分，包括采集卡，光源，滤光传感器，皆是市场上的产品。
其优点在于稳定性好，输入、输出信号明确，便于使用和控制。
之后介绍的简化的电路在初期软硬件联调时暴露了许多的软件方面的问题，使其得以改正，最后验证了系统的可行性。
最后介绍的采集电路验证了NDIR（无弥散红外线）测厚的原理，其数据的精度较高可作为分析的依据。
4系统软件设计
本软件为基于MFC对话框的应用程序，通过在程序原有主框架上添加所需控件完成。
下面介绍软件界面的设计：
利用VS2008资源管理器创建一个对话框资源；
a）添加四个按钮控件，分别作为“标定”按钮、“开始测量”按钮、“停止测量”按钮、“保存数据”按钮；
b）添加三个静态文本，用来显示“标定值”、“测量数据”、“平均值”的列表头；
c）再添加十个静态文本，其中五个用来显示五路的测量数据，一路显示十个数据，另五个用来显示五路数据的平均值；
d）添加十个编辑控件，其中五个用来输入测厚的标定厚度，另五个用来输出测得的标定电压；
e）添加一个列表控件用来显示累计的五路厚度值；
f）添加5个图片控件用来显示五路厚度的实时图像。
软件实现功能的要求如下：
1）检查硬件和动态链接库（采集卡的驱动函数）是否正常，并进行提示；
2）通过界面按钮和输入界面的数据进行薄膜厚度的标定；
3）通过界面按钮开始和结束对待测薄膜的测量，并将采集数据和计算的厚度值显示在软件界面上；
4）将测得的厚度（累计多组）用实时图像和数据两种形式显示在界面上，并可以将数据保存到外部Excel文档中。
下图为软件系统的工作流程图。
图4.1软件系统流程图
4.1采集卡的使用
MPS-020101数据采集卡带有动态链接库，提供了使用数据采集卡的各种接口函数，使用这些函数进行项目的开发会节省大量的时间。
下面对动态链接库的调用和这些接口函数进行简略的说明。
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