专利名称：Led式固态红外薄膜厚度测量方法
技术领域：
本发明涉及LED式固态红外薄膜厚度测量方法，属于光学领域。
背景技术：
在薄膜的生产过程中，薄膜厚度的在线测量相当重要。在生产线上，聚酯薄膜纵向 行走，通过测量探头获取薄膜各个位置的厚度。目前已知的常用厚度测量方法有射线法、超 声波法、红外透射法等。红外透射法作为一种传统的厚度测量方法，长期在聚酯薄膜的厚度 测量中占有统治地位。传统红外线透射测厚方法采用卤素灯炮作为光源1，参见图1所示，光线经透镜会
聚成平行光至调制盘3上，调制盘3分别装有测量波长Jtlf的滤光片4和测量参比波长Λι
的滤光片5，再由同步电机6带动调制盘3切割透过的平行光源，经滤光后的两束单色光脉 冲交替地照射薄膜7，经薄膜7吸收后，透射光聚集到PbS传感器8上，并转变成电信号送到 信号运算和处理单元9，最终由厚度显示仪10显示出被测聚酯薄膜7的实测厚度值。传统红外线测厚方法的两个波长红外光是由调制盘3旋转调制获得的，由于调制 盘3的调制频率低(大约在60Hz左右)，因此测量光与参比光在时间上存在一定的相位差。 而双向拉伸薄膜和流延膜通常以300m/min以上的速度运行，因此两束红外波长并非真的 照射在同一区域，即在薄膜7的测量空间上存在一定的偏移，这就会造成测量的误差，同时 也会使响应速度降低。此外，调制盘3的机械运动还会增加系统的误差，降低系统的可靠 性。

发明内容
本发明目的是为了解决采用传统的红外透射法测量薄膜厚度测量误差大、响应速 度低的问题，提供了一种LED式固态红外薄膜厚度测量方法。本发明的方法为
吸收光LED在光源调制电路的控制下输出波长3. 4 μ m的光脉冲，参比光LED在光源调 制电路的控制下后输出波长3. Iym的光脉冲，所述两路不同波长的光同时打在薄膜的同 一位置上，透过薄膜的两路光由PbSe传感器吸收并输出电压信号，信号运算和处理单元在 光源调制电路输出的同步控制信号的控制下接收所述电压信号，信号运算和处理单元根据 接收的电压信号获取薄膜的厚度信息。本发明的优点本专利提出的LED式固态红外薄膜厚度测量仪依据红外能量吸收 原理，采用双光路设计、固态光电传感器，通过比较吸收波长和参比波长的信号变化，准确 地测量出薄膜的厚度。克服了双向拉伸薄膜和流延膜的高速、连续化生产过程中厚度测量 的相位差问题，显著的提高了测厚系统的精度、响应速度和可靠性。同时该红外测厚仪还 具有对环境的温度、湿度、空气压力、灰尘和薄膜拉伸方向不敏感，运行可靠，安装简便的优 点ο


图1是背景技术中传统红外线测厚方法原理图，图2是本发明测量薄膜厚度方法 的原理图，图3是信号运算和处理单元获取薄膜厚度信息的原理图，图4是3. 1 μ m的光脉 冲信号示意图，图5是3. 4μ m的光脉冲信号示意图，图6是信号运算和处理单元提取出的 光信号示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式为 吸收光LED2在光源调制电路1的控制下输出波长3. 4 μ m的光脉冲，参比光LED3在光
源调制电路1的控制下后输出波长3. 1 μ m的光脉冲，所述两路不同波长的光同时打在薄膜 4的同一位置上，透过薄膜4的两路光由PbSe传感器5吸收并输出电压信号，信号运算和处 理单元6在光源调制电路1输出的同步控制信号的控制下接收所述电压信号，信号运算和 处理单元6根据接收的电压信号获取薄膜4的厚度信息。信号运算和处理单元6将所述厚 度信息输出给厚度显示仪7显示。本系统光源采用GaSb-InAs红外发光管，取代传统的β射线式传感器或卤素灯光 源，薄膜4的主要成份为-CH-基团，采用对-CH-基团具有强烈吸收的3. 4 μ m波长作为对 薄膜4的吸收波长，3. 4 μ m波长光脉冲的波形图如图5所示，同时选用对薄膜4基本不吸 收的3.1 μ m波长作为参比波长，3. 1 μ m波长光脉冲的波形图如图4所示。3. 4 μ m波长 的光透过薄膜4的程度小，PbSe传感器5对其感应，产生的光信号的强度就小，而3. 1 μ m 波长的光透过薄膜4的程度大，PbSe传感器5对其感应，产生的光信号的强度大，调制后的 两路光脉冲分别穿透被测薄膜后，由PbSe传感器5 (硫化铅)接收，并将其转化成光电流信 号，由信号运算和处理单元6处理，计算出薄膜4的厚度，信号运算和处理单元6提取出两 路光脉冲的电压信号如图6所示。根据前述可知，3. 4μ m波长的光透过率低，3.1 μ m波 长的光透过率低，图6中幅值大的一组波形为对应3. 1 μ m波长光脉冲的电压信号U1，幅值 小的一组波形为对应3. 4μ m波长光脉冲的电压信号U2。通过比较吸收波长和参比波长的 信号变化，就可以获得薄膜4的厚度值。具体计算过程如下
设被测薄膜4的厚度为D，其通过如下公式获得 D=K* (U1-U2)/U1。其中K为标定系数，通过测量一个已知厚度为Dtl的标准薄膜获得，具体为 K=D0Wl0/(Ul0-U20)，Ul0为厚度为Dtl的标准薄膜对应3. 1 μ m波长光脉冲的电压信号，U20 为厚度为Dtl的标准薄膜对应3. 4μ m波长光脉冲的电压信号。本发明方法采用电子调制方式，与传统的单卤素灯光源，调制盘调制的方法相比， 取消了机械动态调制机构，从而提高了测量的精度、稳定性和响应速度，同时也提高了系统 的可靠性。通过本专利方法所设计的薄膜厚度测量仪可以高精度、高速和可靠地在线检测双向拉伸薄膜和流延膜的厚度分布。吸收光LED2和参比光LED3采用GaSb-InAs红外发光管。由于LED发光管对温度的变化比较敏感，所以必须对其温度进行控制，以保证LED 发光管输出光的波长和光强稳定。吸收光LED2、参比光LED3和PbSe传感器5均配套设置 一个温控电路8。
信号运算和处理单元6获取薄膜4的厚度信息的过程为将PbSe传感器5输出的电信号首先进行前置放大处理，然后在光源调制电路1的同步控制信号的控制下对放大处 理后的信号进行同步积分，提取出对应两路不同波长光脉冲的信号，然后进行滤波、整流， 再进行A/D转换处理，最后由DSP进行运算处理，来获得薄膜4的厚度信息。
权利要求
一种LED式固态红外薄膜厚度测量方法，其特征在于，该方法为吸收光LED(2)在光源调制电路(1)的控制下输出波长3.4μm的光脉冲，参比光LED(3)在光源调制电路(1)的控制下后输出波长3.1μm的光脉冲，所述两路不同波长的光同时打在薄膜(4)的同一位置上，透过薄膜(4)的两路光由PbSe传感器(5)吸收并输出电压信号，信号运算和处理单元(6)在光源调制电路(1)输出的同步控制信号的控制下接收所述电压信号，信号运算和处理单元(6)根据接收的电压信号获取薄膜(4)的厚度信息。
2.根据权利要求1所述的LED式固态红外薄膜厚度测量方法，其特征在于，吸收光LED (2)和参比光LED ( 3)采用GaSb-InAs红外发光管。
3.根据权利要求1所述的LED式固态红外薄膜厚度测量方法，其特征在于，吸收光LED (2)、参比光LED (3)和PbSe传感器(5)均配套设置一个温控电路(8)，保持吸收光LED (2)、 参比光LED (3)和PbSe传感器(5)的工作温度稳定。
4.根据权利要求1所述的LED式固态红外薄膜厚度测量方法，其特征在于，信号运算 和处理单元(6)获取薄膜(4)的厚度信息的过程为将PbSe传感器(5)输出的电信号首先 进行前置放大处理，然后在光源调制电路(1)的同步控制信号的控制下对放大处理后的信 号进行同步积分，提取出对应两路不同波长光脉冲的信号，然后进行滤波、整流，再进行A/D 转换处理，最后由DSP进行运算处理，来获得薄膜(4)的厚度信息。
全文摘要
LED式固态红外薄膜厚度测量方法，属于塑料薄膜厚度光学测量领域，本发明为解决采用传统的红外透射法测量薄膜厚度测量误差大、响应速度低的问题。本发明方法为吸收光LED在光源调制电路的控制下输出波长3.4μm的光脉冲，参比光LED在光源调制电路的控制下后输出波长3.1μm的光脉冲，所述两路不同波长的光同时打在薄膜的同一位置上，透过薄膜的两路光由PbSe传感器吸收并输出电压信号，信号运算和处理单元在光源调制电路输出的同步控制信号的控制下接收所述电压信号，信号运算和处理单元根据接收的电压信号获取薄膜的厚度信息。本发明方法用于在线测量薄膜的厚度。
文档编号G01B11/06GK101839695SQ20101020832
公开日2010年9月22日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者何平, 何露雅, 刘俊武, 杨旭东, 钱玉恒 申请人:哈尔滨工业大学