使用近紅外LED光源測量塑料薄膜的厚度

莫長濤,郇　帥，蘇海林

(1.哈爾濱商業(yè)大學 基礎科學學院，黑龍江 哈爾濱 150028；

2.哈爾濱博海瑞林公司，黑龍江 哈爾濱 150080)

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使用近紅外LED光源測量塑料薄膜的厚度

莫長濤1,郇帥1，蘇海林2

(1.哈爾濱商業(yè)大學 基礎科學學院，黑龍江 哈爾濱 150028；

2.哈爾濱博海瑞林公司，黑龍江 哈爾濱 150080)

摘要：自制近紅外LED厚度傳感器綜合實驗儀. LED發(fā)出波長為0.936 μm的單色紅外光，由硫化鉛探測器接收單色光源照射到被測塑料薄膜后光的強度，信號經(jīng)放大器放大由控制器計算顯示被測塑料薄膜的厚度. 選定最佳工作距離14 mm、最佳工作電流100 mA進行實驗，厚度測量相對偏差在2.0%以內.

關鍵詞：厚度；LED光源；近紅外；塑料薄膜

塑料薄膜的應用領域涉及包裝材料、絕緣材料、感光材料、磁帶基材、農用薄膜、玻璃貼膜等，厚度范圍可由幾微米到幾百微米. 普通的塑料薄膜基本上采用吹塑、壓延等成型工藝生產，如聚乙烯膜、聚氯乙烯膜，對于雙向拉伸薄膜的生產來說，在生產過程中對其厚度的均勻性要求很高，由于雙向拉伸薄膜生產線是高速、連續(xù)化的工作模式，其工作速度高達300 m/min，因此對雙向拉伸薄膜的厚度檢測采用精度很高、非接觸式測厚儀和反饋控制系統(tǒng)進行自動檢測和控制[1-4]. 上述方法不足之處是受環(huán)境溫度與薄膜在傳感器間隙內抖動影響以及核技術的采用對環(huán)境污染，本文提出一種設計合理、使用便捷的近紅外LED厚度測量儀. 由于采用了不發(fā)熱的LED[5]紅外光源，可以省去鹵鎢燈、濾光輪、準直聚焦器、電機等設備，特別是省去了笨重的冷卻系統(tǒng)，減少了儀器體積，降低了成本，并且紅外光源采用脈沖電源供電，使得儀器的結構簡單、性能穩(wěn)定，提高了測量精度.

1實驗原理

(1)

其中k為吸收系數(shù)，由媒質的特性決定. 對于厚度為l的介質層，由(1)式得

lnI=-kl+C,

(2)

其中,C為積分常數(shù)，如當l=0時，I=I0，則C=lnI0，代入(2)式有

I=I0e-kl,

(3)

這就是朗伯定律的數(shù)學表示式.

固體材料的吸收系數(shù)主要是隨入射光波長而變，其他因素影響較小. 而液體的吸收系數(shù)卻與液體的濃度有關[6]. 實驗證明，在很多情況下，當氣體的分子或溶解在溶劑(實際上是不吸收光的溶劑)里的某些物質的分子吸收光時，吸收系數(shù)跟光波通過的路程上單位長度內吸收光的分子數(shù)也就是跟濃度c成正比. 因此，比爾(Beer)指出：溶液的吸收系數(shù)k與濃度c成正比，即

k=α′c,

式中α′為與濃度無關的常數(shù)，它只決定于分子的特性，于是(3)式變?yōu)?/p>

I=I0e-α′cl.

(4)

或

A=αcl,

(5)

(5)式為朗伯-比爾定律的數(shù)學形式[7]. 當朗伯-比爾定律成立時，可用測量吸收測定物質的厚度. 即快速測定物質厚度的吸收光譜分析法.

2實驗裝置

測量裝置由探頭、主機組成，方框圖如圖1所示. 采用單色紅外光源，波長為0.936 μm. 它發(fā)出的單色紅外光照射到被測塑料薄膜后，能夠由硫化鉛探測器接收單色光源照射到被測物質后紅外光源的強度信號，然后經(jīng)過放大器放大由控制器計算顯示出被測薄膜的厚度.

圖1　近紅外LED塑料薄膜厚度測量儀結構圖

3實驗內容

3.1　單色LED發(fā)光特性測試

測試單色LED的伏安特性，畫出實驗曲線，用以觀測單色LED實驗過程中發(fā)光穩(wěn)定性及電壓隨電流的變化規(guī)律.

1)調節(jié)單色LED電流調節(jié)旋鈕至最小值，記錄電流值與電壓值.

2)順時針旋轉電流調節(jié)旋鈕，增大電流，以10 mA為步長，記錄電流值與電壓值，測試到電流為200 mA時結束.

3)作出LED伏安特性曲線.

3.2　最佳工作距離選定

單色LED發(fā)光到光電探測器接收，不同的距離具有不同的靈敏度. 通過選定最佳的工作距離可為厚度測量確定最高靈敏度.

1)調整單色LED與光電探測器之間的工作距離，選擇較大工作距離L1開始實驗，即光電探測器顯示最小的位置，記錄單色LED電流數(shù)值I1，光電探測器輸出電壓U1.

2)在工作距離L1不變情況下，改變單色LED供電電流，測試在供電電流I1,I2，I3,……對應的光電探測器輸出電壓U1,U2,U3,……

3)改變工作距離為L2，再次測試不同單色LED供電電流時對應的光電探測器輸出電壓U1,U2,U3,……以此類推形成數(shù)據(jù)表格.

4)通過實驗數(shù)據(jù)繪制曲線，找出最佳工作距離L最佳.

3.3　最佳LED工作電流選定

確定最佳工作距離后，測試在何種LED工作電流下厚度測量線性最佳、靈敏度高. 確定單色LED與光電探測器之間的工作距離L最佳，選定不同的單色LED工作電流為20,30,40,70,100,130,170,200 mA下的膜片厚度d與輸出電壓U的關系，記錄數(shù)據(jù)，畫出曲線，找出線性度最佳、靈敏度較高的情況下的工作電流.

3.4　最佳LED供電頻率選定

確定最佳工作電流大小后，測試 LED不同供電頻率下輸出電壓隨厚度的變化，選擇最佳的曲線線型. 確定單色LED與光電探測器之間的最佳工作距離L最佳及最佳LED工作電流后，選定不同的單色LED電流頻率0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1 kHz，測試在以上頻率下厚度與輸出電壓之間的關系曲線，分析曲線找出最佳線型，選定出最佳LED電流頻率.

3.5　厚度的測量

1)打開厚度傳感器實驗儀軟件，屏幕顯示如圖2所示.

圖2　厚度傳感器實驗儀軟件界面

2)標定

a.打開儀器電源與光源，并在測試前預熱15 min，以達到穩(wěn)定光源輸出功率的目的.

b.將已知厚度的薄膜(100 μm)放入測量頭和發(fā)射頭之間， 觀察儀表顯示的光源強度信號變化，范圍在1 000~5 000之間靈敏度最高. 在顯示屏幕上選擇厚度傳感器設計， 進入厚度傳感器設計界面，點擊“標準化”按鍵，確定發(fā)射光強與吸收光強，將已知厚度的薄膜放入測量頭和發(fā)射頭之間，在被測厚度L窗口輸入標準薄膜的厚度值100 μm，記錄吸收系數(shù)窗口的數(shù)值，該數(shù)值就是被測薄膜的厚度吸收系數(shù)，點擊“確定吸收系數(shù)”按鍵，標定結束.

c.按退出鍵，在主菜單下選擇厚度測量，進入厚度測量界面.

d.在吸收系數(shù)窗口輸入上述測量記錄的吸收系數(shù).

3)膜厚度的測量

標定儀器后，將相同材料不同厚度的薄膜放入測量頭和發(fā)射頭之間，厚度窗口會自動顯示被測薄膜的厚度.

4結果與討論

4.1　最佳工作距離選定

在不同的工作距離L下，測量LED工作電流I與輸出電壓U的關系曲線，如圖3所示.

圖3　最佳工作距離選定曲線

通過實驗曲線可見，不同工作距離下，單色LED電流I與輸出電壓U成線性關系. 工作距離L越小，直線斜率越大，輸出電壓U隨輸出電流I變化越顯著，即檢測靈敏度越高. 因此，選取工作距離為10 mm靈敏度最大. 考慮實際工程情況，欲將膜片準確放入測試位置，工作距離太小

將無法操作，因此選定工作距離L為14 mm，既實現(xiàn)了高靈敏度檢測，也可實現(xiàn)工程操作.

4.2　最佳LED工作電流選定

在工作距離為14 mm的實驗條件下，測試不同LED工作電流I下的厚度-輸出電壓實驗曲線，如圖4所示.

圖4　工作距離為14 mm厚度d與輸出電壓U的關系曲線

由圖4可見，厚度d與輸出電壓U間呈e指數(shù)衰減，工作電流愈大，e指數(shù)曲線衰減規(guī)律愈明顯；工作電流愈小，曲線愈變化愈平緩，靈敏度愈小，即明顯的厚度變化不能引起明顯的光強度衰減. 因此，選定70,100,130 mA作為檢測中LED的工作電流，既具有較高的靈敏度也具備良好的線性關系.

4.3　最佳LED供電頻率選定

在最佳工作距離為14 mm,最佳工作電流為100 mA條件下，在不同頻率下測試厚度與輸出電壓的對應關系，實驗曲線如圖5所示. 由圖5可見，厚度與電壓之間呈e指數(shù)衰減. 當頻率為0.3 kHz，0.4 kHz時，曲線的開始有一段飽和，在飽和段，隨著厚度增加，輸出電壓保持不變；當頻率為0.8 kHz，1.0 kHz時，厚度與輸出電壓之間的變化不明顯，即隨著厚度的增加電壓雖然在衰減，但衰減率較小，測試靈敏度較低. 因此選擇0.6 kHz或0.7 kHz作為實驗中選定的LED電流頻率. 在此頻率工作下，有較高的檢測靈敏度.

圖5　不同LED電流頻率下厚度d與輸出電壓U的關系曲線

4.4　薄膜厚度的測量

檢測5片未知厚度的樣品，每個樣品檢測5次. 選定最佳工作距離14 mm，最佳工作電流為100 mA進行實驗，數(shù)據(jù)見表1.

表1　5片未知厚度樣品檢測數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)表明:當被測塑料薄膜的厚度在量程范圍時，測量相對偏差在2.0%以內.

5結束語

在物理創(chuàng)新實驗周實驗教學中，對本科生開設該實驗，使學生在課堂上所學的理論知識和實驗中觀察的實驗現(xiàn)象有機結合，從而激發(fā)學生的學習興趣，提高對理論知識探究的積極性，為學生發(fā)揮創(chuàng)造性思維奠定了基礎. 通過實驗可以看出，用近紅外LED光源測量塑料薄膜厚度,提高了厚度測量精度. 采用新穎的觸摸屏結構，所有功能部件均為組合式一目了然，增強了物理創(chuàng)新實驗的精確度和可信度. 在進行實驗研究的過程中，學生加強了創(chuàng)新意識，提高了提出問題、解決問題的能力，并且發(fā)揚了小組成員間的協(xié)同合作的團隊精神，同時在探求知識的過程中，培養(yǎng)了學生認真、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度.

參考文獻：

[1]蘇海林，趙娣. 低能γ射線反散射法測量塑料薄膜厚度的研究[J]. 傳感器與檢測技術, 2006，27(6)：455-457.

[2]李彥，李眾，俞孟蕻. 塑料薄膜厚度控制算法設計[J]. 華東船舶工業(yè)學院學報，1998,12(6)：48-52.

[3]杜鑫，莫長濤，賀平，等. 多路單色光源水分測量方法的研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版)，2010，26(3)：314-317.

[4]鄧湘，鄭義忠. 塑料薄膜及涂層厚度在線測量研究[J]. 計量學報，2001，22(4)：268-271.

[5]李秀梅，吳群勇，肖韶榮. 發(fā)光二極管的光電特性測試實驗[J]. 物理實驗，2013,12(33)：1-4.

[6]郇帥，呂加，王明，等. 基于光譜吸收法經(jīng)皮給藥藥液濃度檢測研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學校報(自然科學版)，2014，30(3)：332-334.

[7]章新友. 藥用物理學[M]. 南昌：江西高校出版社,2013：194.

[責任編輯：任德香]

資助項目：黑龍江省高等教育教學改革項目(No.JG2013010325)

Measuring the thickness of plastic film

using near infrared LED sources

MO Chang-tao1, HUAN Shuai1, SU Hai-lin2

(1. College of Foundation Science, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China；

2. Harbin Bohairuilin Company， Harbin 150080, China)

Abstract:A thickness measurement instrument was set up with near infrared LED sources. The emission and detection optical paths of near infrared (0.936 μm) LED sources were designed, and a non-destructive detection of the thickness of different plastic films was carried out. The results showed that the measurement error of thickness was within 2% when the optimum distance was 14 mm and the optimum current was 100 mA.

Key words:thickness; LED source; near infrared; plastic film

中圖分類號：O484.5

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)01-0009-05

作者簡介：莫長濤(1964-)，男，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱商業(yè)大學基礎科學學院教授，博士，主要從事光電技術與傳感技術的研究.

收稿日期：2015-06-11；修改日期：2015-07-20