超級(jí)電容器薄膜厚度在線檢測方法研究與實(shí)現(xiàn)

丁 博，喬 昱，陳幼平，王德剛

（1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074；2.武漢市工程咨詢部，湖北 武漢430074）

0 引言

超級(jí)電容器是一種兼具普通電容器與化學(xué)電池優(yōu)點(diǎn)的儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、能量密度大、壽命長、充放電速度快、放電電流大和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、軍工、軌道交通、航空、后備電源、光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［1］。碳電極超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)類似于鋰電池。其生產(chǎn)工藝為將碳粉均勻涂覆至鋁箔表面，待鋁箔正反兩表面均涂覆碳層后，將鋁箔卷繞最終制成柱狀超級(jí)電容器。

生產(chǎn)過程中涂覆碳層的厚度控制直接影響電容的品質(zhì)與安全。由于涂覆碳層厚度小，環(huán)境噪聲和機(jī)器本身震動(dòng)，涂布工藝穩(wěn)定性差等因素，厚度檢測和控制困難，而涂覆碳層本身控制精度要求高。因此，設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定實(shí)用的檢測方案尤為重要［2］。

作為超級(jí)電容薄膜厚度檢測控制系統(tǒng)的一個(gè)部分，使用工控機(jī)為載體，Keyence公司的IL030激光測距傳感器作為檢測元件，NI公司數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用LabVIEW可視化軟件編寫數(shù)據(jù)采集和濾波程序來獲取碳層厚度。檢測方案結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，很好地滿足項(xiàng)目要求。

1 厚度檢測系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)

測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用激光反射檢測的方法測得碳層的厚度。部分專家采用C形對(duì)稱布置的2個(gè)激光傳感器，用差分的方法求得所測薄膜的厚度。這是一種常用的有效的檢測方式［3］。但是本涂布機(jī)的生產(chǎn)工藝中，熱風(fēng)烘干給鋁箔帶來了幅度極大的震動(dòng)。如采用差分形對(duì)稱布置激光傳感器，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鋁箔震動(dòng)超出檢測范圍的情況。因此，針對(duì)現(xiàn)場情況，設(shè)計(jì)了如圖2的檢測方案。檢測裝置由傳感器龍門架、激光傳感器和固定軸組成。當(dāng)鋁帶經(jīng)過圓柱固定軸最上端時(shí)，配合一定的張力使得鋁帶的震動(dòng)最小。采用多個(gè)傳感器可以對(duì)多個(gè)傳感器值進(jìn)行平均得到整體厚度，也可以檢測刮刀位置是否水平。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 單端檢測方案結(jié)構(gòu)

a.檢測原理。涂覆完成的碳層在進(jìn)入烘箱前檢測涂布在鋁箔上的濕漿料的厚度，經(jīng)過烘干后，使用千分尺檢測干碳層的厚度，得到干、濕碳層的厚度變化規(guī)律。以檢測濕碳層厚度間接得到干碳層的厚度。因烘箱長度超過10m。因此，使用這種檢測原理可以及時(shí)檢測碳層厚度變化，減小檢測延時(shí)。

b.檢測方法。安裝鋁箔，待鋁箔安裝到位，涂布機(jī)張力正常時(shí)矯正傳感器，此時(shí)厚度值設(shè)為0；開始涂布，當(dāng)涂布后的鋁箔經(jīng)過檢測點(diǎn)時(shí)，傳感器測得的厚度為濕碳層厚度，計(jì)算得到干碳層厚度。

2 檢測數(shù)據(jù)處理算法

在超級(jí)電容的生產(chǎn)中，精確的在線測厚是制造環(huán)節(jié)中重要的控制節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于檢測現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾因素多，如流體炭層表面特性，基帶和機(jī)器本身的震動(dòng)和現(xiàn)場噪聲等，都嚴(yán)重影響了檢測結(jié)果的精度［4］。而單純采用提高檢測環(huán)境或者檢測原件質(zhì)量不僅效果一般，而且不具經(jīng)濟(jì)型。因此，此類檢測系統(tǒng)的重點(diǎn)在于通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)選擇合適的處理方法進(jìn)行分離或者抑制誤差，迅速準(zhǔn)確得到實(shí)際碳層厚度。

2.1 生產(chǎn)過程中原始數(shù)據(jù)特點(diǎn)

對(duì)傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在生產(chǎn)過程中一般會(huì)出現(xiàn)3種情況。如圖3所示。

圖3 實(shí)際生產(chǎn)中數(shù)據(jù)總體

2.1.1 階梯形變化

此類曲線表明涂覆碳層厚度發(fā)生階梯形變化，厚度發(fā)生突變并在一段時(shí)間維持在該厚度。有多種原因會(huì)形成這種變化，如涂布開始及結(jié)束階段碳層厚度突變和鋁箔部分沒有涂覆上濕碳層等因素。實(shí)際生產(chǎn)過程中這種突變的時(shí)間長，在正常生產(chǎn)中出現(xiàn)該情況則需要停機(jī)檢查。

2.1.2 單方向波形變化

此類厚度趨勢變化說明涂覆碳層厚度在向一個(gè)方向發(fā)生變化，標(biāo)志碳層厚度在穩(wěn)定增加或者減小，通常是漿料粘稠度或者溫度變化和輥速比改變所造成。如果波動(dòng)超過了允許的變化范圍，則需要控制PLC調(diào)整輥速比，保證涂布厚度在質(zhì)量范圍內(nèi)。

2.1.3 短時(shí)大幅度波動(dòng)變化

此類厚度趨勢變化說明厚度在一定范圍內(nèi)發(fā)生短時(shí)幅度較大的不規(guī)律變化，是較常見的需要關(guān)注的波形。通常是因?yàn)樵O(shè)備（輥縫、傳動(dòng)、烘箱）工作不穩(wěn)定或者漿料準(zhǔn)備問題造成。波動(dòng)如果超過涂布品質(zhì)要求范圍，則需要檢查可能影響涂布生產(chǎn)的環(huán)節(jié)。

2.2 小波濾波算法原理

小波分析作為近些年來逐步發(fā)展起來的數(shù)學(xué)分支，因其采用時(shí)域和頻域聯(lián)合來表示信號(hào)的特征在信號(hào)處理、故障診斷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。小波濾波的原理：假定有效信號(hào)表現(xiàn)為低頻信號(hào)且相對(duì)比較平穩(wěn)，而噪聲信號(hào)為高頻信號(hào)。將原始信號(hào)進(jìn)行小波分解后，噪聲部分主要集中在高頻小波系數(shù)中。包含有效信號(hào)的小波系數(shù)幅值較大數(shù)目少；而噪聲信號(hào)的的小波系數(shù)幅小數(shù)目多。在進(jìn)行小波濾波時(shí)，為消除噪聲可令高頻段的小波分解系數(shù)為零，然后對(duì)信號(hào)重構(gòu)即可達(dá)到消噪的目的，得到誤差抑制處理后的被測膜厚度。小波去噪的流程如圖4所示。

圖4 小波去噪流程

采用Mallat塔式分解算法進(jìn)行正交小波變換時(shí)，信號(hào)可以用多尺度分解公式得：

分解系數(shù)cj，k和dj，k分別稱為離散平滑近似信號(hào)和離散細(xì)節(jié)信號(hào)，遞推公式為：

h0和h1分別為低通數(shù)字濾波器和高通數(shù)字濾波器的單位抽樣相應(yīng)。

在完成小波分解后，小波閾值的濾波方法主要由閾值，閾值函數(shù)和分解層數(shù)3個(gè)因素決定。根據(jù)基本的噪聲模型，閾值的選取規(guī)則主要有4種，即固定閥值、無偏似然估計(jì)閾值、啟發(fā)式閾值和極大極小值閾值。有專家提出在薄膜檢測中不管采用哪種閾值規(guī)則，信噪比都隨著分解層數(shù)的增加下降，當(dāng)分解層數(shù)大于4時(shí)信噪比的變化趨于緩慢，無偏似然估計(jì)閾值法較其他規(guī)則降噪的信噪比高［5］。在本項(xiàng)目中采用分解階數(shù)為4的無偏似然估計(jì)閾值小波進(jìn)行信號(hào)處理。無偏似然估計(jì)確定閾值的算法：將輸入信號(hào)x（k）序排列得到x1（k），令y（k）＝（k），則無偏似然估計(jì)值計(jì)算公式為：

圖5 閾值計(jì)算程序

在LabVIEW中閾值計(jì)算模塊程序如圖5所示。在閾值計(jì)算完成濾波處理后，需要將有用信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)得到信號(hào)。小波重構(gòu)的Mallat算法跟分解算法正好相反。小波分解和重構(gòu)的模塊在Lab－VIEW中Advanced Signal Processing工具包中有對(duì)應(yīng)模塊。

2.3 粗大誤差判別

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)曲線可能發(fā)生短時(shí)跳動(dòng)的情況，且震動(dòng)幅度較大。這些數(shù)據(jù)難以反映實(shí)際的生產(chǎn)狀況，且容易形成震蕩控制，極大地影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在進(jìn)行小波濾波前，使用了3σ準(zhǔn)則來有效的判別和剔除粗大誤差。

3σ準(zhǔn)則假設(shè)一組檢測數(shù)據(jù)只含的誤差為正態(tài)分布，計(jì)算出該組的標(biāo)準(zhǔn)偏差。若給定此數(shù)據(jù)的置信水平為P＝99.7，確定區(qū)間為3σ，認(rèn)為凡超過這個(gè)區(qū)間的誤差，就不應(yīng)該屬于粗大誤差，該數(shù)據(jù)應(yīng)該剔除。對(duì)于一組檢測數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn。設(shè)某一檢測值xi的檢測誤差為vi，vi＝xi－。標(biāo)準(zhǔn)差為：

剔除殘余誤差應(yīng)滿足｜vi｜＞3σ程序處理的流程如圖6所示。

圖6 粗大誤差判別剔除流程

當(dāng)鋁箔移動(dòng)速度為83mm／s時(shí)。圖7表示的是原始數(shù)據(jù)。

圖7 原始數(shù)據(jù)

圖8表示原始數(shù)據(jù)經(jīng)過粗大誤差判定后所得波形，可以看出原始數(shù)據(jù)中偏差較大的幾個(gè)點(diǎn)被剔除。

圖9是剔除粗大誤差后經(jīng)過小波濾波后所得數(shù)據(jù)。經(jīng)過2次濾波后，噪聲和粗大誤差都得到了很好地抑制，得到的波形較為平穩(wěn)，處理后的數(shù)據(jù)能夠很好地反應(yīng)實(shí)際涂覆碳層厚度。

圖8 粗大誤差判別剔除后數(shù)據(jù)

圖9 小波濾波后數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

提出了一種碳電極超級(jí)電容薄膜厚度在線檢測的方法，能夠很好地檢測出薄膜碳層厚度，再加上適當(dāng)?shù)目刂扑惴▌t可以達(dá)到生產(chǎn)自動(dòng)控制的目的。目前，系統(tǒng)已在生產(chǎn)線上投入使用，經(jīng)測試運(yùn)行各部分功能正常，檢測精度能夠達(dá)到±3μm，提高了超極電容生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和質(zhì)量。隨著超級(jí)電容以及類似產(chǎn)品需求的不斷增加，薄膜厚度檢測和數(shù)據(jù)處理技術(shù)今后必將獲得更為廣泛的應(yīng)用。

［1］ 郎 鵬，任 劍.發(fā)展我國鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵工藝設(shè)備思考［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，（11）：23－26.

［2］ 曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級(jí)電容在電動(dòng)車中的應(yīng)用研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（11）：1317－1322.

［3］ 郭全喜.基于DSP技術(shù)的激光三角法檢測裝置的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［4］ 連 軍.激光測厚儀在鋰電池極片生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.電源技術(shù)研究與設(shè)計(jì)，2012，（36）：186－187.

［5］ 臧玉萍，張德江，王維正.小波分層閾值降噪法及其在發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)信號(hào)分析中的應(yīng)用［J］.震動(dòng)與沖擊，2009，（8）：57－60.