使用近紅外LED光源測(cè)量塑料薄膜的厚度

莫長(zhǎng)濤,郇　帥，蘇海林

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)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(cè)量塑料薄膜的厚度

莫長(zhǎng)濤1,郇帥1，蘇海林2

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)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(shí)驗(yàn)儀. LED發(fā)出波長(zhǎng)為0.936 μm的單色紅外光，由硫化鉛探測(cè)器接收單色光源照射到被測(cè)塑料薄膜后光的強(qiáng)度，信號(hào)經(jīng)放大器放大由控制器計(jì)算顯示被測(cè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，厚度測(cè)量相對(duì)偏差在2.0%以?xún)?nèi).

關(guān)鍵詞：厚度；LED光源；近紅外；塑料薄膜

塑料薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域涉及包裝材料、絕緣材料、感光材料、磁帶基材、農(nóng)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(chǎn)，如聚乙烯膜、聚氯乙烯膜，對(duì)于雙向拉伸薄膜的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)其厚度的均勻性要求很高，由于雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線是高速、連續(xù)化的工作模式，其工作速度高達(dá)300 m/min，因此對(duì)雙向拉伸薄膜的厚度檢測(cè)采用精度很高、非接觸式測(cè)厚儀和反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)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(nèi)抖動(dòng)影響以及核技術(shù)的采用對(duì)環(huán)境污染，本文提出一種設(shè)計(jì)合理、使用便捷的近紅外LED厚度測(cè)量?jī)x. 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(zhǔn)直聚焦器、電機(jī)等設(shè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，提高了測(cè)量精度.

1實(shí)驗(yàn)原理

(1)

其中k為吸收系數(shù)，由媒質(zhì)的特性決定. 對(duì)于厚度為l的介質(zhì)層，由(1)式得

lnI=-kl+C,

(2)

其中,C為積分常數(shù)，如當(dāng)l=0時(shí)，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(xué)表示式.

固體材料的吸收系數(shù)主要是隨入射光波長(zhǎng)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(guān)[6]. 實(shí)驗(yàn)證明，在很多情況下，當(dāng)氣體的分子或溶解在溶劑(實(shí)際上是不吸收光的溶劑)里的某些物質(zhì)的分子吸收光時(shí)，吸收系數(shù)跟光波通過(guò)的路程上單位長(zhǎng)度內(nèi)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(wú)關(guān)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(xué)形式[7]. 當(dāng)朗伯-比爾定律成立時(shí)，可用測(cè)量吸收測(cè)定物質(zhì)的厚度. 即快速測(cè)定物質(zhì)厚度的吸收光譜分析法.

2實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)量裝置由探頭、主機(jī)組成，方框圖如圖1所示. 采用單色紅外光源，波長(zhǎng)為0.936 μm. 它發(fā)出的單色紅外光照射到被測(cè)塑料薄膜后，能夠由硫化鉛探測(cè)器接收單色光源照射到被測(cè)物質(zhì)后紅外光源的強(qiáng)度信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大器放大由控制器計(jì)算顯示出被測(cè)薄膜的厚度.

圖1　近紅外LED塑料薄膜厚度測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)圖

3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1　單色LED發(fā)光特性測(cè)試

測(cè)試單色LED的伏安特性，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)曲線，用以觀測(cè)單色LED實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)光穩(wěn)定性及電壓隨電流的變化規(guī)律.

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

2)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電流調(diào)節(jié)旋鈕，增大電流，以10 mA為步長(zhǎng)，記錄電流值與電壓值，測(cè)試到電流為200 mA時(shí)結(jié)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(cè)器接收，不同的距離具有不同的靈敏度. 通過(guò)選定最佳的工作距離可為厚度測(cè)量確定最高靈敏度.

1)調(diào)整單色LED與光電探測(cè)器之間的工作距離，選擇較大工作距離L1開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，即光電探測(cè)器顯示最小的位置，記錄單色LED電流數(shù)值I1，光電探測(cè)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(cè)試在供電電流I1,I2，I3,……對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器輸出電壓U1,U2,U3,……

3)改變工作距離為L(zhǎng)2，再次測(cè)試不同單色LED供電電流時(shí)對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器輸出電壓U1,U2,U3,……以此類(lèi)推形成數(shù)據(jù)表格.

4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(cè)試在何種LED工作電流下厚度測(cè)量線性最佳、靈敏度高. 確定單色LED與光電探測(cè)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(guān)系，記錄數(shù)據(jù)，畫(huà)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(cè)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(cè)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(cè)試在以上頻率下厚度與輸出電壓之間的關(guān)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(cè)量

1)打開(kāi)厚度傳感器實(shí)驗(yàn)儀軟件，屏幕顯示如圖2所示.

圖2　厚度傳感器實(shí)驗(yàn)儀軟件界面

2)標(biāo)定

a.打開(kāi)儀器電源與光源，并在測(cè)試前預(yù)熱15 min，以達(dá)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(cè)量頭和發(fā)射頭之間， 觀察儀表顯示的光源強(qiáng)度信號(hào)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(shè)計(jì)， 進(jìn)入厚度傳感器設(shè)計(jì)界面，點(diǎn)擊“標(biāo)準(zhǔn)化”按鍵，確定發(fā)射光強(qiáng)與吸收光強(qiáng)，將已知厚度的薄膜放入測(cè)量頭和發(fā)射頭之間，在被測(cè)厚度L窗口輸入標(biāo)準(zhǔn)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(cè)薄膜的厚度吸收系數(shù)，點(diǎn)擊“確定吸收系數(shù)”按鍵，標(biāo)定結(jié)束.

c.按退出鍵，在主菜單下選擇厚度測(cè)量，進(jìn)入厚度測(cè)量界面.

d.在吸收系數(shù)窗口輸入上述測(cè)量記錄的吸收系數(shù).

3)膜厚度的測(cè)量

標(biāo)定儀器后，將相同材料不同厚度的薄膜放入測(cè)量頭和發(fā)射頭之間，厚度窗口會(huì)自動(dòng)顯示被測(cè)薄膜的厚度.

4結(jié)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(cè)量LED工作電流I與輸出電壓U的關(guān)系曲線，如圖3所示.

圖3　最佳工作距離選定曲線

通過(guò)實(shí)驗(yàn)曲線可見(jiàn)，不同工作距離下，單色LED電流I與輸出電壓U成線性關(guān)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(cè)靈敏度越高. 因此，選取工作距離為10 mm靈敏度最大. 考慮實(shí)際工程情況，欲將膜片準(zhǔn)確放入測(cè)試位置，工作距離太小

將無(wú)法操作，因此選定工作距離L為14 mm，既實(shí)現(xiàn)了高靈敏度檢測(cè)，也可實(shí)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(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)試不同LED工作電流I下的厚度-輸出電壓實(shí)驗(yàn)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(guān)系曲線

由圖4可見(jiàn)，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(qiáng)度衰減. 因此，選定70,100,130 mA作為檢測(cè)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(guān)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(cè)試厚度與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示. 由圖5可見(jiàn)，厚度與電壓之間呈e指數(shù)衰減. 當(dāng)頻率為0.3 kHz，0.4 kHz時(shí)，曲線的開(kāi)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(dāng)頻率為0.8 kHz，1.0 kHz時(shí)，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(cè)試靈敏度較低. 因此選擇0.6 kHz或0.7 kHz作為實(shí)驗(yàn)中選定的LED電流頻率. 在此頻率工作下，有較高的檢測(cè)靈敏度.

圖5　不同LED電流頻率下厚度d與輸出電壓U的關(guān)系曲線

4.4　薄膜厚度的測(cè)量

檢測(cè)5片未知厚度的樣品，每個(gè)樣品檢測(cè)5次. 選定最佳工作距離14 mm，最佳工作電流為100 mA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1　5片未知厚度樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:當(dāng)被測(cè)塑料薄膜的厚度在量程范圍時(shí)，測(cè)量相對(duì)偏差在2.0%以?xún)?nèi).

5結(jié)束語(yǔ)

在物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)周實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)本科生開(kāi)設(shè)該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在課堂上所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)中觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有機(jī)結(jié)合，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高對(duì)理論知識(shí)探究的積極性，為學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維奠定了基礎(chǔ). 通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，用近紅外LED光源測(cè)量塑料薄膜厚度,提高了厚度測(cè)量精度. 采用新穎的觸摸屏結(jié)構(gòu)，所有功能部件均為組合式一目了然，增強(qiáng)了物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的精確度和可信度. 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程中，學(xué)生加強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)，提高了提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并且發(fā)揚(yáng)了小組成員間的協(xié)同合作的團(tuán)隊(duì)精神，同時(shí)在探求知識(shí)的過(guò)程中，培養(yǎng)了學(xué)生認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

參考文獻(xiàn)：

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

[責(zé)任編輯：任德香]

資助項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)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(lèi)號(hào)：O484.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)01-0009-05

作者簡(jiǎn)介：莫長(zhǎng)濤(1964-)，男，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱商業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院教授，博士，主要從事光電技術(shù)與傳感技術(shù)的研究.

收稿日期：2015-06-11；修改日期：2015-07-20