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(nèi).

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(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，對于雙向拉伸薄膜的生產(chǎn)來說，在生產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(zhì)的特性決定. 對于厚度為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(zhì)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(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(zhì)的厚度. 即快速測定物質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(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)順時針旋轉(zhuǎn)電流調(diào)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(diào)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(nèi).

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