基于NDIR的塑料薄膜厚度测量技术研究.doc
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1、毕业设计(论文)中文摘要30 / 34基于NDIR的塑料薄膜厚度测量技术研究摘要:随着塑料薄膜以与以薄膜为主要辅助材料的其他产品在工业生产和人类生活中的广泛应用,薄膜的厚度越来越成为一个重要的物理性指标。因此薄膜厚度的测量一直是人们密切关注和不断研究改进的课题。本论文主要容:第一,探讨了薄膜测厚技术的发展历史和研究现状;第二,详细介绍了基于NDIR的红外测原理以与系统的总体设计方案。第三,介绍了系统中使用的硬件设备,如数据采集卡、滤光传感器、光源和用到的两个焊接电路等;第四,阐述了所设计系统中的数据采集与处理过程和软件的运行流程与其主要的功能;最后,给出了系统调试运行的结果和数据的分析结果。本
2、论文设计的系统可以模拟实际测厚系统的工作过程,并通过数据的分析对基于NDIR的塑料薄膜厚度测量技术进行了研究与验证,达到了最初的设计要求。关键词: 红外线测厚 VC+ NDIR 数据采集与处理毕业设计(论文)外文摘要Title Study on the plastic film thickness measurement technology based on NDIRAbstract:With the wide application of plastic film and other products to the film as the main auxiliary materials
3、in industrial production and the life of human beings, the thickness of the film is becoming a more and more important indicators of physical. So the film thickness measurement has been closely and continuously improve on the subject the people.The main contents of this paper: first, discusses the d
4、evelopment history and research status of thin film thickness measurement technology; second, introduced in detail the overall design scheme of NDIR infrared measuring principle and system based on. Third, introduces the system used in the hardware, devices such as data acquisition card, filter sens
5、or, light source and the use of two welding circuit; fourth, describes the operation process of the data acquisition and processing and software design and its main functions; finally, the system debugging results operating results and the data are given.The system designed in this thesis can simula
6、te the working process of the actual thickness measurement system, and the plastic film thickness measurement technology based on NDIR are studied and validated by the data analysis, met the initial design requirements.Keywords:Infrared thickness VC+ NDIR data collect and process目 录1绪论11.1课题背景与意义11,
7、2常见薄膜厚度测量方法11.3课题国国外研究现状31.4章节安排42系统总体方案设计42.1红外测厚方法的比较和选取42.2测厚仪数据采集与处理系统功能简介52.3测厚仪数据采集与处理系统的总体方案设计62.4 本章小结73系统硬件部分介绍73.1主要硬件选型73.2简化的电路103.3采集电路103.4小结114系统软件设计114.1 采集卡的使用144.2 标定程序流程164.3 测厚程序流程174.4数据显示和保存184.5小结195系统调试与运行195.1 系统调试过程195.2 系统调试与结果20结论29参考文献30致321 绪论1.1课题背景与意义随着塑料薄膜以与以薄膜为主要辅助材
8、料的其他产品在工业生产和人类生活中的广泛应用,薄膜的厚度越来越成为一个重要的物理指标1。薄膜的阻隔性能,机械拉伸性能以与生产加工成本等均与其厚度密切相关,因此薄膜厚度的测量一直是人们密切关注和不断研究改进的课题。对于生产出来的薄膜,在许多工业性能要求中最为关键的参数是厚度和均匀度,尤其厚度会直接的影响到薄膜产品的经济效益、质量和产量,是薄膜非常重要的物理指标2。另外如果薄膜均匀度差,就会影响到薄膜各处阻隔性和拉伸强度等性能。通过测量技术在薄膜生产时进行厚度检测,对不符合要求的部分薄膜进行再加工,使其生产出来的厚度和均匀度符合工业要求,会在一定程度上提高薄膜质量、产量,并降低成本。因此塑料薄膜厚
9、度测量技术具有一定研究意义。1,2常见薄膜厚度测量方法1.2.1 非在线薄膜测厚最初用于测量薄膜厚度的技术是非在线测厚技术。非在线测厚技术包括非接触式和接触式测量法两种3。机械薄膜测厚仪是利用接触式薄膜测厚方法测量薄膜厚度的仪器。虽然它在测量那些表面不平整或具有弹性的材料时会出现测量数据不稳的现象,但它能在进行测量厚度之前施加适当的压力在样品的测量表面上来避免数据波动4。其他常用非在线测量仪: (1) 涡流测厚仪和磁性测厚仪,磁性测厚仪是根据电磁感应原理来实现测厚功能的,而涡流测厚仪则是使用电涡流原理来实现测厚5。它们主要用在测量一些涂层的厚度上。 (2) 超声波测厚仪根据超声波反射原理来实现
10、薄膜的厚度测量,它可以用来测量瓷、玻璃、金属、塑料等对其反应明显的导体厚度6,它具有许多测厚仪所不具备的特点:可以工作在高温环境中。 (3) 光学测厚仪在理论上可以推导出测量精度非常高的方法,但在实际使用中要求(使用条件与维护等)非常高:第一它距离振源越远越好,第二必须有严格的防尘措施、专业操作和维护,第三它只能用于层数较少的复合膜的测厚,所以其使用围极大的受到了限制7。 非在线测厚设备在便捷性和价格上具有很大优势,但不能够实现监测生产过程的功能,所以只能作为在线检测的辅助设备8。1.2.2在线薄膜测厚仪据有关方面统计,如果使用在线测厚仪技术,一个塑料薄膜制品厂每年可以节省约 10 万美元左右
11、9。目前主要的在线薄膜测厚仪包括:射线测厚仪,X 射线测厚仪,激光测厚仪和红外测厚仪等。 (1) 射线测厚仪: 射线技术相对于其他技术来说是最先应用于在线测厚的。是一种放射性同位素测厚技术,它利用放射源放射出来的低能量射线透过薄膜来实现测量功能,就是利用射线被薄膜部分吸收导致能量减弱的原理进行薄膜厚度测量的10。它对设备辐射保护装置有很高要求,且传感器对薄膜上下的波动以与周围环境变化相当敏感11。(2) X 射线测厚仪:由于信号源放射性很强,辐射保护装置有严格要求;而且不适合对多种元素组成的聚合物进行测厚12。所以现在主要应用在单元素材料(如钢板等)的测量上。 (3) 激光测厚仪:激光测厚仪是
12、近些年来开发出的高科技实用型设备。它对工作的环境要求降低了,具有人工测量和其它测量方法无法比拟的优点:测量准确、安全可靠、精度高、实用性好、无辐射、非接触式等。且能够为厚度控制提供准确可靠的信息,从而提高工厂的生产效率、产品质量13。但激光测厚仪在实际运用过程中因为某些现场环境的限制而得不到广泛使用。小结:射线测厚测厚仪由于自身射线物理特性,具有不可避免的缺点:射线的不可聚焦性使射线测厚仪无法对薄膜微观变化进行有效监测,只能用于测量薄膜宏观厚度的变化14。具有发射性,一般要在其四周划出一个 1至1.5m 的安全隔离带15。仪器的成本价格比较昂贵。虽然射线设备都对用户提出强制性安全防护的要求,但
13、是工厂不愿采用的一个原因就是射线危害人体健康。恶劣(如温度高,粉尘多),导致设备的运行维护有诸多不便,出现了不少的问题16。 (4) 红外测厚仪:运用红外技术进行厚度测量可以不受环境的湿度和空气压力与缝隙间温度变化等因素影响,可以保证测量精度。因其信号源无放射性,成本低廉,设备维护难度相对较低,故红外技术适用于双向拉伸薄膜、多层共挤薄膜和流延膜等生产检测17。综上所述,红外技术测量薄膜厚度已经成为薄膜测厚领域的最佳之选。1.3课题国国外研究现状1.3.1 国外研究现状国外从在世纪70年代将红外测厚技术应用到薄膜厚度在线测量,到80年代初已有产品应用到实际生产中。1981年,日本富士电机公司研制
14、出红外在线测厚仪,测量围 10m至2mm,重复性误差大于 1m。1983年,英国和美国的Infrared Engineering Inc 研制出红外在线测厚仪的测量围为10至300m,测量精度为1m。1999 年英国红外工程公司研制出一种测量包装薄膜的红外线量规。其通过非接触测定法,以0.1m 的精度测量薄膜厚度。红外线探测头可以很方便地安装到塑料挤压生产线上。在线测定厚度为10m至5mm,响应时间为0.1至20s18。1.3.2 国研究现状国研究机构对红外测厚技术的研究始于上世纪 80年代。1984年,工学院研制成功我国第一台红外测厚仪19,该测厚仪的主要技术指标如下:测量围:10至1000
15、m。测量精度:2m(厚度200m)。重复性:(设定值0.2%1m)。稳定性:8 小时相对波动1%,24 小时相对波动小于 1.5%。 1988年,工学院在前期工作基础上,设计出了不同结构的测厚仪。 中国计量科学研究院于 1990年研制了在线测量涤纶薄膜厚度的HW-1型红外侧厚仪20。现场实验结果表明,其可以满足一般的需要,测厚围为20至100m,测量精度:(名义尺寸2%1.5m)。 1998 年,省测试研究所研制出了 IM-C 型红外薄膜(水分)厚度测试仪,综合了反、透射测量方法21。薄膜测厚的主要技术指标:测量围:10至120m。精确度:优于3m。重复性:2m。 科技学院结合红外测厚技术和激
16、光测厚技术于2002、2006年分别研制出了透射式激光测厚传感器和反射式红外测厚仪22。2010年,师大学利用MCGS组态软件和PID控制方法对一个双向拉伸薄膜厚度测控系统进行了设计和仿真23。其结果显示该测控系统不仅可以进行实时、精确地测量和控制双向拉伸薄膜的厚度外,且具有调整参数方便、控制效果、可视性和可维护性好等优点,具有很大的应用价值24。 1.4章节安排本文共包含五章,各章主要容如下:第一章为绪论,主要介绍了课题研究背景和意义,薄膜测厚技术的种类、发展历史与研究现状。第二章为总体的方案设计,介绍了测厚系统具有的功能,包括了测厚方法的选定,系统总体框图和软件流程图。第三章为系统的硬件简
17、介,主要说明了涉与到的硬件,主要是数据采集卡和两个硬件电路。第四章为系统软件设计,是本文最重要的部分。主要容有控制软件的交互界面设计,数据采集、标定和测量程序设计思想、流程与实现方法等。第五章为系统调试运行结果,主要展示了系统实现的整体功能。2 系统总体方案设计2.1红外测厚方法的比较和选取2.1.1红外技术的选定红外线照射到薄膜上将产生干涉、反射和透射等光学特征,因而红外测厚的方法相应有反射法、干涉法和透射法(吸收法)25。综合考虑系统的数学模型的建立的复杂度,工厂的环境的好坏,仪器的精度高低,被测物的厚度的围、折射率与表面光滑度等因素,薄膜厚度的红外测量采用透射法较为适宜26。所以本次研究
18、的方法是透射法。2.1.2红外透射技术在红外围的发射和吸收对应于多原子物质的振动状态之间以与转动状态之间的跃迁27。当入射电磁波的频率对应于受辐照分子振动或转动速率变化时,使产生吸收28。所以,当光源发送的光线穿透薄膜时,会被薄膜吸收一部分,其余部分到达相对应的接收源。被薄膜吸收的部分由薄膜的厚度和密度决定29。当光源与接收器之间没有薄膜时,发送信号全部到达接收器,这时接收到的能量最高30。当光源和接收器之间所加薄膜变厚时,被吸收的部分会变多,到达接收器的部分变少,此时接收到的能量就会减小。当一束光透过塑料薄膜时,照射到薄膜表面的光强为I0,透过薄膜的光强为I,由朗伯比尔公式31,得到如下关系
19、:A=-lgT=-lg(I/I0)=kb式中: A表示吸光度,T表示透射率,k表示吸光系数(与不同材料有关),b表示薄膜厚度。2.1.3 NDIR (Non-Dispersive Infra-Red 无弥散红外线)测厚原理用一个宽波长围的光源,透过测量物,用两个窄带滤光片分别在检测器之前滤光,两个检测器一个作为传感器,一个作为参比传感器,对比两个检测的信号。通过分析测量物对特定频率光波的吸收损耗来计算测量物的成分、浓度、厚度等参数32。由于塑料薄膜含OH、NH、CH基的化合物在近红外和中红外、乃至远红外区域发生对光的吸收33。因此,可以根据对入射红外线吸收的程度来测定吸收体的厚度。图2.1测厚
20、原理图2.2测厚仪数据采集与处理系统功能简介本系统主要完成以下功能:一、硬件部分:(一) 光源控制:标定或测量数据时,先点亮第一路灯,采集完本路数据后熄灭,如此重复操作剩余四路,直至标定完成或停止测量。(二) 数据采集:先采集本组的第一路:打开光源后待其稳定,开始采集数据,采集十个数据后熄灭灯,进行下一路采集,5路采集完成后停止采集(标定时)或继续采集下一组(测量数据时),手动停止测量时需等该组5路数据采集完成。二、软件部分:(一) 输入:在5个编辑框中输入5路的已知的薄膜厚度(标定用)。(二) 输出:将标定时采集五路数据的平均值显示在五个编辑框。(可复制)(三) 四个按钮:1、 标定:采集五
21、路数据,求出数据的平均值,与输入的相应5组厚度,作为已知量求解测厚方程系数。2、 测量:采集五路数据,求出数据的平均值,带入测厚方程求解厚度。如此重复。3、 停止:停止测量程序。4、 保存数据:将显示在界面的厚度数据保存至运行根目录下的excel文档并显示。(四) 显示:1、 将每路采集的十个数据显示在相应的区域,并在其后显示平均值。2、 将每次计算出的厚度显示在表格中,并实时添加新的厚度。3、 将累计得到的五路厚度用曲线表示在相应的区域。2.3测厚仪数据采集与处理系统的总体方案设计图2.2 总体系统框(其中每一路的采集电路参见2.1测厚原理图)操作人员可通过软件界面的控制按钮对测量系统进行控
22、制,系统部的软件程序通过调用动态库中的接口函数可以对采集卡进行相应的控制,而采集卡通过5路数字输出可以控制光源的开关。从而达用软件控制整个系统的目的。2.4 本章小结本章从整体上介绍了系统的测厚理论与其功能与设计方案,说明了系统的工作流程,为其的具体设计和实现提供了方向,下面的系统设计皆以完成以上功能为目的而进行。3 系统硬件部分介绍3.1主要硬件选型3.1.1采集卡MPS-020101 数据采集卡是一款基于 USB 总线的 24 位多功能微弱信号数据采集卡,具有4 路差分(或 8 路单端)24 位模拟信号采集,集成可编程增益放大器、Bornout 检测、板载参考电压输出等功能,并具有2路电流
23、信号输出和8路数字信号输入/输出端口。可用于实验室、产品质量检测中心和大专院校等各种领域的数据采集、分析和数据处理系统,也可用于工业现场的过程监控系统,尤其适用于微弱信号的检测。 MPS-020101采用USB2.0全速总线接口,向下兼容 USB1.1接口。总线极具易用性,即插即用,是便携式系统用户的最佳选择,可以完全取代以往的PCI 卡。 MPS-020101 可工作在Win9X/Me、Win2000/XP 等常用操作系统中,并提供可供 VB, VC, C+Builder, Dephi,LabVIEW,Matlab 等常用编程语言调用的动态库,编程函数接口简单易用,易于编写应用程序。图3.1
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- 基于 NDIR 塑料薄膜 厚度 测量 技术研究
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