摘要：本文只要介紹了薄膜掃描式激光測厚儀的研發及應用，主要從激光測厚儀原理及其構造，計算機的控制系統，軟體系統、影響測量精度的原因及解決辦法等進行介紹。

關鍵詞：激光測厚；薄膜；測量精度

引言

包裝、印刷、感光和絕緣材料等行業對髙質量薄膜產品的需要逐年遞增。薄膜生產作為一個新興的行業，取得了飛速的發展。然而，對於薄膜厚度及其均勻性的在線檢測等關鍵性技術問題，沒能妥善解決。對薄膜產品進行厚度測量，採用射線測厚儀，價格昂貴，有放射源，無法檢測薄膜內部的氣泡等雜質。因此研發掃描式激光測厚儀實現薄膜的質量檢測及監測。

一、激光測厚原理概述

利用小型穩功率半導激光器作為測量光源，通過掃描裝置使激光束垂直穿過被測薄膜而投射到光電接收裝置上，掃描裝置在垂直於薄膜的運動方向上作連續往複運動。光電接收裝置將一系列光強度信號轉化為電信號，經前置放大器和可編程序放大器轉換為0~10V電平信號，再經AD轉換器轉為數字量後送入計算機處理。光電接收裝置所接收的激光光強，會隨薄膜的厚度發生相應的變化。激光的發射功率是穩定的，光強的衰減與薄膜的厚度成正比，其變化規律如下：

當激光器和光電接收單元確定后，V。即為常量（預存於計算機的參數表中）。顯然，電信號與薄膜厚度之間呈指數關係。因此計算機必須先對所採集的數據進行線性化處理，再進行計算和分析，求出平均值、標準偏差、變化系 數以及峰值分佈的對稱性。最後，由終端顯示薄膜數據以及片型曲線。

二、激光測厚儀的基本類型及構造

激光測厚儀從掃描形式上可分為機械連續式式掃描、光纖點陣式掃描、光學掃描和機械光纖掃描。

機械掃描裝置是將激光發射器和光電接收裝置上下成對地安裝在由可逆細分步進式電機搬運的掃描支架上，掃描支架又可分為音叉式和導軌滑塊式。激光由特殊設計的激光發射器和光電接收裝置的掃描支架在沿薄膜的寬度方向上作往複運動，從而實現連續掃描。

機械連續式掃描的優點在於：它的掃描軌跡是沿薄膜生產長度方向的一條連續的正弦曲線，在整個薄膜的寬度上無任何掃描空白，它所反映的薄膜片型是最實際和最貼切的；另外，連續式掃描使計算機在數據的採集和處理方面 的優勢可得以充分的發揮。機械式掃描對設備的製造和安裝都有很嚴格的要求，任何形式的誤差都會直接影響測量的精度。

光纖點陣式掃描裝值由光導纖維、發射橫樑、激光發射器、光纖耦合器和CCD接收器等單元組成。這種新型的激光測厚儀從設計上就克服了機械運動所產生的誤差，可進一步提高激光測厚儀的測量精度。單純的點陣式測量由於存在掃描空白區域，在數據的採集等方面受光纖設置的限制，因而，它所得到的片型曲線只能是模擬連續的，儘管如此，點陣式掃描在檢測薄膜的縱向均勻性上有其很好的表現。

光學掃描機構是將激光光束通過轉動的多面稜鏡，反射於薄膜上作往複掃描，光束穿過薄膜后，投射到薄膜下方排列的一組光導纖維接收器上，所有光纖經耦合器與CCD接收器相連，由此可獲得一系列隨掃描而出現的光電脈衝信號，進而可算出掃描軌跡上的薄膜厚度。

光學掃描的特點是：掃描速度可根據薄膜生產的工藝要求而隨意調整，薄膜厚度的均勻性可分辯到5μm以內。光學掃描在理論性研究和實驗中表現出諸多優勢，但作為工業化應用，還有許多關鍵性技術問理尚待解決，如精密光學元器件的加工，抗環境光干擾和軟體支持等。

機械光纖掃描綜合了機械連續式掃描和光纖傳導二者之長，有效地克服了純機械掃描因同步問題而造成的誤差。經過反覆比較，機械往複式掃描、光纖傳導以及CCD接收 等環節，目前都有較為成熟的技術和基礎元器件產品可供選擇。另外，在新一代測厚儀的研製上,我們已經考慮採用先進的數碼成像技術，在線檢測薄膜的分子取向及拉伸平衡度，使單純測量厚度的激光測厚儀發展成為薄膜綜合理化參數在線薄膜檢測儀。

三、計算機控制系統

1、工控機系統

激光測厚儀的控制系統採用工控機，能夠適應惡略工況，工控機採用噴塑屬結構和底板，能抵禦污染、高溫、震動和電磁干擾等惡劣環境，便於編寫大型程序。

給定掃描數據后，測頭自動往複運動，採集薄膜厚度，並將薄膜剖面顯示於監視器，數據同時存於硬碟，便於隨時列印分析。定點掃描時，操作員輸入定點位置，需測點數；測頭自動走到該點採集數據。系統結構如圖1。

其中，EL+、EL-是位於測頭導軌兩端的霍爾開關，作用是當程序因某種干擾「跑飛」時，防止測頭與機體的碰撞，損壞結構感測器，ORG作為起始點，同樣是一個霍爾開關，測頭經多次往返運動后產生機械位置誤差，ORG能重新定位測頭。

測頭橫掃時，每隔l0mm就要採集一點，採集數據的同時不能使測頭停止運動，PCL-711S不能用外部信號觸發，因為在導軌上135個位置感測器是不現實的。該測厚儀以一個用毫米為單位的導軌點陣圖文件，任意指定需採集的點，運行時，PCL-839的脈衝計存器不斷與導軌點陣圖比較，到採集點就觸發PCL-711S採集數據，這樣可開環的控制制測厚儀，降低了系統的複雜性。

2、軟體

全部軟體採用TC++3.0編製，採用功能模塊的形式，自頂向下逐層細化設計，再自底向上編製，用戶界面實施多層下拉菜單，彈出式窗口熱鍵操作。

系統軟體結構如圖2。

各模塊的說明：

(1) 主模塊：顯示主畫面，等待用戶操作，然後進入相應的功能模塊。

(2) 橫向掃描模塊：控制測頭按照用戶定義的參數庫，掃描預定的趟數，並傳遞給剖面圖繪製模塊，同時將測量結果存入硬碟。

(3) 縱向掃描模塊：控制測頭按照用戶定義的參數庫，走到預定的位置，完成預定的測量點數，傳遞給剖面圖繪製模塊，同時將測量結果存入硬碟。

(4) 剖面圖繪製模塊：接收掃描模塊傳遞來的數據，依此繪出膜的模擬橫、縱剖面圖。

(5) 步進電機控制模塊：驅動步進電機以不同行程、不同速度和不同形式運動並接收異常中止信號。

(6) 數據採集模塊：驅支PCL-711S參數，並對數據進行處理，得到膜的厚度值。

(7) 數據文件處理模塊：採用交互方式為數據文件設定名稱，對已存入硬碟的文件消除或轉存入軟盤等操作。

(8) 參數設置模塊：設定產品指標；包括標準厚度、上下極限差、膜的類型等。設定橫掃、縱掃的參數；包括測頭速度、橫掃趟數、定點位置、掃描點數並形成參數庫。

(9) 操作說明模塊：說明畫面中出現的菜單功能，引導用戶操作。

(10) 圖形列印模塊：驅動印表機將膜的模擬剖面圖列印出來.

(11) 數據分析模塊對已存檔的數據文件分析、讀數、放大及列印圖形。

總之，工控機在測厚儀項目中的應用。縮短了軟、硬體的開發周期，增加了系統的靈活性，使測厚儀在惡劣的工況下表現出很髙的穩定性和可靠性。

四、影響測量精度的原因及解決辦法

根據系統誤差的分析研究，造成測量誤差的主要原因有如下幾個方面：

1、激光功率的波動

激光電源的高精度及穩功率，是透射式測厚儀正常工作的關鍵。採用穩功率半導體激光器，有效的提高在線激光測厚儀的精度。

2、環境干擾的影響

環境光可以干擾測量精度。環境光的影響是很複雜的，最簡單的理由是，環鏡光的光強可隨視角面變化，兩隻光電管對於同一點的環境光強的反應不會是完全一致的。因此，要徹底消除環鏡光的影響，只能靠完善遮光措施和改進光路設計，但這種改進不能影響「穿片」操作，而且要增設急停反饋。

3、機械誤差

由於加工和安裝而造成的綜合誤差常常是無規律的。比如當機架的應力消除不徹底時，同步帶節距、導軌平直度等誤差的迭加，就不能簡單靠計算機的誤差記憶能力來進行修正。作為檢測類設備，機械精度是測量精度的基礎，比 一般設備而言，測厚儀的零部件加工和整機的安裝，都有一套科學的工藝路線和嚴格的工藝紀律，對設備的監造也是較為苛刻的。

4、低分子揮發物的影響

雖然不少薄膜生產線上都安裝了吸附低分子揮發物的專用設備，但也不排除遊離的低分子揮發物附著在薄膜和測厚儀發射接收單元的鏡頭上，度測量精度造成影響。為此，在測厚儀的軌道的一端設置了標準膜對照區，通過對照掃描和計算機數據處理來消除沉積物的厚度附加。

5、被測膜表觀質量的影響

由於小型激光器的光斑是一個1~2mm的橢圓區域，被測膜的灰塵顆粒等會對某一點的測量數據產生影響。未來消除這種影響，採用了軟體濾波的方式，即通過多次連續的測量，講一個測量點變成一個小的測量帶，去掉最大值和最小值，在對其餘取平均作為測量值。

結語

薄膜掃描式激光測厚儀可以應用於各種薄膜類產品的厚度檢測，並且實現的是在線檢測，提高了薄膜類產品的質量。

本文引用 工廠自動化和質量控制學術交流會

由保定市藍鵬測控科技有限公司編寫