基于NDIR的塑料薄膜厚度在线检测系统.docx
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基于NDIR的塑料薄膜厚度在线检测系统
基于NDIR的塑料薄膜厚度在线检测系统
摘要:
为了快速、精确的在线测量塑料薄膜厚度,提出了一种基于NDIR的塑料薄膜厚度在线检测技术,此技术改进了现代近红外测厚方法中常采用的双单色红外光对比法,使用单光源简化了双光源调制的难度,优化了由于双光源照射薄膜不同位置带来的准确性问题。
应用上述技术设计实现了此检测系统,此系统应用NDIR相关技术,将现代数字信号处理方法用于数据处理过程中。
通过实验方式得到测量结果,并对测量结果进行了数据分析和误差统计,实验结果表明,此系统具有精度高,稳定性可靠等优点,值得推广。
关键词:
塑料薄膜;厚度检测技术;红外测厚方法;NDIR;在线测量
中图分类号:
TN247?
34;TP23文献标识码:
A文章编号:
1004?
373X(2016)11?
0108?
05
Abstract:
Inordertorapidlyandaccuratelymeasuretheplasticthin?
filmthicknessonline,aNDIR?
basedon?
linedetec?
tingtechnologyofinfraredthin?
filmthicknessisproposed.Thistechnologyimprovedthedoubleandmonochromaticinfraredlightcontrastivemethodcommonusedinmoderninfraredthicknessdetectingmethod,simplifiedthemodulationdifficultyofdoublelightsourcesbymeansofsinglelightsource,andoptimizedtheaccuracyproblemcomingfromdifferentfilmpositionsradia?
tedbythedoublelightsources.Thedetectingsystemwasdesignedandrealizedwiththeabovetechnology.TheNDIRcorrelationtechnologyisusedinthissystemtoapplytheadvanceddigitalsignalprocessingmethodtodataprocessing.Thedetectingresultswereobtainedbytheexperiment,andthenconductedwithdataanalysisanderrorstatistics.Theexperimentalresultsshowthissystemhastheadvantagesofhighaccuracyandhighstability,andisworthytogeneralize.
Keywords:
plasticthin?
film;thicknessdetectingtechnology;infraredthicknessmeasuringmethod;NDIR;on?
linemeasurement
0引言
在中国塑料薄膜的产量约占塑料制品总产量的20%,是塑料制品中产量增长较快的类别之一[1]。
而厚度是其最基本的参数之一[2],薄膜厚度是否均匀、是否与预设值一致、厚度偏差是否在指定的范围内,都成为薄膜是否具有某些特性指标的前提。
所以,薄膜厚度测量是薄膜制造业的基础检测项目之一,具有十分重要的现实意义。
现有的在线薄膜测厚方法主要是射线法和红外线法。
射线法主要是借助X射线[3]或β射线对薄膜测厚。
X射线类对测量对象有选择性,测量单一元素材料时精度高,不能用于测量塑料薄膜等聚合物,而且测量受环境湿度、温度、材料波动的影响大,光源寿命短,信号源更换费用高。
β射线法测量范围广,是目前世界上应用最普遍、应用量最大的一种在线测量技术[4],但信号源价格昂贵,且寿命一般为5年。
但是考虑到安全因素,射线具有放射性,放射源的使用需要使用申请证,使用时需要为设备加设保护装置以避免辐射,这会使得设备非常笨重。
针对以上问题提出了基于光学原理的测量方法,如偏振法、干涉法、反射法[5]及透射法等。
经过比较并结合几种方法的优缺点,采用透射式红外技术可对单层薄膜、复合薄膜进行测量,并且在线测量时,数据处理简单,实验数据稳定、精确。
同时,采用红外光既安全,光源价格也不高。
1NDIR红外光测厚原理
红外线测厚是20世纪80年代初期出现的一种在线检测方法,适用于透光、半透光的薄膜。
红外光谱的理论研究表明,光在红外范围内的发射和吸收,通常对应于多原子物质的振动状态之间和转动状态之间能量的跃迁,当入射电磁辐射的频率对应于受辐照分子的振动或转动的速率变化时便产生吸收。
光能的吸收符合朗伯?
比尔(Lambert?
Beer)吸收定律[6]。
式中:
为比例常数,是由除吸收之外的其他因素,如反射、弯曲、散射、颜色变化、晶格及其排列等引起的辐射损耗;为材料吸收系数,随波长和材料而变。
对于同一种薄膜和不变[7]。
透射光的强度按吸收体的厚度或浓度成指数形式衰减。
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。
可以根据对入射红外线吸收的程度来测定吸收体的厚度或浓度。
红外线塑料薄膜测厚系统就是根据上述原理进行开发的。
大多数塑料中都有CH键,CH键的特征吸收波长为3.39μm。
因此,在这个波长上,塑料薄膜对红外线的吸收很强,透射光的强度对薄膜的厚度敏感,可以达到较高的灵敏度与精度。
为补偿环境光线的影响,以及补偿光源的衰减,需要一个参考波长做对比。
一般选用4.10μm,塑料对这个波长的红外线吸收弱。
现代近红外测厚方法常采用双单色红外光对比法:
将通过滤光片或光源在调制电路控制下获得的测量波长单色光脉冲和测量参比波长单色光脉冲交替地照射塑料薄膜。
光束透过薄膜后,根据两种单色光脉冲强度获得塑料薄膜的厚度值。
上述方法需要对两种不同波长的光源进行调制,以前的机械调制方法和现在的电调制方法都增加了设备制作的困难性,与此同时,由于调制后的光仍为独立的两束光,其照射在被测薄膜的不同区域时,不同区域对应的厚度可能不同,这也为测量带来了不准确性。
NDIR传感器则没有这种缺点,NDIR传感器具有两个不同的滤光窗口,分为测量窗口和参考窗口,可以通过不同波长的红外光。
此方法使用一个近红外光源,光源透过两个滤光窗口分成测量和参考两束光分别照射在传感器上。
相比分光法更加简洁,硬件制作更加简单,同时效果可以得到保障。
2实现方案
系统主要由红外光源,传感器,工控机,控制电路,数据采集卡五部分组成,系统的结构示意图如图1所示,测量流程如下:
将设备机架安装在塑料薄膜生产线中,待生产开始,薄膜从机架之间的空隙通过,机架上方为红外光源,正对光源下方为传感器,当薄膜通过机架时,被调制的红外光透过薄膜照射到传感器上,传感器接收到相应的信号,经过硬件滤波后输入到采集卡中,由采集卡采样送入工控机进行数据分析处理并显示最终结果。
2.1传感器
NDIR传感器被广泛用于气体成分测量,如CH4,CO2,汽车尾气[8]等,技术比较成熟,系统选用中心波长为3.39μm的测量滤光片和中心波长为4.10μm的参考滤光片的NDIR传感器(传感器选用甲烷气体传感器[9])。
2.2红外光源选择
光源需要使用宽谱近红外光源,使波长范围覆盖1~20μm,选用卤素灯,卤素灯光源光谱可以覆盖整个近红外谱。
2.3采集设备选择
采集设备主要包含模拟信号采集,模数转换功能,系统选用USB5935数据采集卡。
2.4方波调制电路
方波调制电路主要实现红外光源的调制功能,本系统中,光源调制频率为1Hz,1Hz信号由晶振32768经过28分频得:
32768震荡产生的信号首先经过CD4060进行14分频,再经过74LS390进行二分频,得到1Hz方波。
1Hz方波作为控制信号控制继电器的通断来控制光源的供断电,从而实现对卤素灯电源的调制。
1Hz方波产生电路图如图2所示。
3信号处理
系统采用现代数字信号处理方法处理采集信号,滤除信号干扰,提高处理精度。
图3(a)为传感器测量曲线,图中方波为控制信号,频率为1Hz,正弦波为传感器响应信号,实线表示参考窗口采样信号,虚线表示测量窗口采样信号。
数据采集时,硬件采集电路中,除使用钽电容对原始数据进行低通滤波处理之外,并无其他措施,但是系统在实际工作中,会受到环境中低频和高频信号的影响,这些影响会大大降低信号处理的精度,所以系统需要采取针对性的处理办法来处理这些干扰。
高频部分:
控制红外光源通断的继电器在不断吸合和断开的过程中,会产生尖峰干扰,正如图3中正弦波的第五个波峰中尖峰数据所示,这种干扰对采样数据的峰峰值判断产生很大影响;实际生产环境中,工况复杂,大型电机等设备会产生高频震动等因素会使采样数据中存在高频干扰成分,使波形失真。
对于高频干扰,采取对原始采样数据进行数字低通滤波处理的方法。
低频干扰:
环境中太阳光和灯光的缓慢变化会对光源产生叠加和减弱的影响,而这些影响为低频率的,低通滤波并不能排除这些干扰,为了滤除这部分干扰,后续处理中采用卡尔曼滤波方法。
3.1数字低通滤波
滤波器选用具有等波纹特性的FIR低通滤波器。
3.1.1滤波器参数
采样频率为1100Hz;通带截止频率为5Hz;阻带截止频率为25Hz;滤波器阶数Order为139;通带最大衰减为1dB;阻带最小衰减为80dB。
3.1.2滤波结果
滤波后的图形如图3(b)所示。
图中实线表示参考窗口采样数据,虚线表示测量窗口采样数据。
可以看到,与原始数据相比,滤波后曲线有效地滤除了数据中的高频分量,去除了曲线中的尖峰数据。
低通滤波后,取曲线的峰峰值作为后续处理的指标。
测量过程中,测量窗口反应测量薄膜厚度的变化,参考窗口反应环境的影响,用测量窗口的数据减去参考窗口的数据可以有效的减少环境影响。
故将测量窗口和参考窗口测量数据求差。
得到后续处理需要的电压数据。
对数据进行一维卡尔曼滤波处理。
3.2一维卡尔曼滤波
卡尔曼滤波算法是最优化自回归数据处理算法[10]。
常用于工业控制中的滤波过程。
3.2.1原理分析
图4所示为卡尔曼滤波流程图,卡尔曼滤波主要由五个关键迭代方程组成。
卡尔曼滤波本质上是用系统的预测值和测量值以及各自的噪声来估算出此时刻的最优值。
式
(1)为状态预测方程,假设现在的系统状态是可以由系统模型,根据系统的上一个状态预测出现在的状态,式中,表示系统状态量,是上一状态最优的结果,是利用预测的结果。
应用在系统中,由于在测量厚度时,厚度测量周期为1s,即前后两次厚度测量时间间隔很短,根据经验,可以认为前后两个时刻的状态值相同,所以状态预测方程为
式
(1)中系统状态已经更新,现在需要更新对应状态的协方差,更新过程同样是利用上一个状态预测现在的状态,式
(2)中表示估计误差协方差,表示上一状态最优的结果,是利用预测的结果,表示系统噪声协方差,表示系统噪声的大小。
由式
(1)和式
(2)得到了现在状态的预测结果,下面收集现在状态的测量值。
结合预测值和测量值,可以得到现在状态的最优化估算值其中为卡尔曼增益,如式(3)和式(4)所示。
式(3)中表示卡尔曼增益,值的大小代表预测结果和观测结果的可信程度,越大,表示观测值越被信任。
表示观测噪声协方差,即观测噪声的大小。
式(4)表示状态更新方程,表示测量结果,式中,此时刻状态结果由状态预测结果和测量结果加权而成。
现在已经得到了状态下最优的估算值但是为了使卡尔曼滤波器不断的运行下去直到系统过程结束,还要更新状态下的协方差。
式(5)为估计误差协方差更新方程,由这一个时刻的卡尔曼增益和估计误差协方差计算得到。
以上描述了卡尔曼滤波的基本原理,卡尔曼滤波就是由五个基本公式组成,依靠五个基本公式的迭代完成卡尔曼滤波的滤波过程。
3.2.2初始数据
对于不同的卡尔曼滤波收敛速度和收敛效果均不同,综合比较两种情况,在参数时,卡尔曼滤波器性能符合要求。
3.2.3滤波结果
图5为电压估计误差,在图5(a)中,细实线为测量窗口和参考窗口差值,将其称为原始测量电压,其中水平粗点线表示均值,虚线表示经过卡尔曼滤波之后的电压。
分析可得,原始测量电压和卡尔曼滤波电压均收敛于测量均值,电压估计误差有明显改善。
图5(b)所示为电压估计误差曲线。
电压估计误差由数据值与均值差值表示,虚线表示滤波后的电压估计误差,实线表示滤波前的电压估计误差。
3.3滑动平均滤波
经过FIR低通滤波和卡尔曼滤波之后,观察图5,处理后的数据波动仍然较大,数据在短时间内有上升或者下降的趋势,形成波峰和波谷,要抑制此情况出现需采用滑动取平均值的方法。
排序最新测量的30组数据,求取中间5组数据平均值,计算公式为:
4测量结果分析
4.1曲线分析
如图6所示,实线表示测量电压值,点线表示卡尔曼滤波电压值,虚线表示滑动平均滤波之后的电压值,图中三段曲线对应测量的薄膜厚度分别为120μm,60μm和0,现在对曲线进行误差分析。
4.2误差分析
选取120μm厚塑料薄膜的曲线进行分析。
选取图6中第一段曲线,滤波结果如表1所示。
4.3结果分析
4.3.1滤波效果
分析表1数据可以得出:
三组数据计算得到的均值十分接近,所以最终处理得到的数值可以反应真实测量值,经过卡尔曼滤波算法和滑动平均滤波算法处理之后的数据方差有了明显的改善,能够有效抑制误差。
提高了系统测量的精度。
4.3.2收敛时间讨论
为了使系统具有更高的测量精度,文中采用了两种滤波算法,卡尔曼和滑动平均滤波算法,这两种算法均具有一定收敛时间,若收敛时间过长,则无法灵敏反应出厚度变化的情况。
但此系统应用在连续生产的环境下,一旦开机生产,就对一种厚度标准的塑料薄膜进行连续测量,测量时间达到几小时至十几小时,测量初期,只需要接近60s曲线就可以收敛(因为卡尔曼滤波收敛点数的差距,时间无法精确确定,平均情况在60s),在测量过程中,测量厚度由于生产设备的偏差,缓慢变化,对于缓变过程,两种滤波算法收敛时间基本可以忽略,可以很好的反应出实时测量时的厚度变化,如需调整测量厚度,只需选择新的测量厚度标准,待曲线收敛后进行测量。
所以,两种滤波的收敛时间对测量不会产生影响。
4.3.3实用性分析
对薄膜进行标定之后,测量薄膜厚度,图7为90min内对120μm薄膜的实测数值。
测量精度为(120±1.8)μm。
表2表示对不同厚度的塑料薄膜的实测精度。
经过实际测量,对于厚度为60~200μm的塑料薄膜,测量精度可以达到厚度±2.4μm。
实际生产中,生产的薄膜为宽幅薄膜,所以系统中选用五组光源、传感器,对宽幅薄膜的五个点进行测量,由五个点的厚度状况估计整幅薄膜的厚度状况。
5结语
红外测厚作为一种十分有效的塑料薄膜测厚方法,已经得到了广泛的应用,文中提出了一种基于NDIR的红外测厚方法――非分光NDIR传感器双窗口方法,其可以代替双光源分光方法。
这样可以有效地简化光源调制过程,在系统实现过程中,采用现代数字信号处理方法,提高了测量精度,经过实验证明,此方法具有较高的测量准确度和稳定性,达到了设计目标,值得推广应用。
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