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积分光谱法测量塑料薄膜厚度研究

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第33卷,第1期 2 0 1 3年1月 光Spectroscopy and Spectral Analysis 谱学与光谱分析 Vo1.33,No.I,pp163—166 January,2013 积分光谱法测量塑料薄膜厚度研究 邱超,孙晓刚 150001 哈尔滨工业大学仪器科学与技术学科,黑龙江哈尔滨摘要在谱带朗伯定律概念的基础上,通过分析光束在透过塑料薄膜时光强所发生的变化,提出了谱带 积分透过率定义并建立基于谱带积分透过率的薄膜厚度测量模型。采用不同厚度的聚丙烯薄膜作为实验对 象,使用光谱仪测量了其光谱透过率。按上述模型拟合了薄膜厚度与谱带积分透过率关系式。使用500K理 想黑体,分析了基于此方法研制新型宽谱带塑料薄膜厚度在线检测装置的可行性。实验结果表明:使用积分 光谱法可以较高精度的测量塑料薄膜厚度。基于此方法研制的塑料薄膜厚度在线检测装置,有望解决使用 双单色光对比法测薄膜厚度时存在的准确性低、通用性差的问题。 关键词塑料薄膜;厚度测量;积分光谱;朗伯定律 文献标识码:A 中图分类号:0657.3;TQ325 情况不同『1 。这不仅会造成测量不同型号薄膜时需要更换 引 言 塑料薄膜是一种重要的高分子化学材料。随着石油化学 工业和塑料加工工业的发展,塑料薄膜的生产、应用也获得 了很大的发展,并在农业L1]、包装L2]、化工、国防和人们生 活等方面扮演了越来越重要的角色[3“]。在塑料薄膜众多工 业性能要求当中,厚度是衡量其质量的主要技术指标。塑料 薄膜厚度不仅涉及到生产工厂的成本,还会影响其拉伸强 度、阻隔性等实际应用效果。因此,塑料薄膜厚度在线检测 一滤光片或LED光源调制电路,操作繁琐、成本高,而且有可 能出现无对应滤光片或LED光源调制困难进而无法检测某 些型号塑料薄膜的情况。因此双单色光对比法还存在通用性 差的问题。 针对应用双单色光对比法在线测量塑料薄膜厚度时存在 的上述问题,本工作采用积分光谱法的思想,引入谱带朗伯 定律的概念,建立了基于积分光谱法的塑料薄膜厚度测量模 型,通过研究塑料薄膜光谱透过率,提出了一种塑料薄膜厚 度宽谱带测量方法,为基于此方法研制新型宽谱带红外塑料 薄膜厚度在线检测装置奠定了理论基础。 直是人们关心的重要问题。国内外较为先进的塑料薄膜厚 度在线测量方法是红外透射法。它克服了以往采用的射线衰 减测量方法[5 ]辐射污染、造价昂贵等缺点,以及其他测量 1理论原理 1.1谱带朗伯定律 方法[7 精度低、响应慢、易受环境因素影响等缺点。目前, 红外透射法普遍采用双单色红外光对比方案。其基本方法是 将通过滤光片[1o]或LED光源在调制电路控制下_1 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。由于两束单色光脉冲交替照射在薄膜上, 存在一定的时差,而通常工业生产线中的薄膜高速运行生 产,因此两束单色光并非真正照射在同一区域,这样就降低 了薄膜厚度测量的准确性。此外,通常塑料薄膜生产线不止 生产一种型号的薄膜,更换薄膜生产类型时,由于不同薄膜 其组成的有机化合物基团结构不同,光束透过薄膜后的衰减 收稿日期:2012—06—26。修订日期:2012—09-20 基金项目:国家自然科学基金项目(61071036)资助 作者简介:邱超,1985年生,哈尔滨工业大学博士研究生 e-mail:sxg@hit.edu.cn 根据朗伯定律,波长为 ,光强为 的单色平行光束在 介质内传播距离为t的路程后,由于介质对入射光的吸收和 散射作用,透射光的光强将减弱。透射光强L可以表示为 L— e-a“ (1) 式(1)中a( )为介质的消光系数。 对于在光谱带 。~ z之内的入射光,对式(1)积分,可 得 l L 一l ( (2) e-mail:whbqc2003@126.com *通讯联系人 164 令 e ( —J l 光谱学与光谱分析 第33卷 f e ㈨ /r。Ioa J 1 (3) 外傅里叶光谱仪。该仪器采用TGS探测器,光谱范围15 000 5O cm~,分辨率可达0.5 cm~。 ~其中定义: 数。则 。,为介质在光谱带 ~ 。之内的谱带消光系 Table 1 The thickness of samples _『 x,zIo ̄eMT∞ 一 由式(2),得 。 。 × 一 (4) 样品编号 厚度/ m 1 2 3 4 5 6 7 71.4 79.7 90.6 99.8 110.2 120.6 131.5 式(5)表述为谱带朗伯定律2 × (5) 3结果与讨论 ’ ’’一 。 1.2基于谱带积分透过率的塑料薄膜厚度测量模型 光束透过塑料薄膜后产生的衰减主要由两部分构成:一 是塑料薄膜表面反射等与厚度无关的非厚度因素衰减;二是 塑料薄膜对光束的吸收和散射,这部分衰减是与其厚度有关 的因素,衰减关系符合朗伯定律 ”]。 用 表示塑料薄膜光谱辐射强度透过率,a 表示光谱 辐射强度非厚度因素衰减率,则有 1一 =l~ “”+嘞 (6) 对式(6)在光谱带 ~ z之内积分,有 Jr2 A1 (1一 ) 一rJ 1。( 1一e_n( ) +fJ^1 A2嘞 (7) l O根据式(3),当光源光谱辐射强度分布在光谱带 ~ z0  8之内是连续且均匀时,有 e一( :Jr A。1 /OAe-a( /J 21 r 一rJ A1  e_一( /( 2一 ) (8) 由式(7)和式(8),可得 n J 1 I n /(x2一 1)一e-口n1,^2) ~A (9) r 其中,计A—I 嘞 /( 2一 ),其为一常数。 J A1 定义 n口 ,)一lJ /( 2一 1) (1o) 1 为谱带积分透过率,则式(9)变为 r(A ,h)一∈ ( 1, 2) 一A (11) 式(11)即为基于光谱积分透过率的塑料薄膜厚度测量模 型。在式(11)中当t趋近于0时, 。)趋近于1一A。由此 可以看出,A为非厚度因素带来的衰减。可见,模型中的参 数都有确切物理意义。 2实验部分 2.1样品 实验选用聚丙烯薄膜,样品取自佛山佛塑科技集团股份 有限公司经纬分公司拉丝车间生产线。调节不同位置挤出机 机头螺钉,控制挤出机相应位置所挤出薄膜的厚度,从而得 到一些不同厚度的薄膜[14]。选取一组7条不同厚度的薄膜, 其厚度见表1。 2.2仪器 实验所用仪器为日本分光公司生产的JASCO-6100型红 3.1光谱透过率测量 光谱仪分辨率设置为4 cm- ,波数间隔约0.96咖, 扫描累加5次。分别测试7条薄膜的光谱透过率,其中编号 1,3,5和7薄膜光谱透过率如图1所示。 ao1∞∞IⅧ兽葛 0 O O 6 4 2 O 0 5 lO l5 2O 25 Wavelenght/ttm Fig.1 The spectral transmission of samplse 由图1可以看出,光束在透过样品薄膜后衰减情况比较 复杂,在整个光谱带均有不同程度衰减,且衰减程度与厚度 关系明显。 3.2塑料薄膜厚度与谱带积分透过率关系式拟合 按式(10)定义,分别计算7条薄膜的谱带积分透过率, 其值(保留5位有效数字)见表2。 Table 2 The band integral transmission of samplse 样品编号 谱带积分透过率 样品编号 谱带积分透过率 1 0.601 04 5 0.487 73 2 0.574 02 6 0.465 04 3 0.543 14 7 0.437 43 4 0.514 2O 根据表1与表2数据,使用式(11)塑料薄膜厚度测量模 型,拟合塑料薄膜厚度与谱带积分透过率关系式。拟合结果 如图2所示。其中, ,一O.004 10(保留3位有效数字), A一0.146 7(保留4位有效数字)。关系式为: 。)= e一。・。。 “一O.146 7。 利用上述拟合关系式计算表1各厚度测量点的拟合值, 其与表1厚度差见图3所示。由图可以看出,差值大部分都   第1期 0 昕一—口∞——歪 一& ul _【 ∞ 光谱学与光谱分析 蛊兰 uII2 _}口 5 0 0 0 O O 165 在1 m以内,最大差值的绝对值为1.2 p.m左右。 O 5 0 5 O 5 定律及薄膜光谱透过率得出的温度为500 K的理想黑体透过 编号1,3,5和7薄膜的辐射出射度。由图4可以看出辐射 出射度对波长的积分值与厚度关系明显。建立宽谱带光功率 值与厚度的关系式,利用安装在薄膜生产线中的光电探测器 获得的透过薄膜的光功率值,就可以在线测量薄膜厚度。 350 300 250 200 70 8O 90 1o0 l1O 120 13O 140 15O Thicknessggm Fig.2 The relationship between thickness 100 5O 0 and band integral transmission 0 5 l0 l5 20 25 Wavelenght/ ̄tm 一H皇. I)/≥ 。ⅡE Ix 晶号日 ● ■ ■ Fig.4 The radiant exitance of ideal blackbody at 500 K passing samples 幺,士H  ■ 4 ● 论 本文结合工业生产实际情况分析了在应用双单色光对比 ■ 法在线测量塑料薄膜厚度时存在的准确性低、通用性差的问 70 80 90 100 l10 120 130 140 题。为解决上述问题,利用积分光谱法建立了塑料薄膜厚度 与谱带积分透过率关系式。实验表明:使用该关系式可以利 用谱带积分透过率较高精度的定量分析塑料薄膜厚度。为研 究该方法应用于在线测量塑料薄膜厚度可行性,分析了500 Measure point/pm Fig.3 Fitting difference atmeasure points 3.3塑料薄膜厚度在线测量应用 K理想黑体透过不同厚度塑料薄膜后的辐射出射度。结果表 明选用合适的光源及探测器可利用该方法搭建宽谱带塑料薄 膜厚度在线检测装置。 根据前述积分光谱法思想,可以通过测量宽谱带光功率 透过塑料薄膜后的衰减来获取薄膜厚度。图4为根据普朗克 References [1] ZHANG Zhen-he(张真和).Plastics(塑料),2001,30(2):9. [2] LI Yong-xin(李永馨).Packaging Engineering(包装工程),1995,16(2):10 [3] WEN Yao-xian(温耀贤).Functional Plastic Fjlm(功能性塑料薄膜).Beijing:China Machine Press(_] ̄京:机械工业出版社),2005.9. [4] MENG Xian-bao(孟宪宝).Hebei Chemical Engineering and Industry(河北化工),2009,32(2):16. N Qi-bing,CHEN La(靳其兵,陈[5] JI拉).Industrial Instrumentation 8L Automation(I_业仪表与自动化装置),2007,(1):65. 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Study on Plastic Film Thickness Measurement by Integral Spectrum Method QIU Chao,SUN Xiao-gang Instrument Science and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China Abstract Band integral transmission was defined and plastic film thickness measurement model was built by analyzing the inten— sity variation when the light passes plastic film,after the concept of band Lambert Law was proposed.Polypropylene film sam— ple with different thickness were taken as the research obieet,and their spectral transmission was measured by the spectrome— ter.The relationship between thickness and band integral transmission is fitted using the model mentioned before.The feasibility of developing new broad band plastic film thickness on-line measurement system based on this method was analysed employing the ideal blackbody at temperature of 500 K.The experimental results indicate that plastic film thickness will be measured accu— rately by integral spectrum method.Plastic film thickness on-line measurement system based on this method wil1 hopefully solve the problems of that based on dual monochromatic light contrast method,such as low accuracy,poor universality and SO O1"1. Keywords Plastic film;Thickness measurement;Integral spectrum;Lambert law (Received Jun.26,2012;accepted Sep.20,2012) *Corresponding author 

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