使用近红外LED光源测量塑料薄膜的厚度

莫长涛,郇　帅，苏海林

(1.哈尔滨商业大学 基础科学学院，黑龙江 哈尔滨 150028；

2.哈尔滨博海瑞林公司，黑龙江 哈尔滨 150080)



使用近红外LED光源测量塑料薄膜的厚度

莫长涛1,郇帅1，苏海林2

(1.哈尔滨商业大学 基础科学学院，黑龙江 哈尔滨 150028；

2.哈尔滨博海瑞林公司，黑龙江 哈尔滨 150080)

摘要：自制近红外LED厚度传感器综合实验仪. LED发出波长为0.936 μm的单色红外光，由硫化铅探测器接收单色光源照射到被测塑料薄膜后光的强度，信号经放大器放大由控制器计算显示被测塑料薄膜的厚度. 选定最佳工作距离14 mm、最佳工作电流100 mA进行实验，厚度测量相对偏差在2.0%以内.

关键词：厚度；LED光源；近红外；塑料薄膜

塑料薄膜的应用领域涉及包装材料、绝缘材料、感光材料、磁带基材、农用薄膜、玻璃贴膜等，厚度范围可由几微米到几百微米. 普通的塑料薄膜基本上采用吹塑、压延等成型工艺生产，如聚乙烯膜、聚氯乙烯膜，对于双向拉伸薄膜的生产来说，在生产过程中对其厚度的均匀性要求很高，由于双向拉伸薄膜生产线是高速、连续化的工作模式，其工作速度高达300 m/min，因此对双向拉伸薄膜的厚度检测采用精度很高、非接触式测厚仪和反馈控制系统进行自动检测和控制[1-4]. 上述方法不足之处是受环境温度与薄膜在传感器间隙内抖动影响以及核技术的采用对环境污染，本文提出一种设计合理、使用便捷的近红外LED厚度测量仪. 由于采用了不发热的LED[5]红外光源，可以省去卤钨灯、滤光轮、准直聚焦器、电机等设备，特别是省去了笨重的冷却系统，减少了仪器体积，降低了成本，并且红外光源采用脉冲电源供电，使得仪器的结构简单、性能稳定，提高了测量精度.

1实验原理

(1)

其中k为吸收系数，由媒质的特性决定. 对于厚度为l的介质层，由(1)式得

lnI=-kl+C,

(2)

其中,C为积分常数，如当l=0时，I=I0，则C=lnI0，代入(2)式有

I=I0e-kl,

(3)

这就是朗伯定律的数学表示式.

固体材料的吸收系数主要是随入射光波长而变，其他因素影响较小. 而液体的吸收系数却与液体的浓度有关[6]. 实验证明，在很多情况下，当气体的分子或溶解在溶剂(实际上是不吸收光的溶剂)里的某些物质的分子吸收光时，吸收系数跟光波通过的路程上单位长度内吸收光的分子数也就是跟浓度c成正比. 因此，比尔(Beer)指出：溶液的吸收系数k与浓度c成正比，即

k=α′c,

式中α′为与浓度无关的常数，它只决定于分子的特性，于是(3)式变为

I=I0e-α′cl.

(4)

或

A=αcl,

(5)

(5)式为朗伯-比尔定律的数学形式[7]. 当朗伯-比尔定律成立时，可用测量吸收测定物质的厚度. 即快速测定物质厚度的吸收光谱分析法.

2实验装置

测量装置由探头、主机组成，方框图如图1所示. 采用单色红外光源，波长为0.936 μm. 它发出的单色红外光照射到被测塑料薄膜后，能够由硫化铅探测器接收单色光源照射到被测物质后红外光源的强度信号，然后经过放大器放大由控制器计算显示出被测薄膜的厚度.

图1　近红外LED塑料薄膜厚度测量仪结构图

3实验内容

3.1　单色LED发光特性测试

测试单色LED的伏安特性，画出实验曲线，用以观测单色LED实验过程中发光稳定性及电压随电流的变化规律.

1)调节单色LED电流调节旋钮至最小值，记录电流值与电压值.

2)顺时针旋转电流调节旋钮，增大电流，以10 mA为步长，记录电流值与电压值，测试到电流为200 mA时结束.

3)作出LED伏安特性曲线.

3.2　最佳工作距离选定

单色LED发光到光电探测器接收，不同的距离具有不同的灵敏度. 通过选定最佳的工作距离可为厚度测量确定最高灵敏度.

1)调整单色LED与光电探测器之间的工作距离，选择较大工作距离L1开始实验，即光电探测器显示最小的位置，记录单色LED电流数值I1，光电探测器输出电压U1.

2)在工作距离L1不变情况下，改变单色LED供电电流，测试在供电电流I1,I2，I3,……对应的光电探测器输出电压U1,U2,U3,……

3)改变工作距离为L2，再次测试不同单色LED供电电流时对应的光电探测器输出电压U1,U2,U3,……以此类推形成数据表格.

4)通过实验数据绘制曲线，找出最佳工作距离L最佳.

3.3　最佳LED工作电流选定

确定最佳工作距离后，测试在何种LED工作电流下厚度测量线性最佳、灵敏度高. 确定单色LED与光电探测器之间的工作距离L最佳，选定不同的单色LED工作电流为20,30,40,70,100,130,170,200 mA下的膜片厚度d与输出电压U的关系，记录数据，画出曲线，找出线性度最佳、灵敏度较高的情况下的工作电流.

3.4　最佳LED供电频率选定

确定最佳工作电流大小后，测试 LED不同供电频率下输出电压随厚度的变化，选择最佳的曲线线型. 确定单色LED与光电探测器之间的最佳工作距离L最佳及最佳LED工作电流后，选定不同的单色LED电流频率0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1 kHz，测试在以上频率下厚度与输出电压之间的关系曲线，分析曲线找出最佳线型，选定出最佳LED电流频率.

3.5　厚度的测量

1)打开厚度传感器实验仪软件，屏幕显示如图2所示.

图2　厚度传感器实验仪软件界面

2)标定

a.打开仪器电源与光源，并在测试前预热15 min，以达到稳定光源输出功率的目的.

b.将已知厚度的薄膜(100 μm)放入测量头和发射头之间， 观察仪表显示的光源强度信号变化，范围在1 000~5 000之间灵敏度最高. 在显示屏幕上选择厚度传感器设计， 进入厚度传感器设计界面，点击“标准化”按键，确定发射光强与吸收光强，将已知厚度的薄膜放入测量头和发射头之间，在被测厚度L窗口输入标准薄膜的厚度值100 μm，记录吸收系数窗口的数值，该数值就是被测薄膜的厚度吸收系数，点击“确定吸收系数”按键，标定结束.

c.按退出键，在主菜单下选择厚度测量，进入厚度测量界面.

d.在吸收系数窗口输入上述测量记录的吸收系数.

3)膜厚度的测量

标定仪器后，将相同材料不同厚度的薄膜放入测量头和发射头之间，厚度窗口会自动显示被测薄膜的厚度.

4结果与讨论

4.1　最佳工作距离选定

在不同的工作距离L下，测量LED工作电流I与输出电压U的关系曲线，如图3所示.

图3　最佳工作距离选定曲线

通过实验曲线可见，不同工作距离下，单色LED电流I与输出电压U成线性关系. 工作距离L越小，直线斜率越大，输出电压U随输出电流I变化越显著，即检测灵敏度越高. 因此，选取工作距离为10 mm灵敏度最大. 考虑实际工程情况，欲将膜片准确放入测试位置，工作距离太小

将无法操作，因此选定工作距离L为14 mm，既实现了高灵敏度检测，也可实现工程操作.

4.2　最佳LED工作电流选定

在工作距离为14 mm的实验条件下，测试不同LED工作电流I下的厚度-输出电压实验曲线，如图4所示.

图4　工作距离为14 mm厚度d与输出电压U的关系曲线

由图4可见，厚度d与输出电压U间呈e指数衰减，工作电流愈大，e指数曲线衰减规律愈明显；工作电流愈小，曲线愈变化愈平缓，灵敏度愈小，即明显的厚度变化不能引起明显的光强度衰减. 因此，选定70,100,130 mA作为检测中LED的工作电流，既具有较高的灵敏度也具备良好的线性关系.

4.3　最佳LED供电频率选定

在最佳工作距离为14 mm,最佳工作电流为100 mA条件下，在不同频率下测试厚度与输出电压的对应关系，实验曲线如图5所示. 由图5可见，厚度与电压之间呈e指数衰减. 当频率为0.3 kHz，0.4 kHz时，曲线的开始有一段饱和，在饱和段，随着厚度增加，输出电压保持不变；当频率为0.8 kHz，1.0 kHz时，厚度与输出电压之间的变化不明显，即随着厚度的增加电压虽然在衰减，但衰减率较小，测试灵敏度较低. 因此选择0.6 kHz或0.7 kHz作为实验中选定的LED电流频率. 在此频率工作下，有较高的检测灵敏度.

图5　不同LED电流频率下厚度d与输出电压U的关系曲线

4.4　薄膜厚度的测量

检测5片未知厚度的样品，每个样品检测5次. 选定最佳工作距离14 mm，最佳工作电流为100 mA进行实验，数据见表1.

表1　5片未知厚度样品检测数据

实验数据表明:当被测塑料薄膜的厚度在量程范围时，测量相对偏差在2.0%以内.

5结束语

在物理创新实验周实验教学中，对本科生开设该实验，使学生在课堂上所学的理论知识和实验中观察的实验现象有机结合，从而激发学生的学习兴趣，提高对理论知识探究的积极性，为学生发挥创造性思维奠定了基础. 通过实验可以看出，用近红外LED光源测量塑料薄膜厚度,提高了厚度测量精度. 采用新颖的触摸屏结构，所有功能部件均为组合式一目了然，增强了物理创新实验的精确度和可信度. 在进行实验研究的过程中，学生加强了创新意识，提高了提出问题、解决问题的能力，并且发扬了小组成员间的协同合作的团队精神，同时在探求知识的过程中，培养了学生认真、严谨的科学态度.

参考文献：

[1]苏海林，赵娣. 低能γ射线反散射法测量塑料薄膜厚度的研究[J]. 传感器与检测技术, 2006，27(6)：455-457.

[2]李彦，李众，俞孟蕻. 塑料薄膜厚度控制算法设计[J]. 华东船舶工业学院学报，1998,12(6)：48-52.

[3]杜鑫，莫长涛，贺平，等. 多路单色光源水分测量方法的研究[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版)，2010，26(3)：314-317.

[4]邓湘，郑义忠. 塑料薄膜及涂层厚度在线测量研究[J]. 计量学报，2001，22(4)：268-271.

[5]李秀梅，吴群勇，肖韶荣. 发光二极管的光电特性测试实验[J]. 物理实验，2013,12(33)：1-4.

[6]郇帅，吕加，王明，等. 基于光谱吸收法经皮给药药液浓度检测研究[J]. 哈尔滨商业大学校报(自然科学版)，2014，30(3)：332-334.

[7]章新友. 药用物理学[M]. 南昌：江西高校出版社,2013：194.

[责任编辑：任德香]

资助项目：黑龙江省高等教育教学改革项目(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

中图分类号：O484.5

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)01-0009-05

作者简介：莫长涛(1964-)，男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨商业大学基础科学学院教授，博士，主要从事光电技术与传感技术的研究.

收稿日期：2015-06-11；修改日期：2015-07-20