基于NDIR的塑料薄膜厚度在線檢測系統

摘 要： 為了快速、精確的在線測量塑料薄膜厚度，提出了一種基于NDIR的塑料薄膜厚度在線檢測技術，此技術改進了現代近紅外測厚方法中常采用的雙單色紅外光對比法，使用單光源簡化了雙光源調制的難度，優化了由于雙光源照射薄膜不同位置帶來的準確性問題。應用上述技術設計實現了此檢測系統，此系統應用NDIR相關技術，將現代數字信號處理方法用于數據處理過程中。通過實驗方式得到測量結果，并對測量結果進行了數據分析和誤差統計，實驗結果表明，此系統具有精度高，穩定性可靠等優點，值得推廣。

關鍵詞： 塑料薄膜； 厚度檢測技術； 紅外測厚方法； NDIR； 在線測量

中圖分類號： TN247?34； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0108?05

Abstract： In order to rapidly and accurately measure the plastic thin?film thickness on line， a NDIR?based on?line detec?ting technology of infrared thin?film thickness is proposed. This technology improved the double and monochromatic infrared light contrastive method common used in modern infrared thickness detecting method， simplified the modulation difficulty of double light sources by means of single light source， and optimized the accuracy problem coming from different film positions radia?ted by the double light sources. The detecting system was designed and realized with the above technology. The NDIR correlation technology is used in this system to apply the advanced digital signal processing method to data processing. The detecting results were obtained by the experiment， and then conducted with data analysis and error statistics. The experimental results show this system has the advantages of high accuracy and high stability， and is worthy to generalize.

Keywords： plastic thin?film； thickness detecting technology； infrared thickness measuring method； NDIR； on?line measurement

0 引 言

在中國塑料薄膜的產量約占塑料制品總產量的20%，是塑料制品中產量增長較快的類別之一[1]。而厚度是其最基本的參數之一[2]，薄膜厚度是否均勻、是否與預設值一致、厚度偏差是否在指定的范圍內，都成為薄膜是否具有某些特性指標的前提。所以，薄膜厚度測量是薄膜制造業的基礎檢測項目之一，具有十分重要的現實意義。

現有的在線薄膜測厚方法主要是射線法和紅外線法。

射線法主要是借助X射線[3]或β射線對薄膜測厚。

X射線類對測量對象有選擇性，測量單一元素材料時精度高，不能用于測量塑料薄膜等聚合物，而且測量受環境濕度、溫度、材料波動的影響大，光源壽命短，信號源更換費用高。

β射線法測量范圍廣，是目前世界上應用最普遍、應用量最大的一種在線測量技術[4]，但信號源價格昂貴，且壽命一般為5年。

但是考慮到安全因素，射線具有放射性，放射源的使用需要使用申請證，使用時需要為設備加設保護裝置以避免輻射，這會使得設備非常笨重。

針對以上問題提出了基于光學原理的測量方法，如偏振法、干涉法、反射法[5]及透射法等。經過比較并結合幾種方法的優缺點，采用透射式紅外技術可對單層薄膜、復合薄膜進行測量，并且在線測量時，數據處理簡單，實驗數據穩定、精確。同時，采用紅外光既安全，光源價格也不高。

1 NDIR紅外光測厚原理

紅外線測厚是20世紀80年代初期出現的一種在線檢測方法，適用于透光、半透光的薄膜。紅外光譜的理論研究表明，光在紅外范圍內的發射和吸收，通常對應于多原子物質的振動狀態之間和轉動狀態之間能量的躍遷，當入射電磁輻射的頻率對應于受輻照分子的振動或轉動的速率變化時便產生吸收。

光能的吸收符合朗伯?比爾（Lambert?Beer）吸收定律[6]。

式中：為比例常數，是由除吸收之外的其他因素，如反射、彎曲、散射、顏色變化、晶格及其排列等引起的輻射損耗；為材料吸收系數， 隨波長和材料而變。對于同一種薄膜和不變[7]。

透射光的強度按吸收體的厚度或濃度成指數形式衰減。

含OH，NH，CH基的化合物在近紅外和中紅外、乃至遠紅外區域發生對光的吸收。可以根據對入射紅外線吸收的程度來測定吸收體的厚度或濃度。

紅外線塑料薄膜測厚系統就是根據上述原理進行開發的。大多數塑料中都有CH鍵，CH鍵的特征吸收波長為3.39 μm。因此，在這個波長上，塑料薄膜對紅外線的吸收很強，透射光的強度對薄膜的厚度敏感，可以達到較高的靈敏度與精度。為補償環境光線的影響，以及補償光源的衰減，需要一個參考波長做對比。一般選用4.10 μm，塑料對這個波長的紅外線吸收弱。

現代近紅外測厚方法常采用雙單色紅外光對比法：將通過濾光片或光源在調制電路控制下獲得的測量波長單色光脈沖和測量參比波長單色光脈沖交替地照射塑料薄膜。光束透過薄膜后，根據兩種單色光脈沖強度獲得塑料薄膜的厚度值。

上述方法需要對兩種不同波長的光源進行調制，以前的機械調制方法和現在的電調制方法都增加了設備制作的困難性，與此同時，由于調制后的光仍為獨立的兩束光，其照射在被測薄膜的不同區域時，不同區域對應的厚度可能不同，這也為測量帶來了不準確性。

NDIR傳感器則沒有這種缺點，NDIR傳感器具有兩個不同的濾光窗口，分為測量窗口和參考窗口，可以通過不同波長的紅外光。此方法使用一個近紅外光源，光源透過兩個濾光窗口分成測量和參考兩束光分別照射在傳感器上。相比分光法更加簡潔，硬件制作更加簡單，同時效果可以得到保障。

2 實現方案

系統主要由紅外光源，傳感器，工控機，控制電路，數據采集卡五部分組成，系統的結構示意圖如圖1所示，測量流程如下：將設備機架安裝在塑料薄膜生產線中，待生產開始，薄膜從機架之間的空隙通過，機架上方為紅外光源，正對光源下方為傳感器，當薄膜通過機架時，被調制的紅外光透過薄膜照射到傳感器上，傳感器接收到相應的信號，經過硬件濾波后輸入到采集卡中，由采集卡采樣送入工控機進行數據分析處理并顯示最終結果。

2.1 傳感器

NDIR傳感器被廣泛用于氣體成分測量，如CH4，CO2，汽車尾氣[8]等，技術比較成熟，系統選用中心波長為3.39 μm的測量濾光片和中心波長為4.10 μm的參考濾光片的NDIR傳感器（傳感器選用甲烷氣體傳感器[9]）。

2.2 紅外光源選擇

光源需要使用寬譜近紅外光源，使波長范圍覆蓋1～20 μm，選用鹵素燈，鹵素燈光源光譜可以覆蓋整個近紅外譜。

2.3 采集設備選擇

采集設備主要包含模擬信號采集，模數轉換功能，系統選用USB5935數據采集卡。

2.4 方波調制電路

方波調制電路主要實現紅外光源的調制功能，本系統中，光源調制頻率為1 Hz，1 Hz信號由晶振32 768經過28分頻得：32 768震蕩產生的信號首先經過CD4060進行14分頻，再經過74LS390進行二分頻，得到1 Hz方波。1 Hz方波作為控制信號控制繼電器的通斷來控制光源的供斷電，從而實現對鹵素燈電源的調制。1 Hz方波產生電路圖如圖2所示。

3 信號處理

系統采用現代數字信號處理方法處理采集信號，濾除信號干擾，提高處理精度。

圖3（a）為傳感器測量曲線，圖中方波為控制信號，頻率為1 Hz，正弦波為傳感器響應信號，實線表示參考窗口采樣信號，虛線表示測量窗口采樣信號。

數據采集時，硬件采集電路中，除使用鉭電容對原始數據進行低通濾波處理之外，并無其他措施，但是系統在實際工作中，會受到環境中低頻和高頻信號的影響，這些影響會大大降低信號處理的精度，所以系統需要采取針對性的處理辦法來處理這些干擾。

高頻部分：控制紅外光源通斷的繼電器在不斷吸合和斷開的過程中，會產生尖峰干擾，正如圖3中正弦波的第五個波峰中尖峰數據所示，這種干擾對采樣數據的峰峰值判斷產生很大影響；實際生產環境中，工況復雜，大型電機等設備會產生高頻震動等因素會使采樣數據中存在高頻干擾成分，使波形失真。

對于高頻干擾，采取對原始采樣數據進行數字低通濾波處理的方法。

低頻干擾：環境中太陽光和燈光的緩慢變化會對光源產生疊加和減弱的影響，而這些影響為低頻率的，低通濾波并不能排除這些干擾，為了濾除這部分干擾，后續處理中采用卡爾曼濾波方法。

3.1 數字低通濾波

濾波器選用具有等波紋特性的FIR低通濾波器。

3.1.1 濾波器參數

采樣頻率為1 100 Hz；通帶截止頻率為5 Hz；阻帶截止頻率為25 Hz；濾波器階數Order為139；通帶最大衰減為1 dB；阻帶最小衰減為80 dB。

3.1.2 濾波結果

濾波后的圖形如圖3（b）所示。圖中實線表示參考窗口采樣數據，虛線表示測量窗口采樣數據。可以看到，與原始數據相比，濾波后曲線有效地濾除了數據中的高頻分量，去除了曲線中的尖峰數據。

低通濾波后，取曲線的峰峰值作為后續處理的指標。測量過程中，測量窗口反應測量薄膜厚度的變化，參考窗口反應環境的影響，用測量窗口的數據減去參考窗口的數據可以有效的減少環境影響。故將測量窗口和參考窗口測量數據求差。得到后續處理需要的電壓數據。對數據進行一維卡爾曼濾波處理。

3.2 一維卡爾曼濾波

卡爾曼濾波算法是最優化自回歸數據處理算法[10]。常用于工業控制中的濾波過程。

3.2.1 原理分析

圖4所示為卡爾曼濾波流程圖，卡爾曼濾波主要由五個關鍵迭代方程組成。卡爾曼濾波本質上是用系統的預測值和測量值以及各自的噪聲來估算出此時刻的最優值。

式（1）為狀態預測方程，假設現在的系統狀態是可以由系統模型，根據系統的上一個狀態預測出現在的狀態，式中，表示系統狀態量，是上一狀態最優的結果，是利用預測的結果。應用在系統中，由于在測量厚度時，厚度測量周期為1 s，即前后兩次厚度測量時間間隔很短，根據經驗，可以認為前后兩個時刻的狀態值相同，所以狀態預測方程為

式（1）中系統狀態已經更新，現在需要更新對應狀態的協方差，更新過程同樣是利用上一個狀態預測現在的狀態，式（2）中表示估計誤差協方差，表示上一狀態最優的結果，是利用預測的結果，表示系統噪聲協方差，表示系統噪聲的大小。

由式（1）和式（2）得到了現在狀態的預測結果，下面收集現在狀態的測量值。結合預測值和測量值，可以得到現在狀態的最優化估算值其中為卡爾曼增益，如式（3）和式（4） 所示。

式（3）中表示卡爾曼增益，值的大小代表預測結果和觀測結果的可信程度，越大，表示觀測值越被信任。表示觀測噪聲協方差，即觀測噪聲的大小。

式（4）表示狀態更新方程，表示測量結果，式中，此時刻狀態結果由狀態預測結果和測量結果加權而成。

現在已經得到了狀態下最優的估算值但是為了使卡爾曼濾波器不斷的運行下去直到系統過程結束，還要更新狀態下的協方差。

式（5）為估計誤差協方差更新方程，由這一個時刻的卡爾曼增益和估計誤差協方差計算得到。

以上描述了卡爾曼濾波的基本原理，卡爾曼濾波就是由五個基本公式組成，依靠五個基本公式的迭代完成卡爾曼濾波的濾波過程。

3.2.2 初始數據

對于不同的卡爾曼濾波收斂速度和收斂效果均不同，綜合比較兩種情況，在參數時，卡爾曼濾波器性能符合要求。

3.2.3 濾波結果

圖5為電壓估計誤差，在圖5（a）中，細實線為測量窗口和參考窗口差值，將其稱為原始測量電壓，其中水平粗點線表示均值，虛線表示經過卡爾曼濾波之后的電壓。分析可得，原始測量電壓和卡爾曼濾波電壓均收斂于測量均值，電壓估計誤差有明顯改善。圖5（b）所示為電壓估計誤差曲線。電壓估計誤差由數據值與均值差值表示，虛線表示濾波后的電壓估計誤差，實線表示濾波前的電壓估計誤差。

3.3 滑動平均濾波

經過FIR低通濾波和卡爾曼濾波之后，觀察圖5，處理后的數據波動仍然較大，數據在短時間內有上升或者下降的趨勢，形成波峰和波谷，要抑制此情況出現需采用滑動取平均值的方法。排序最新測量的30組數據，求取中間5組數據平均值，計算公式為：

4 測量結果分析

4.1 曲線分析

如圖6所示，實線表示測量電壓值，點線表示卡爾曼濾波電壓值，虛線表示滑動平均濾波之后的電壓值，圖中三段曲線對應測量的薄膜厚度分別為120 μm，60 μm和0，現在對曲線進行誤差分析。

4.2 誤差分析

選取120 μm厚塑料薄膜的曲線進行分析。選取圖6中第一段曲線，濾波結果如表1所示。

4.3 結果分析

4.3.1 濾波效果

分析表1數據可以得出：三組數據計算得到的均值十分接近，所以最終處理得到的數值可以反應真實測量值，經過卡爾曼濾波算法和滑動平均濾波算法處理之后的數據方差有了明顯的改善，能夠有效抑制誤差。提高了系統測量的精度。

4.3.2 收斂時間討論

為了使系統具有更高的測量精度，文中采用了兩種濾波算法，卡爾曼和滑動平均濾波算法，這兩種算法均具有一定收斂時間，若收斂時間過長，則無法靈敏反應出厚度變化的情況。

但此系統應用在連續生產的環境下，一旦開機生產，就對一種厚度標準的塑料薄膜進行連續測量，測量時間達到幾小時至十幾小時，測量初期，只需要接近60 s曲線就可以收斂（因為卡爾曼濾波收斂點數的差距，時間無法精確確定，平均情況在60 s），在測量過程中，測量厚度由于生產設備的偏差，緩慢變化，對于緩變過程，兩種濾波算法收斂時間基本可以忽略，可以很好的反應出實時測量時的厚度變化，如需調整測量厚度，只需選擇新的測量厚度標準，待曲線收斂后進行測量。所以，兩種濾波的收斂時間對測量不會產生影響。

4.3.3 實用性分析

對薄膜進行標定之后，測量薄膜厚度，圖7為90 min內對120 μm薄膜的實測數值。測量精度為（120±1.8） μm。表2表示對不同厚度的塑料薄膜的實測精度。

經過實際測量，對于厚度為60～200 μm的塑料薄膜，測量精度可以達到厚度±2.4 μm。

實際生產中，生產的薄膜為寬幅薄膜，所以系統中選用五組光源、傳感器，對寬幅薄膜的五個點進行測量，由五個點的厚度狀況估計整幅薄膜的厚度狀況。

5 結 語

紅外測厚作為一種十分有效的塑料薄膜測厚方法，已經得到了廣泛的應用，文中提出了一種基于NDIR的紅外測厚方法——非分光NDIR傳感器雙窗口方法，其可以代替雙光源分光方法。這樣可以有效地簡化光源調制過程，在系統實現過程中，采用現代數字信號處理方法，提高了測量精度，經過實驗證明，此方法具有較高的測量準確度和穩定性，達到了設計目標，值得推廣應用。

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