薄材厚度传感器和使用中红外干涉测量法的方法技术

独立的薄片(诸如多孔聚合物和纸)的非接触薄材厚度测量检测由来自薄片的上表面和下表面的光反射所创建的中红外干涉条纹。该技术包括以选定的入射角度将激光束引导到在暴露外表面的单个点上(其中激光束包括具有在3‑50微米范围内波长的辐射)和在将激光束引导到暴露外表面上时扫描通过选定角度范围的激光束以及测量由从暴露外表面和从内表面反射的辐射叠加形成的干涉图案的强度。可以从干涉图案中的条纹间隔提取厚度。旋转和聚焦元件确保在改变入射角度时在薄片上的点位置保持不变。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及用于移动的薄片(诸如多孔聚合物和纸)的非接触厚度测量或薄材厚度(caliper)测量的干涉测量技术，并且更特别地涉及检测由来自薄片的上表面和下表面的光的反射创建的中红外干涉条纹并且其后从条纹间隔提取厚度的方法。
技术介绍
薄材厚度是纸和塑料产品最重要的质量规格之一。传统的市售在线薄材厚度测量需要测量头物理地接触卷材(web)。接触卷材导致许多问题，其中两个最显著问题是薄片的标记和测量头上的灰尘累积，其导致测量漂移和不精确。更先进的技术使用激光三角测量或共焦显微镜技术，但它们仍然需要测量头接触卷材的一侧。此外，现有技术的光学技术不适合于所有的纸产品，因为它们对薄片的散射性质非常敏感。此外，实现优于1微米精度是一个挑战，因为这些技术依赖于两个独立距离测量结果之间的差。同样地，两个测量结果必须相对于彼此稳定以便获得所需的轮廓精度。这在测量头暴露于频繁的温度变化并且纸和测量头的位置经受持续波动的纸扫描器环境中是难以实现的。本专利技术期望开发用于在生产期间精确测量厚度卷材材料的可靠在线技术。
技术实现思路
本专利技术部分地基于中红外干涉测量在测量卷材厚度方面特别有效的论证。在一个方面中，本专利技术针对一种测量卷材厚度的方法，所述卷材具有第一侧和第二侧，该方法包括如下步骤：支撑卷材以便该卷材具有独立的(free standing)部分，在该独立的部分处卷材具有在第一侧上的暴露外表面和在第二侧上的内表面；以选定的入射角度将激光束引导到暴露外表面上的单个点上，其中该激光束包括典型地具有在3-50微米范围内并且优选地在8-25微米范围内波长的辐射；在将激光束引导到暴露外表面上的点时扫描通过选定角度范围的激光束；测量由从暴露外表面和从内表面反射的辐射的叠加形成的干涉图案的强度；以及从干涉图案中的条纹间隔提取卷材的厚度。优选的提取技术包括通过使用卷材厚度作为可变参数由干涉图案强度与激光束角度的最小二乘拟合到所建立关系的回归分析。另一种技术测量干涉极小值的出现。获得厚度的优选技术是通过将干涉图案拟合到由如下关系给出的公式：I＝A cos(δ) (1)其中I是所测量的强度，A是干涉图案的幅值并且δ是从外表面反射的辐射与从内表面反射的辐射之间的相位差。相位差δ是 δ = 4 π d λ 0 ( n 2 2 - n 1 2 sin 2 θ 1 ) - π - - - ( 2 ) ]]>相位差依据入射角度(θ1)、波长(λ0)、空气折射率(n1)、卷材折射率(n2)和卷材厚度(d)表达，其中角度、波长和折射率是已知的，以及将卷材厚度当作可变参数，诸如通过由调整厚度变量来找到最小二乘误差。在另一个方面，本专利技术针对一种用于测量具有第一侧和第二侧的散射材料薄片的厚度的非接触薄材厚度传感器，其包括：提供入射辐射射束的激光器；用于引导入射辐射朝向在薄片第一侧上的暴露表面上的暴露外表面上的单个点的装置，其中入射辐射以从0到60度的入射角度到达暴露表面；用于检测由在从暴露外表面反射的第一辐射与从第二侧的内表面反射的第二辐射之间的干涉形成的干涉图案的装置；以及用于分析干涉图案以计算薄片厚度的装置。在优选实施例中，将在中红外波长(3-50微米)(其优选地在8-25微米范围内)内的辐射引导到纸卷材上并且记录由在卷材的上表面和下表面处的光反射创建的干涉测量条纹。与较短波长辐射相比，中红外波长较少被纸中的散射所影响，这使得本专利技术的技术适合于不适宜于现有技术的应用。如果薄材厚度传感器波长扩展到远红外(典型地具有50微米到1mm的波长)或者太赫兹范围(典型地具有100微米到1mm的波长)，可以测量在20微米到2-3mm范围内厚度的卷材厚度。卷材不与薄材厚度传感器放置在其中的测量头相接触。可以在需要仅一个测量头的反射几何结构中执行测量。附图说明图1图示了引导向卷材的射束和由卷材的上表面和下表面引起的射束散射；图2-图6示出了薄材厚度传感器的不同实施例；图7示出了在双头扫描仪中实现单侧薄材厚度传感器的薄片制作系统；图8为采用过程测量来计算卷材的薄材厚度的系统的示图；以及图9为强度相对于角度的曲线图，其图示了在λ＝15微米并且假设折射率为1.5的情况下针对80微米厚度产品的条纹干涉信号。具体实施方式本专利技术涉及用于测量薄膜、卷材或薄片的厚度的非接触传感器设备。虽然将以计算纸的薄材厚度的方式图示传感器，但所理解的是传感器可以测量各种平坦材料的厚度，所述平坦材料包括，例如，涂层材料、塑料、织物等等。传感器特别适合于由聚乙烯、聚丙烯、聚对酞酸乙二酯、聚四氟乙烯或聚氯乙烯制成的多孔聚合物(塑料)的厚度检测。图1图示在厚度为d的并且具有上侧和下侧或平面(平面3和平面5)的卷材产品2上入射、反射和折射的电磁辐射射束几何，波长λ0的入射电磁辐射从所述上侧和下侧或平面反射。此外，因为在平面3的不同侧上折射率不同，入射电磁辐射传播到卷材的那部分被折射。上侧(平面3)和下侧(平面5)之间的距离为d。卷材周围空气的折射率为n1，以及卷材内的折射率为n2。在射束7和射束9之间的光程长度差为Δ＝2n2d cosθ2。相应相位差为δ＝k0Δ·π，其中k0＝2π/λ0。在下式处产生干涉极小值：δ＝(2m+1)π，其中m＝0，1，2，... (3)例如，假设平均入射角度为45°，使用的激光波长是15μm，卷材厚度是80μm，并且折射率是1.5，需要±7°范围的入射角度以测量干涉的1个周期。在操作中，一旦获得干涉图案，可以实施标准技术来确定卷材厚度。从频谱提取材料厚度和折射率的一种方法是使用上面等式1中给出的干涉关系来拟合角频谱。可以从该拟合提取厚度d和折射率n2。另一种方法是记录零交叉或干涉极小值的角度，其在满足等式3时出现。通过作为m2的函数绘制在零交叉处sin2θ1的值，获得斜率(λ0/2dn1)2和截距(n2/n1)2。可以计算卷材厚度d。假设n1(典型地空气(n1＝1))是已知的，那么可以计算材料的折射率n2。通常在隐含地或明确地计算卷材的折射率之后计算厚度。本专利技术的薄材厚度传感器优选地使用操作在8-25微米范围内的固定波长处的量子级联激光器(QCL)。可以从(加州圣地亚哥的)Daylight Solution有限公司买到合适的QCL。激光束优选地以0到60度范围内的角度被引导到被监测的卷材，并且测量镜面反射强度。图2示出了薄材厚度传感器，其包括定位在由滚筒30、36支撑的移动的卷材2同侧上的固定QCL 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量卷材厚度的方法，所述卷材具有第一侧和第二侧，该方法包括如下步骤：a.支撑卷材以便卷材具有独立的部分，在该独立的部分处所述卷材具有在第一侧上的暴露外表面和在第二侧上的内表面；b.以选定的入射角度将激光束引导到在第一侧上的暴露外表面上的单个点上，其中所述激光束包括具有在3‑50微米范围的波长的基本上单色的辐射；c.在将激光束引导到暴露外表面上的点上时，扫描通过选定角度范围的激光束；d.测量由从第一侧暴露外表面和从第二侧内表面反射的辐射的叠加形成的干涉图案的强度；以及e.通过利用在激光束入射角度、波长、卷材折射率和卷材厚度之间的关系来提取卷材的厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.11 US 14/103,7331.一种测量卷材厚度的方法，所述卷材具有第一侧和第二侧，该方法包括如下步骤：a.支撑卷材以便卷材具有独立的部分，在该独立的部分处所述卷材具有在第一侧上的暴露外表面和在第二侧上的内表面；b.以选定的入射角度将激光束引导到在第一侧上的暴露外表面上的单个点上，其中所述激光束包括具有在3-50微米范围的波长的基本上单色的辐射；c.在将激光束引导到暴露外表面上的点上时，扫描通过选定角度范围的激光束；d.测量由从第一侧暴露外表面和从第二侧内表面反射的辐射的叠加形成的干涉图案的强度；以及e.通过利用在激光束入射角度、波长、卷材折射率和卷材厚度之间的关系来提取卷材的厚度。2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(e)包括将干涉图案强度分布与激光束入射角度最小二乘拟合到通过使用卷材厚度作为拟合参数的数学关系。3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(e)包括测量干涉极小值的出现。4.一种用于测量具有第一侧和第二侧的散射材料的卷材的厚度的非接触薄材厚度传感器，包括：a.基本上单色的激光器，其提供具有在3-50微米范围内波长的入射辐射的射束；b.用于引导入射辐射朝向薄片第一侧上暴露外表面上的单个点的装置，其中所述入射辐射以相对于卷材表面法线从0到60度的入射角度到达暴露表面上的固定位置；c.用于检测由从暴露外表面反射的第一辐射和从第二侧的内表面反射的第二辐射的叠加形成的干涉图案的装置；以及d.用于分析干涉图案以计算卷材厚度的装置。5.如权利要求4所述的非接触薄材厚度传感器，其中用于引导入射辐射的装置包括设置入射角度的电驱动闭环旋转反射镜系统。6.如权利要求5所述的非接触薄材厚度传感器，其中用于引导入射激光辐射的装置包括：a.光学平坦前表面可倾斜反射镜(8)，其安装在旋转轴线上并且被调节以便它的旋转轴线中心线与光学平坦反射镜(8)的反射表面的平面一致，并且具有与旋转轴线一致的激光束冲击点；以及b.固定的凹面前表面反射镜(4)，其具有回转的外形以便冲击在光学平坦前表面反射镜(4)上的并且中继到固定凹面前表面反射镜(4)的激光束被聚焦并且成像在卷材的第一表面上；以及其中用于检测干涉图案的装置包括：c.固定的凹面前表面反射镜(6)，其具有回转的外形以便由来自卷材的反射激光形成的干涉图案被聚焦并且引导朝向光学平坦前表面可移动反射镜(10)；以及d.光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·蒂克西尔，M·K·Y·休斯，S·萨瓦，
申请(专利权)人：霍尼韦尔有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA