片材、板材、薄膜在线测厚仪的技术改造

摘要：除了购置新的薄膜测厚设备外，对原有设备进行技术改造，也不失为是一种提升薄膜测厚能力的好方法。通过升级硬件和软件的功能，改造后的设备不仅可维护性好，系统性能稳定，且改造费用极低。

薄膜厚度是否均匀一致是检测薄膜各项性能的基础。显然，单层薄膜的厚度不均匀，不但会影响到薄膜各处的拉伸强度和阻隔性能，还会影响薄膜的后续加工。对于复合薄膜，厚度的均匀性更加重要，而且只有每一层树脂的厚度实现均匀，整体厚度才可能均匀。显然，薄膜厚度是否均匀，其厚度值是否与预设值一致，或者厚度偏差是否在指定的范围内，成为了薄膜是否能够具有某些特性指标的前提。因此，薄膜厚度测量在薄膜制造业的基础检测项目中显得尤为重要。

测厚仪是测量与调节薄膜厚度的重要设备，它不仅有显示薄膜厚度的功能，而且还能够反馈控制薄膜的厚度，这种反馈控制功能包括:控制模头膨胀螺栓的加热功率或温度，进而调节薄膜的横向厚度;通过控制计量泵或铸片的转速，调节薄膜的纵向厚度。对于BOPP薄膜测厚而言，目前应用最多的是在线测厚仪，它分为多种形式，如β射线测厚仪(厚片测厚使用Kr85源，薄膜测厚使用Pm147源)、X射线测厚仪和近红外在线测厚技术等。

近年来，我国引进了一些二手BOPP薄膜生产线，同时还包括10年前引进的BOPP薄膜生产线。这些老式的在线测厚仪大都采用"各种控制板+DOS版本"的计算机平台进行组态，并采用磁带机进行备份和下载程序。然而，由于测厚仪测控技术的更新速度快，老式测厚仪的零部件往往得不到及时供应，甚至有些程序丢失，基本上都处于瘫痪状态。而新购测厚设备的投资成本较高，因此有必要对这些设备进行技术改造，从而达到周期短、见效快和投资省的目的。

技术改造的内容

1.原系统简介

原有的塑料薄膜测厚系统主要包括:O型架扫描测量(薄膜)系统，包括放射源、探测器及扫描驱动装置;C型架扫描测量(厚膜)系统，包括放射源、探测器及扫描驱动装置;主机系统，包括主计算机、A/D转换板、计数板和I/O板等，以及显示器和记录仪等外围部件。

原测量系统存在的问题是:主机部分程序已损坏(采用磁带存储)，硬件部分设备老化，而且备件已无法购买。

2.系统改造说明

(1)硬件:保留原系统的测量部分(放射源、电离室及前置放大器)和电气驱动控制部分，并用新的工控机替换原计算机部分。工控机设在操作员控制室内，而信号取自现场测量头。主机及内部板卡全部采用研华原装产品。

(2)软件:新配置软件不仅具有原测厚软件的所有功能，而且采用中文界面，可以在Windows操作系统平台使用。

软件的主要功能

1.扫描过程的自动控制

工控机通过软件同时控制两个扫描架的各种动作。每个扫描架都有测量头退出、自动校正、扫描测量和帧校正等几个动作模式，在测量开始前，需要对其进行参数设置。在扫描测量和帧校正的过程中，需要每10ms采集一次数据。当扫描架进行断膜处理时，应立即执行退出命令。另外，O型扫描架还可实现远程操作台控制。

2.β射线测厚

(1)测量原理:测厚仪的测量原理是基于β射线在物质中的衰减定律，即I=I0e-μx。其中，I0是入射强度，I是透过强度，x是物质的厚度(单位:μm)，μ是与物质和射线能量有关的常数。

由上式可得到物质的厚度为x=(1/μ)·ln(I0/I)。

实际上，(I0/I)由在测量中计算出的标准化量Y确定。Y=(I-Ibs)/[(Ias-Ibs)×16000]，其中Ibs是放射源关闭时的电压值，Ias是放射源全开而无任何测量物时的电压值，I则是有测量物时的电压值。显然，厚度值与标准化量之间呈对数关系。

(2)非线性补偿:通过测量一系列标准板，可建立一组反映厚度值x与标准化量Y之间的关系表。再利用"对数插值"的方法，可由标准化量直接求出厚度值。

(3)放射源衰变校正:

由于不同的放射源其半衰期是不同的，如Kr-85放射源的半衰期是10.6年，Pm-147放射源的半衰期是2.5年，而放射源衰变对测量的影响比较显著，因此，在每次开始扫描测量时，需要首先进行自动校正，以消除放射源衰变的影响。同时，在扫描测量过程中，还需要对标准化量进行如下修正:

Y=(I-Ibs)/[(Ias-Ibs)×16000×exp(0.693×t/T)]

其中，T是放射源的半衰期(单位:s)，t是自上次校正起经过的时间(单位:s)。

(4)温度补偿:温度发生变化，会导致放射源和探头之间的空气层的密度发生变化，进而影响测量的准确性。因此，需要在测量过程中对温度的影响进行补偿。对于Kr-85测厚仪，温度每变化10℃，密度变化2.3g/m2(2.473μm);对于Pm-147测厚仪，温度每变化10℃，密度变化1.6g/m2(1.72μm)。由此可知，计算每个测量点的厚度值，还需要加上一个温度补偿量。

(5)帧校正:帧校正是为了修正运动中的测量头，由于机械原因产生的与其在静止状态测量时的差异。校正过程是:在无测量物情况下，测量头自动往返多次，软件自动记录下各点的测量数据，即正负偏差，用来对此后的扫描测量结果进行修正。

3.图形显示界面

软件可提供多种形式的图形显示界面。其中，单次扫描画面可显示每次单程扫描结束后的厚度剖面曲线。叠加画面可在不清除以前的厚度剖面曲线的基础上，将新的厚度剖面曲线叠加进来。平均画面在每次单程扫描结束后，可将各个点的厚度值与以前多次测得的结果进行加和取平均值，显示所得测量结果的平均剖面曲线。

4.历史数据的储存、查阅和打印

软件可提供两种方式，对历史数据进行储存和查阅。第一种是在每个单程扫描结束后，自动保存开始时间、序列号、设定值、平均值和最大偏差值等数据，并通过记录仪画面查阅趋势曲线，移动光标可调出任意一次扫描的数据。第二种是人为地选择保存单次扫描的剖面曲线，并在查阅界面中翻阅。这两种方式均有打印功能。

陕西波特兰电子科技有限责任公司拥有丰富的塑料薄膜在线测厚仪的技术改造经验，可对原有在线薄膜测厚仪设备进行技术改造。与老式塑料薄膜在线测厚系统相比，通过此项技术改造的测厚仪不仅功能强大、可维护性好，而且系统性能稳定，改造费用极低(仅在10万元以内)。改造后的设备不仅可满足片材、板材、薄膜的在线测厚要求，还可用于BOPS/BOPET等薄膜的在线测厚。

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