宽波段光吸收法聚合物薄膜厚度在线检测技术研究

摘要

聚合物薄膜是一种重要的化学材料。随着石油化学工业和聚合物加工工业的发展，聚合物薄膜的生产、应用也获得了很大的发展，并在农业、包装、化工、国防和人们生活等方面扮演了越来越重要的角色。在聚合物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。聚合物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，聚合物薄膜厚度在线检测一直是人们关心的重要问题。
　　本文采用宽波段光吸收法对聚合物薄膜厚度进行在线检测。针对目前商业化薄膜厚度在线检测装置采用的双波长对比法存在的双单色光测量位置偏差、通用性差等问题，研制一种抗环境干扰能力强、无需配置滤光片、具有长期工作可靠性的薄膜厚度在线检测系统是本文研究的关键问题。在宽波段内应用朗伯定律，并基于宽波段光吸收法建立一种薄膜厚度测量模型是本文研究的又一个重要问题。此外，针对工业聚合物薄膜生产线不停机持续生产的实际情况，根据宽波段光源长期工作时波段光强的变化来补偿光谱强度的波动也是本文研究的一个重要问题。针对上述问题，开展本文的研究工作。本文的主要研究内容如下：
　　（1）根据宽波段光在透过薄膜后的光辐射衰减情况，提出了基于宽波段光吸收法的薄膜厚度在线测量方法。分析了光辐射在介质中传播时的指数衰减规律及物质自发辐射谱和吸收谱的洛伦兹线型。讨论了当一定频率区间内的光辐射在物质中传播时，物质光学厚度光谱分布与光源光谱强度分布的带宽比及两者中心频率偏移率对光学厚度测量的影响。研究了宽波段光吸收法测量物质厚度时，抗系统误差及随机误差的能力。在提出波段朗伯定律概念的基础上，提出了宽波段薄膜厚度测量模型。该模型不需对薄膜的特征吸收带进行分析，适用于在较宽波段内均有光吸收特性的薄膜，且具有很强的抗光谱透过率测量随机误差能力。对厚度为100?m左右的薄膜测量时，仿真误差绝对值在0.4?m以内；实验误差绝对值在0.8?m以内。
　　（2）针对工业现场聚合物薄膜生产的特殊应用要求，研制了宽波段薄膜厚度在线检测系统。根据宽波段薄膜厚度测量模型，建立了光功率与薄膜厚度的函数关系。根据离散函数的特性，采用了基于数值分析的薄膜厚度反演方法。该系统采用宽波段热辐射光源及基于热电堆探测器的光功率计，根据宽波段光吸收法对工业生产线中的聚合物薄膜进行在线扫描检测。分析了光源与探测器相对位置变化对探测器接收光辐射的影响。采用扫描全程的小标样动态标定方法对扫描架导轨进行了标定。标定完成后，测量100?m以内薄膜时，导轨扫描引入的最大误差范围小于0.7?m。
　　（3）针对工业聚合物薄膜生产线长期连续工作的情况，提出了基于波段光强的宽波段光源光谱辐射强度波动补偿方法。该方法通过研究黑体光谱辐射出射度和全辐射出射度的依赖关系，建立了光谱辐射出射度与波段辐射出射度的函数关系式。该方法应用于在线检测系统时，不需要额外增加硬件设备，只需测量光源的波段光强变化即可补偿光源光谱辐射强度的波动，解决了在线检测系统长期工作时光源波动对检测结果的影响问题。在黑体全辐射出射度变化1倍时，绝大多数数据点的补偿结果相对误差绝对值在1％以内。不同电源输入功率下宽波段光源光谱强度拟合相对误差绝对值在1.5%以内。
　　（4）对检测系统进行了实验研究及不确定度分析。采用在线获取方法得到了薄膜样品并使用轮廓仪测量了其厚度。使用傅里叶光谱仪测量了薄膜样品的光谱透过率和光源相对光谱强度。获取了光功率与薄膜厚度的关系曲线，得出检测系统在测量100?m以内薄膜时测量分辨率为0.4?m。使用不同厚度的薄膜标样，对系统检测误差进行了测试实验。系统30个厚度输出值与标准厚度最大偏差在1.5?m以内，其中每个厚度输出值为5次测量的平均值。分析了系统测量不确定度，得到了系统在50?m~150?m的检测范围内，单次测量结果的扩展不确定度（k?2)在3.0?m以内；5次测量均值的扩展不确定度（k?2)在1.7?m以内。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 聚合物薄膜厚度测量方法

1.3 相关技术研究现状

1.4 本研究领域存在的主要问题

1.5 本文的主要研究内容

第2章 聚合物薄膜宽波段光吸收理论研究

2.1 引言

2.2 光的吸收定律

2.3 自发辐射谱和吸收谱的线型

2.4 波段光吸收对朗伯定律的影响研究

2.5 波段光吸收抗误差能力研究

2.6 宽波段薄膜厚度测量模型及仿真

2.7 本章小结

第3章 聚合物薄膜厚度在线检测系统研制

3.1 引言

3.2生产线上的薄膜厚度控制

3.3 系统测量原理

3.4 在线检测系统设计

3.5 扫描全程小标样动态标定

3.6 本章小结

第4章 宽波段光源波动补偿方法研究

4.1 引言

4.2 黑体辐射理论

4.3 黑体光谱辐射出射度与全辐射出射度依赖关系研究

4.4 相对误差意义下的线性回归方法

4.5 基于相对误差线性回归的补偿仿真实验

4.6 本章小结

第5章 实验研究及不确定度分析

5.1 引言

5.2 薄膜样品的获取及厚度测量

5.3 薄膜光谱透过率测量

5.4 宽波段薄膜厚度测量模型实验

5.5 基于傅里叶光谱仪的光源相对光谱强度测量

5.6 光源波动补偿实验

5.7 系统实验及性能分析

5.8 系统的测量不确定度分析

5.9 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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