CN103837088B - 光纤传感润版液水膜厚度连续测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传感润版液水膜厚度连续测量系统和方法，该测量系统主要由光源、微聚焦系统、集束光纤探头、步进电机、光电检测器和数据处理系统组成，光源与微聚焦系统固连在一起，微聚焦系统与集束光纤探头连接，集束光纤探头固定在步进电机上，集束光纤探头与光电检测器和数据处理系统依次连接。光源发出的光经微聚焦系统，分别在水膜与空气分界面、水膜与印版交界面处发生反射，两束反射光的光信号相干叠加后进入光电探测器，传输至数据处理系统进行数据处理，得到膜厚数值。利用本测量系统和方法，能在印刷过程中，对印版表面润版液用量通过检测实现数据化，从而实现水墨的动态平衡，帮助操作技术人员提高操作技能，提高印刷产品质量。

Description

光纤传感润版液水膜厚度连续测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种润版液水膜厚度测量系统和方法，具体涉及一种基于光纤传感方式的润版液水膜厚度的连续测量系统和方法，通过利用反射式光纤传感器，将来自光源的入射光经耦合传至发送光纤，对润版液水膜上下表面所产生的反射光束干涉光强进行测量，属于印刷生产及质量控制领域。

背景技术

胶印印刷过程中最基本的印刷原理是利用油水不相溶、印版具有选择性吸附的两大规律使油墨和水在印版上保持相互平衡来实现网点转移，并以此达到印刷品图像清晰、色彩饱满的效果。

水墨平衡的关键就是量的平衡，具体的说就是确定油墨、润版液的用量。对于润版液的用量定性控制目前主要采用版面目测法和辅助判断法两种方法，这些方法对操作人员的经验和水平要求很高，精确程度较低。同时，在实际生产中，随着印刷速度、印刷压力等条件的变化，润版液供给量也需随之调整，才能真正达到所需的水墨平衡。此外，对于现代化高速平印机，因防护罩、自动及半自动供版系统的阻拦，要看版面判断就十分困难，因此只能在校版时对样张的判断，或在印刷中由控制导片及敏感反白字、高百分比网点做检视判断，并无其它更好的检视方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有润版液用量控制过程中存在的问题，提出一种利用光纤传感技术测润版液水膜厚度的连续测量系统和方法。该测量系统和方法能在印刷过程中，对印版表面润版液用量通过检测实现数据化，从而实现水墨的动态平衡，达到帮助操作技术人员提高操作技能，提高印刷产品质量的目的。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种光纤传感润版液水膜厚度连续测量系统，该润版液膜厚检测系统主要由光源、微聚焦系统、集束光纤探头、步进电机、光电探测器和数据处理系统组成，所述的光源与微聚焦系统固接，所述的微聚焦系统与集束光纤探头连接，所述的集束光纤探头固定在步进电机上，所述的集束光纤探头与光电探测器和数据处理系统依次连接。本发明的系统基于光纤传感动态测量润版液水膜厚度。

所述的光源为LD激光器，LD激光器的工作波长为1.3μm，可避开水对光的吸收峰和可见光信号的干扰，从而提高测量用反射信号的精度。

所述微聚焦系统由平凸透镜组组成，所述的微聚焦系统通过多模光纤和FC/PC型标准接口与集束光纤探头连接。所述微聚焦系统对光源发射的激光进行整形后，通过多模光纤经FC/PC型标准接口耦合进集束光纤探头中的入射光纤，该微聚焦系统与激光器直接固连在一起。

所述集束光纤探头结构为Y型，包括入射光纤和接收光纤，光源发出的光经由Y型光纤的第一支路――入射光纤，依次入射到空气-薄膜界面以及薄膜-印版界面后，形成两束反射光，由同一根光纤反射，并耦合进Y型光纤另一支路――接收光纤，最终进入光电探测器。

所述集束光纤探头固定在步进电机上，沿印刷机滚筒轴向方向水平移动，以50μm为间隔长度进行连续测试。

所述光电探测器以光电二极管作为接收器件，将光信号转换为电压信号，输出的电压信号与光电二极管接收的光强成正比。

所述的数据处理系统包括运算放大器、A/D转换器和单片机，对电压信号进行处理。

所述的数据处理系统上还连接输出显示系统，显示得到的润版液膜厚的数值。

基于上述测量系统，本发明提供了一种光纤传感润版液水膜厚度连续测量方法，包括如下步骤：

(1)光源发出的光经微聚焦系统进入集束光纤(入射光纤)传输后，分别在水膜与空气分界面、水膜与印版交界面处发生反射，形成两束反射光；

(2)两束反射光的光信号相干叠加后通过接收光纤进入光电探测器，光电探测器根据该光信号的功率大小，将光强信号转换为电压信号；

(3)将电压信号传输至数据处理系统进行数据处理，得到润版液膜厚的数值。

步骤(3)中，将电压信号通过运算放大器、A/D转换器后将信号传递给单片机进行数据处理，从而得到润版液膜厚的数值，并输出给显示系统。

本发明提供的这种基于光纤传感动态测量润版液水膜厚度的测量系统和方法，利用反射式光纤传感技术，通过探测润版液水膜反射回探测器的光功率大小测量水膜厚度，与传统的只能通过目测定性估计润版液膜厚的方法相比，具有精度高、可靠性高和检测稳定的特点，并可实现连续动态测量，大大提高印刷质量控制技术，从而为现代高质量印刷品提供保障。

利用本系统和方法，能在印刷过程中，对印版表面润版液用量通过检测实现数据化，实现水墨的动态平衡，从而帮助操作技术人员提高操作技能，提高印刷产品质量。

附图说明

图1是光纤传感测试润版液水膜厚度系统模型示意图。

图2是反射式光纤传感装置理论模型示意图。

图3是相干光强与水膜厚度的关系曲线。

图4是本发明提供的基于光纤传感动态测量润版液水膜厚度方法的流程图。

图5是润版液水膜厚度测量的传感探头模型示意图。

主要附图标记：

1 光源 2 微聚焦系统

3 FC/PC型标准接口 4 集束光纤探头

5 印刷机滚筒 6 光电探测器

7 数据处理系统 8 显示系统

9 水膜(润版液薄膜) 10 印版

11 多模光纤 12 入射光纤

13 接收光纤

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的光纤传感润版液水膜厚度连续测量系统主要由光源1及微聚焦系统2、集束光纤探头4、步进电机、光电探测器6和数据处理系统7组成，光源1与微聚焦系统2固连在一起，微聚焦系统2通过多模光纤11和FC/PC型标准接口3与集束光纤探头4连接，集束光纤探头4固定在步进电机上，集束光纤探头4与光电探测器6和数据处理系统7依次连接。

光源1为LD激光器，采用工作波长为1.3μm的半导体激光器作为光源，避开水对光的吸收峰和可见光信号的干扰，从而提高测量用反射信号的精度。

微聚焦系统2由平凸透镜组组成，对光源发射的激光进行整形后，通过多模光纤11经FC/PC型标准接口3耦合进集束光纤探头4中的入射光纤12，微聚焦系统2与激光器直接固连在一起。

集束光纤探头4结构为Y型，包括入射光纤12和接收光纤13，光源1发出的光经由Y型光纤的第一支路――入射光纤12，依次入射到空气-薄膜界面以及薄膜-印版界面后，形成两束反射光，由同一根光纤反射，并耦合进Y型光纤另一支路――接收光纤13，最终进入光电探测器6。

集束光纤探头4固定在步进电机上，沿印刷机滚筒5轴向方向水平移动，以50μm为间隔长度进行连续测试。

光电探测器6以光电二极管作为接收器件，将光信号转换为电压信号，输出的电压信号与光电二极管接收的光强成正比。

数据处理系统7包括运算放大器、A/D转换器和单片机，对电压信号进行处理；数据处理系统7上还连接显示系统8，显示得到的润版液膜厚的数值。

本发明提供的基于光纤传感动态测量润版液水膜厚度的方法，是基于图1所示的反射式光纤动态测试水膜厚度模型实现的，这里的光纤按照功能分为两部分，输入光纤——入射光纤12和输出光纤——接收光纤13。来自光源1的入射光经耦合传至入射光纤12，经过在薄膜上下表面所产生的两束反射光束的干涉光强的测量，测算薄膜上下界面反射光之间的光程差，从而计算得到膜的厚度。

如图2所示，入射光经过入射光纤12射向水膜(润版液薄膜)9，在空气-水膜9交界面处发生反射，形成第一束反射光L₁。入射光线经水膜9传导，在水膜9-印版10的界面处又发生反射，形成第2束反射光L₂，两束反射回去的光经接收光纤13传输至光检测装置。

入射光在空气-水膜9交界处发生的反射，属于镜面反射。当接收光纤近似垂直于印版10表面并且放置在距印版A处时，第一束反射光(输出光)强度I₁为：

I₁＝IA₁cosθ₁ (1)

式中：I为入射光强度，A₁为与润版液薄膜有关的镜面反射系数，θ₁为接收光纤轴向方向与反射方向的夹角。

入射光在经过润版液薄膜上表面后，进入润版液内部。润版液对穿过其中的光有一定的吸收作用，穿过润版液薄膜的光照射到水膜9-印版10交界面。在实际应用中，一般常在印版表面形成砂目，使表面粗化从而有利于形成稳定的亲水薄膜。由于砂目的存在，印版非图文部分表面属于把入射光向四周散射的朗伯表面。因此，穿过润版液水膜的光经过印版后向四周散射，形成空间分布均匀的漫反射光。

考虑薄膜的吸收系数，则接收光纤13接受的这部分反射光强度I₂为：

$I_2={\mathrm{Ie}}^{-2{\mathrm{\μ}}_0}{A}_2{x}^2{\mathrm{cos\θ}}_2---\left(2\right)$

式中：μ₀为润版液的吸收系数，x为润版液膜层厚度，A₂是与物体有关的漫反射系数，θ₂为入射光与物体表面上一点指向光源向量间的夹角。

由于光程差的存在，膜有一定的厚度，第一束光与第二束光之间存在光程差Δ，下式中θ为光的入射角，即：

Δ＝2xcosθ (3)

在近垂直入射的条件下，θ近似为零度，故有如下关系：

Δ≈2xcosθ≈2x (4)

上述两反射光I₁与I₂之间由于光程差的存在会发生光的干涉。只考虑单次反射光发生相干的情况，干涉光的光强度I₃由下式(式中λ为入射光的波长)给出：

$I_3=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}cos\left(\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(5\right)$

由公式(1)、(2)、(4)、(5)，可得如下关系:

$I_3=I(A_1{\mathrm{cos\θ}}_1+A_2{e}^{-2{\mathrm{\μ}}_0}{x}^2{\mathrm{cos\θ}}_2)+2Ix\sqrt{A_1{A}_2{e}^{-2{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{cos\θ}}_1{\mathrm{cos\θ}}_2}cos\left(\frac{4\mathrm{\π}x}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(6\right)$

在实际应用中，可考虑将接收光纤轴向方向安装于光的反射方向，同时由于润版液的实际膜厚较小，因此θ₁≈θ₂≈0，故

$I_3=I(A_1+A_2{e}^{-2{\mathrm{\μ}}_0}{x}^2)+2Ix\sqrt{A_1{A}_2{e}^{-2{\mathrm{\μ}}_0}}cos\left(\frac{4\mathrm{\π}x}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(7\right)$

因此，对于一定的入射光，测量出干涉光强I₃，即可得出润版液的膜厚x。

如图2、图3所示，为相干光强与润版液吸收系数、水膜厚度之间的数值模拟关系曲线，验证了相干光强与水膜厚度的对应关系，即入射光一定时，测得相干光强即可得出润版液厚度x。

如图4所示，表明了本发明提供的基于光纤传感动态测量润版液水膜厚度的方法的流程，具体步骤包括：

步骤1：激光器LD发出的激光信号经微聚焦系统1进入入射光纤12传输后，入射到待测水膜9，在水膜9与空气分界面处发生反射，形成第一束反射光L₁；

步骤2：入射光线经水膜9传输后入射到印版10表面，在水膜9与印版10交界面处再次发生反射，形成第二束反射光L₂；

步骤3：两束反射光的激光信号I₁和I₂相干叠加后通过接收光纤13进入光电探测器6，光电探测器6根据该激光信号的功率大小，将光强信号转换为电压信号V，输出电压与光电二极管接收的光强成正比；

步骤4：电压信号V通过运算放大器、A/D转换器后将信号传递给单片机进行数据处理，从而得到润版液膜厚的数值，并输出给显示系统8。

其中，激光器LD采用工作波长为1.3μm的半导体激光器作为光源，避开水对光的吸收峰和可见光信号的干扰，从而提高测量用反射信号的精度；微聚焦系统2由平凸透镜组组成，对光源发射的激光进行整形后，通过多模光纤11经FC/PC型标准接口3耦合进集束光纤中的入射光纤，该微聚焦系统2与激光器直接固连在一起；集束光纤探头4结构为Y型光纤，光源1发出的光经由Y型光纤的第一支路，依次入射到空气-薄膜界面以及薄膜-印版界面后，形成两束反射光，由同一根光纤反射，并耦合进Y型光纤另一支路，最终进入光电探测器6；集束光纤探头4被固定在步进电机上，沿印刷机滚筒5轴向方向水平移动，以50μm为间隔长度进行连续测试；光电探测器6以光电二极管作为接收器件，将光信号转换为电压信号，输出的电压与光电二极管接收的光强成正比。

如图5所示，为润版液水膜厚度测量的传感探头模型，集束光纤探头4安装在步进电机控制的移动台上，并将光纤的传感探头与待测润版液水膜平面垂直，同时将Y型集束光纤第二支路与光电探测器6、运算放大器、A/D转换器、单片机、显示系统8相连。

记录测量数据时，对激光器LD以及数据处理电路进行供电，待传感器进入正常工作状态后，1.3μm激光信号从激光器发射并经过微聚焦系统2后输入集束光纤，经Y行集束光纤第一支路依次入射到空气-薄膜界面以及薄膜-印版界面后，形成两束反射光，由同一根光纤反射，并耦合进Y型光纤另一支路，最终进入光电探测器6，光电探测器6根据该激光信号的功率大小，将光强信号转换为电压信号V，电压信号V通过运算放大器、A/D转换器后将信号传递给单片机进行数据处理，从而得到润版液膜厚的数值，并输出给显示系统8。

以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，但并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本报发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光纤传感润版液水膜厚度连续测量系统，其特征在于：主要由光源、微聚焦系统、集束光纤探头、步进电机、光电探测器和数据处理系统组成，所述的光源与微聚焦系统固接，所述的微聚焦系统与集束光纤探头连接，所述的集束光纤探头固定在步进电机上，所述的集束光纤探头与光电探测器和数据处理系统依次连接；所述的光源为LD激光器，工作波长为1.3μm；所述微聚焦系统由平凸透镜组组成，所述的微聚焦系统通过多模光纤和FC/PC型标准接口与集束光纤探头连接；所述集束光纤探头结构为Y型，包括入射光纤和接收光纤，所述入射光纤与所述微聚焦系统相连接，所述接收光纤与所述光电探测器相连接；所述集束光纤探头沿印刷机滚筒轴向方向水平移动，以50μm为间隔长度进行连续测试；所述光电探测器以光电二极管作为接收器件，将光信号转换为电压信号；所述的数据处理系统包括运算放大器、A/D转换器和单片机；

所述数据处理系统所用的公式为：

$I_3=I\left(A_1+A_2{e}^{-2{\mathrm{\μ}}_0}{x}^2\right)+2Ix\sqrt{A_1{A}_2{e}^{-2{\mathrm{\μ}}_0}}cos\left(\frac{4\mathrm{\π}x}{\mathrm{\λ}}\right);$

I为入射光强度，A₁为与润版液水膜有关的镜面反射系数；μ₀为润版液水膜的吸收系数，x为润版液水膜层厚度，A₂是与润版液水膜有关的漫反射系数；I₃为干涉光的光强度；λ为入射光的波长。

2.根据权利要求1所述的光纤传感润版液水膜厚度连续测量系统，其特征在于：所述的数据处理系统上还连接显示系统。

3.一种光纤传感润版液水膜厚度连续测量方法，采用权利要求1-2中任一项所述的光纤传感润版液水膜厚度连续测量系统，包括如下步骤：

(1)光源发出的光经微聚焦系统进入入射光纤传输后，分别在水膜与空气分界面、水膜与印版交界面处发生反射，形成两束反射光；

(2)两束反射光的光信号相干叠加后通过接收光纤进入光电探测器，光电探测器根据该光信号的功率大小，将光强信号转换为电压信号；

(3)将电压信号传输至数据处理系统进行数据处理，得到润版液水膜厚度的数值。