CN111504206A - 适用于激光在线测厚的振动补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于薄膜制造加工过程中的在线检测领域，更具体的，涉及一种适用于激光在线测厚的振动补偿方法。该方法包括以下内容：(1)运用激光在线测厚系统，在同一测量环境下，对待测带材和高精度铜箔进行在线扫描测量；(2)带材和铜箔测厚数据中均包含扫描测量时的振动误差，铜箔制造精度高，数据中的误差大部分是由振动导致，而待测带材也受到了相似的振动影响；(3)对测厚数据进行频谱分析，观察数据频率组成信息；(4)对比分析待测带材和铜箔频谱的相似性，对数据进行适当处理，很好地去除了振动对在线扫描测厚的影响，实现了测厚数据的振动补偿和精度优化。

Description

适用于激光在线测厚的振动补偿方法
技术领域
本发明属于薄膜制造加工过程中的在线检测领域，更具体的，涉及一种适用于激光在线测厚的振动补偿方法。
背景技术
激光测厚由于安全可靠、测量精度高、测量范围大等优点，广泛应用于纸张、锂离子电池极片、有机电池薄膜，燃料电池电极、功能性薄膜等材料的厚度检测。薄膜制造大多采用低成本、高效率的卷对卷制造工艺，在加工制造的过程中，带材宽幅方向的厚度测量需要采用多传感器或扫描式测量，后者无疑大大降低了成本，但其扫描过程中引入的不可避免的振动影响了测量精度。
关于振动所致误差的控制，现有的振动补偿和精度优化方法主要集中于测厚系统的改进和测厚数据的后处理。如对激光测厚仪进行了模态分析与振动实验，从而改进扫描架的结构；添加额外的激光器和探测器来实现对上下激光位移传感器之间的距离波动的补偿；使用小波变换、稀疏矩阵解法对激光测厚的数据进行数据处理。但这些方法还存在一些问题，一是需要增加一到两套激光器与激光探测器，提高了成本的同时，也增加了安装精度要求；二是在数据处理的过程中会失去数据的真实性。
环境噪声、机械振动、厚度波动等信息都能通过频谱分析聚焦在测厚数据的频谱中，在频谱中只要能够确定振动所在的频率区间，就能较好地消除振动对测量结果的影响，同时保留真实的厚度信息，从而实现振动补偿和精度优化。
发明内容
本发明主要针对目前激光在线测厚过程中振动对测量结果带来的误差问题，提出了一种振动补偿及精度优化方法，该方法能够从测厚数据中分析振动在数据频谱中的体现，并较好地将振动信号分离出来，在保留真实厚度波动信息的前提下实现振动补偿和测量结果的精度优化。
基于此，本发明采用如下技术方案：
一种适用于激光在线测厚的振动补偿方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、运行测厚系统，测厚系统初始化后，设置采样频率f、走带速度Vr和扫描速度Vs；
步骤2、分别将待测带材、铜箔置于测厚系统上，进行扫描厚度测量；
步骤3、对比分析待测带材和铜箔频谱的相似性，对数据进行处理，去除振动对在线扫描测厚的影响，实现测厚数据的振动补偿和精度优化。
进一步的，所述步骤1具体包括以下步骤：
1.1测厚系统初始化后，设置采样频率f、走带速度Vr和扫描速度Vs；
1.2分别将待测带材、铜箔置于测厚系统上，进行扫描厚度测量。
进一步的，所述步骤2中待测带材和铜箔测量过程在相同参数和环境下进行。
对得到的测厚数据进行频谱分析，观察数据频率组成信息。
选择起始频率值a，终止频率值b，计算待测带材和铜箔在所选频率区间内的余弦相似度C0，余弦相似度计算公式为：
Figure BDA0002481822280000021
其中X、Y为带材和铜箔的频率点，n为带宽即n＝b-a。
进一步的，步骤5所述起始频率值a应大于带材厚度波动频率值，终止频率值b应小于振动频率的边界值。
进一步的，步骤5中所述余弦相似度C>0.8时可视为相似。
进一步的，将频率区间向右扩展L，即起始频率值a，终止频率值b+L，计算待测带材和铜箔在新的频率区间内的余弦相似度C1，同时记录对应的频率区间。
进一步的，重复步骤7m次，每次计算的余弦相似度为Cm，直至终止频率值b+mL到达振动频率的所在范围边界fv。
进一步的，比较多次计算得到的余弦相似度(C0～Cm)，选择C>0.8的区间作为相似区间。
进一步的，设计滤波器，滤除步骤9所得频率区间的信号，得到最终结果。
本发明能够从测厚数据中分析振动在数据频谱中的体现，并较好地将振动信号分离出来，在保留真实厚度波动信息的前提下实现振动补偿和测量结果的精度优化。
附图说明
图1是本发明一种适用于激光在线测厚的振动补偿方法的流程图。
图2是通过余弦相似度确定待测带材和铜箔频谱相似区间的流程图。
图3是以锂离子电池极片在线扫描测量为例的电极测厚、铜箔测厚频谱图。
图4是以锂离子电池极片在线扫描测量为例的振动补偿前后电极、铜箔测厚数据对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、方案和优点更清楚，兹例举以下实施例，结合附图对本发明作进一步地详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
附图1是本发明一种适用于激光在线测厚的振动补偿方法的流程图；附图2是通过余弦相似度确定待测带材和铜箔频谱相似区间的流程图。
本发明以锂离子电池极片辊压过程和整线制造过程中在线扫描测厚为例，对本发明进行详细说明。所用测厚系统为双激光位移传感器上下差动式测厚系统，所用激光位移传感器型号为基恩士LK-H025，所用测量材料为180.5μm厚电池极片和15μm厚铜箔。
具体地：
1.运行测厚系统，测厚系统初始化后，设置采样频率f＝100Hz、走带速度Vr＝1m/min、扫描速度Vs＝55mm/s。
2.分别将电池极片、铜箔置于测厚系统上，在相同参数和环境下进行扫描厚度测量，测量结果如附图4中Raw Data数据点所示。
3.对得到的测厚数据进行频谱分析，观察数据频率组成信息，电极和铜箔频谱图如附图3所示，其中上三幅为电极频谱，下三幅为铜箔频谱。电极和铜箔测厚数据中均包含扫描测量时的振动误差，铜箔制造精度高，数据中的误差大部分是由振动导致，而在相同条件下进行测量时，电极也受到了相似的振动影响。因此，振动在二者频谱中的体现是相似的，频谱差异较大部分为本身厚度波动信息的体现。
根据附图3可知，在125Hz左右频谱幅值已经很小，可视为振动截止频率。此外，电极和铜箔厚度波动均为低频信号(<2Hz)。起始频率值a应大于带材厚度波动频率值2Hz，终止频率值b应小于振动频率130Hz。基于此，选择起始频率值a＝10Hz，终止频率值b＝40Hz，计算待测带材和铜箔在所选频率区间内的余弦相似度C0＝0.876，规定相似度大于0.8即可视为相似。余弦相似度计算公式为：
Figure BDA0002481822280000041
其中X、Y为带材和铜箔的频率点，n为带宽即n＝b-a＝90Hz。
完成初始余弦相似度的计算后，将频率区间向右扩展L＝1Hz，即起始频率值a＝10Hz，终止频率值b+L＝41Hz，计算待测带材和铜箔在新的频率区间内的余弦相似度C1＝0.882>0.8,可视为在新的频率区间(10Hz～41Hz)内，电极和铜箔具有相似的频谱，记录此时对应的频率区间10Hz～41Hz。
重复步骤7m次，每次计算的余弦相似度为Cm，直至终止频率值b+mX到达振动截止频率125Hz。
通过循环计算余弦相似度，发现在103Hz过后，余弦相似度呈现减小趋势，并小于0.8。此时选择10Hz～103Hz频率区间作为振动表征区间。
设计滤波器，滤除步骤7所得频率区间(10～103Hz)的信号，得到最终结果如附图4Processed Data数据点所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于激光在线测厚的振动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：运用激光在线测厚系统，在同一测量环境下，对待测带材和高精度铜箔进行在线扫描测量；
步骤2：对得到的测厚数据进行频谱分析，观察数据频率组成信息；
步骤3：对比分析待测带材和铜箔频谱的相似性，对数据进行处理，去除振动对在线扫描测厚的影响，实现测厚数据的振动补偿和精度优化。
2.根据权利要求1所述的适用于激光在线测厚的振动补偿方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
1.1测厚系统初始化后，设置采样频率f、走带速度Vr和扫描速度Vs；
1.2分别将待测带材、铜箔置于测厚系统上，进行扫描厚度测量。
3.根据权利要求2所述的适用于激光在线测厚的振动补偿方法，其特征在于，所述步骤1.2中待测带材和铜箔测量过程在相同参数和环境下进行。
4.根据权利要求1或2或3所述的适用于激光在线测厚的振动补偿方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
3.1选择起始频率值a，终止频率值b，利用余弦相似度计算公式计算待测带材和铜箔在所选频率区间内的余弦相似度C0，余弦相似度计算公式为：
Figure FDA0002481822270000011
其中X、Y为带材和铜箔的频率点，n为带宽即n＝b-a；
3.2将频率区间向右扩展L，即起始频率值a，终止频率值b+L，利用余弦相似度计算公式计算待测带材和铜箔在新的频率区间内的余弦相似度C1，同时记录对应的频率区间；
3.3重复步骤3.2m次，每次计算的余弦相似度为Cm，直至终止频率值b+mL到达振动频率的所在范围边界fv；
3.4比较多次计算得到的余弦相似度(C0～Cm)，选择C>0.8的区间作为相似区间；
3.5设计滤波器，滤除步骤3.4所得频率区间的信号，得到最终结果。
5.根据权利要求4所述的适用于激光在线测厚的振动补偿方法，其特征在于，步骤3.1所述起始频率值a大于带材厚度波动频率值，终止频率值b小于振动频率的边界值，当C>0.8时，视为相似。
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