CN113310393A - 在电磁干扰的存在下的高精度和高稳定性磁位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明题为在电磁干扰的存在下的高精度和高稳定性磁位移传感器。本发明提供了一种准确并且稳定的位移传感器，该准确并且稳定的位移传感器通过经涂覆的金属基底读取、实现了优于一微米的精度，该准确并且稳定的位移传感器包括：电磁线圈，该电磁线圈定位在第一壳体中；(ii)装置，该装置用于由该电磁线圈产生磁场；(iii)第二壳体，该第二壳体与该第一壳体间隔开，其中该第二壳体包括被配置为测量磁场的双磁传感器，诸如磁通门传感器；以及(iv)装置，该装置用于由磁场测量结果计算该壳体的操作表面之间的间距。可使用永磁体来代替电磁线圈和相关联的驱动能量源。精确位移测量结果由两个磁传感器解调的信号的数学函数(诸如比率或差值)给出。该位移传感器可安装在可操纵的C型框架上，以监测制备用于锂离子蓄电池的阳极和阴极的卡厚。
Description
技术领域
本发明整体涉及用于测定连续片材材料的参数的扫描仪测量系统，并且更具体地，涉及包含金属的片材材料(诸如用于制造电化学电池和蓄电池的阳极和阴极的经涂覆金属箔和基底)的非接触式厚度或卡厚(caliper)测量技术。
背景技术
存在许多种用于测量移动幅材或片材的厚度的方法。例如，非接触式激光卡尺装备包括位于幅材的任一侧上的激光源，该激光源的光被引导到幅材表面上并且随后被反射到接收器。然后使用所接收的激光信号的特征来确定从每个接收器到幅材表面的距离。将这些距离加在一起，并且从两个激光接收器之间的距离的已知值中减去所得到的结果。结果表示幅材的厚度。
为了补偿两个激光传感器之间的距离发生改变的可能性，现有技术系统并入电涡流传感器以检测两个激光传感器之间的距离。通常，电涡流传感器包括射频线圈和金属靶标，射频线圈位于相对于顶部传感器固定的上部传感器壳体处，金属靶标位于相对于下部激光传感器固定的下部传感器壳体处。这些非接触式设备适用于测量纸材和塑料，但不适用于测量导电材料，诸如用于制造锂离子蓄电池的阳极和阴极的经涂覆基底。
本领域需要一种用于测量涂层和膜的厚度和相关特性的准确且可重复的技术，该涂层和膜形成于由含金属材料制成的连续行进的不均匀幅材上。
发明内容
本发明部分地基于高精度和高稳定性位移传感器的开发，该高精度和高稳定性位移传感器测量顶部扫描头部和底部扫描头部之间的距离。位移传感器通过金属材料(诸如用于制造适用于锂离子电化学电池和蓄电池的导电阳极和阴极的经涂覆金属基底)读取。位移传感器表现出优于1微米的精度。
在一个方面，本发明涉及一种磁绝对位移传感器，该磁绝对位移传感器包括：
磁场源，该磁场源定位在限定第一操作表面的第一壳体中；
第二壳体，该第二壳体限定与第一操作表面间隔开的第二操作表面，其中第二壳体包括被配置为测量磁场的第一磁传感器和被配置为测量磁场的第二磁传感器；和
装置，该装置用于由来自第一磁传感器和第二磁传感器的磁场测量结果来计算第一操作表面和第二操作表面之间的间距。
可使用永磁体产生磁场。另选地，可使用由直流电或交流电驱动的电磁线圈在第一壳体中产生磁场。
在另一方面，本发明涉及一种用于监测材料片材的特性的系统，该材料片材可包含金属，其中片材具有第一侧面和第二侧面，该系统包括：
第一构件，该第一构件邻近材料片材的第一侧面设置，该第一构件具有用于产生磁场的装置；
第二构件，该第二构件邻近材料片材的第二侧面设置，该第二构件具有第一磁传感器和第二磁传感器，该第一磁传感器检测磁场并产生第一电信号，该第二磁传感器检测磁场并产生第二电信号；和
用于分析第一电信号和第二电信号装置，该装置用于确定第一构件和第二构件之间的距离的变化。
在又一方面，本发明涉及一种测量幅材的厚度的方法，该幅材具有第一侧面和第二侧面，该方法包括：
提供位于幅材的第一侧面上的第一距离传感器；
用第一距离传感器确定第一距离传感器相对于幅材的第一侧面的位置；
提供位于幅材的第二侧面上的第二距离传感器；
用第二距离传感器确定第二距离传感器相对于幅材的第二侧面的位置；
在相对于幅材的第一侧面上的第一距离传感器的固定位置处产生磁场；
将第一磁传感器和第二磁传感器定位在相对于幅材的第二侧面上的第二距离传感器的相应固定的第一位置和第二位置处；
用第一磁传感器和第二磁传感器测量磁场；以及
由第一磁传感器和第二磁传感器对磁场的测量结果来确定幅材的厚度。
磁位移传感器优选地并入在线扫描系统中，其中被监测的片材在包封电磁线圈和磁传感器的双扫描仪头部之间行进。双扫描仪头部相对于片材沿着横向来回横穿，该片材通常具有0.005mm至5mm的厚度。扫描系统的一个实施方案采用可滑动地移动的具有双臂或构件的C型框架结构，两个扫描仪头部附接到该框架结构上。对于C型框架，磁传感器和其他传感器可直接安装到细长构件上，使得不需要扫描仪头部。在该配置中，永磁体可集成到细长构件中的一个细长构件中或附接到细长构件中的一个细长构件上，该细长构件中的一个细长构件与具有双磁场传感器的另一个构件相对。磁传感器可通过将已知厚度的目标样品定位在上部扫描仪头部和下部扫描仪头部之间的测量间隙或通道中来校准。目标样品可为箔或标准化片。目标样品通过光学位移传感器测量。间隙为OD1+OD2+t，其中ODx为光学位移读数，并且t为厚度。可将其与来自磁传感器的读数进行比较。
然后通过在C型框架结构的上部臂上放置一系列砝码来调节间隙尺寸。间隙尺寸调节由光学位移传感器检测。使用曲线拟合技术由数据构建曲线或数学函数。曲线或参数方程是将来自两个磁传感器的读数的数学运算与间隙的尺寸或距离相关联的校准法。
本发明尤其适用于锂离子电池和蓄电池的阳极和阴极的生产中的质量控制。在制备这些电极时，用阳极或阴极组合物涂覆金属基底或箔，然后在控制电极最终卡厚的组装过程的压制部分中处理经涂覆的箔。卡厚或厚度是关键的电极规格。
本发明的位移传感器通过通常由铜或铝基底组成的电极读取。为了满足锂离子蓄电池规格，需要优于1微米的精度。由于导电电极的缘故，不能使用常规的电涡流传感器。此外，采用测量磁场的两个独立磁传感器的位移传感器表现出所需的精度和可重复性。此外，其不对由电力线、马达和钢辊产生的干扰磁场高度敏感。
已经证明，几十毫特斯拉的1KHz正弦磁场可由定位在上部扫描仪头部中的电磁线圈产生。时变磁场可由两个磁传感器(通常是两个磁通门传感器)感测，这两个磁传感器相隔几厘米定位在下部扫描仪头部中。使用1KHz线圈信号作为同步信号来解调来自磁传感器的信号。精确位移测量结果由两个磁传感器解调的信号的数学函数(诸如比率或差值)给出。
1KHz调制/解调方案产生具有高信噪比的信号，同时过滤掉静态或时变干扰磁场的影响。两个磁传感器输出的比率(或差值)消除了流经线圈的电流变化的影响，并且提供了高度稳定且可靠的测量结果。
附图说明
图1为厚度测量装备的扫描仪头部的示意图；
图2示出了厚度测量装备的操作；
图3示出了在线扫描系统，其中扫描仪头部固定到C型框架结构上，该框架结构安装在平移机构上；
图4示出了另一个在线扫描系统；并且
图5是根据Biot-Savart定律计算的磁通量密度相对于沿中心线的距离的曲线图。
具体实施方式
图1示出了非接触式卡尺传感器系统2的一个实施方案，该非接触式卡尺传感器系统包括定位在沿纵向(MD)行进的幅材或片材8的相对侧上的上部感测扫描仪壳体或头部4和下部感测扫描仪壳体或头部6。上部壳体4的下表面11和下部壳体6的上表面15限定幅材8行进通过的测量间隙或通道54。如果以扫描方式在横向上横跨幅材8进行卡厚测量，则当头部横穿移动的幅材时，将头部对准以直接横跨彼此行进。在一个优选的实施方案中，上部头部4包括第一光学位移传感器10，该第一光学位移传感器计量移动的幅材8的下表面11与顶表面之间的垂直距离。类似地，下部头部6包括第二光学位移传感器14，该第二光学位移传感器计量移动的幅材8的上表面15与底表面之间的垂直距离。邻近第一光学位移传感器10和第二光学位移传感器14的壳体表面11和15分别限定孔11和12。使用吹扫空气防止粉尘通过这些孔进入扫描仪头部。合适的光学位移传感器为得自基恩士公司(KeyenceCorporation)的CL-3000型号共焦成像位移传感器。
除了光学位移传感器之外，还可采用基于激光的三角测量设备；基于核、IR、射频、雷达或微波辐射的设备；基于声学的系统；基于气动的设备。
卡尺传感器系统2也并入了用于测定上部头部和下部头部之间的距离的磁位移或距离测量机构。该机构包括定位在上部头部4中的电磁线圈18以及定位在下部头部6中的第一磁传感器20和第二磁传感器22。两个磁传感器优选地串联定位并且沿着轴线与线圈对准。电磁线圈连接到直流电源或交流电源以产生由这对磁传感器测量的磁场。可使用永磁体作为上部壳体4中的磁场源，而不是使用电磁线圈和相关联的驱动电流源。
在图1所示的配置中，线圈18由交流电流源24驱动，该交流电流源也生成发往解调电路30和32的参考信号42。当磁场由线圈18生成时，磁通门磁传感器20和22生成分别发往解调电路30和32的信号。合适的磁通门磁传感器为得自德州仪器(Texas Instruments)的DRV425型号。通常，磁通门传感器将仅测量高达2mT的磁场；优选的是，使第一磁通门20处的磁场最大化，使得其接近该极限，以便降低外部场干扰期望信号的可能性。解调输出在模数转换器(ADC)36和38中被数字化并被发送到计算机40。另选地，来自磁传感器的信号可发生自解调，而不依赖于同步信号42，以产生解调输出。来自磁传感器20和22的两个测量电压与磁场成比例。包括微处理器和存储器的计算机分析两个测量电压并施加两个光学位移值以计算幅材8的卡厚，该微处理器和存储器包含查找表和/或参数方程。
分析数据并获得位移的一种方法是利用这两个电压的比率或差值。沿着线圈轴线的一点处的磁通量密度可以用Biot-Savant关系计算，并且与沿着线圈轴线距线圈的距离的立方成反比例。因此，两个传感器的位置处的磁通量密度的比率与传感器距线圈的距离的比率的立方相关。B＝μo NIAR2/(2(R2+Z2)3/2)，其中μo＝真空磁导率，N＝线圈绕组数，I＝通过线圈的电流，A＝被线圈包围的面积，Z＝从线圈到传感器的距离，R＝线圈环的半径。因此，B1/B2＝{(R2+Z2 2)/(R2+Z1 2)}3/2。下标1和2是指传感器20和22的所测量磁通量密度和线圈-传感器距离。由于传感器之间的距离是固定的，其中Z2通过传感器间距距离与Z1相关，因此线圈-传感器距离可通过上述关系和从磁通量密度比的变化获得的线圈-传感器距离的变化来计算。然后可使用线圈-传感器距离的变化来校正非接触式卡尺传感器的光学位移设备的上部头部和下部头部的间距距离的变化。类似地，可使用利用两个传感器位置处的磁通量密度之间的差值的关系来计算线圈-传感器距离和线圈-传感器距离的变化。
图2示出了卡尺传感器系统2在测量幅材8的厚度方面的操作，该幅材由涂覆有阳极或阴极层28的金属基底26组成。光学位移传感器10测量从孔12到涂层28的表面的距离l1，并且光学位移传感器14测量从孔16到金属基底26的距离l2。为了进行示意性的说明，传感器10的下表面定位在孔12处并因此与顶部壳体4的下表面11共面，并且类似地，传感器14的上表面定位在孔16处并因此与下部壳体6的上表面15共面。
在该配置中，电磁线圈48具有螺旋结构，并且两个磁传感器20、22与线圈同轴定位。应当指出的是，就磁通门磁传感器而言，其中的线圈相对于电磁线圈48非常小。在设计电磁线圈或永磁体时，通常优选的是选择体积小的一个，使得磁场随着距离快速衰减，以便获得对间隙变化的最高灵敏度。磁传感器20和22的示意图被放大。线圈48通常与磁传感器20分开5mm至25mm，并且与磁传感器22分开10mm至25mm。合适的线圈由大约AWG 30的薄铜线制成，该薄铜线缠绕在塑料线轴中并插入铁氧体中，使得线圈的后部具有铁氧体并且前部不具有铁氧体。幅材8的厚度等于Z减去12和12。
磁传感器20、22与电磁线圈48同心，使得双磁传感器的测量轴线与线圈的对称轴线共线。线圈的形状可为圆形的；已经证明，椭圆形线圈可导致在一个维度上具有改善的空间分辨率的磁测量结果。
幅材8由经涂覆的金属基底(诸如用于制造锂离子电化学电池和蓄电池的阳极和阴极的经电极涂覆的金属箔)组成。幅材8包括涂覆有电极涂层28的铝箔或铜箔26。箔通常为9μm至50μm厚，并且箔的一侧或两侧上的电极涂层的厚度在75μm至400μm的范围内，使得双面涂覆的电极可具有至多850μm的卡厚，并且大部分通常为约250微米的厚度。就阳极而言，电极涂层包含石墨，并且就阴极而言，电极涂层包含锂金属氧化物诸如LiCoO2。电极通常涂覆在箔的两侧上，并且电极涂层还包含粘结剂和导电性增强剂。
1KHz调制/解调方案产生具有高信噪比的信号，同时过滤掉静态或时变干扰磁场的影响。两个磁传感器输出的比率(或差值)消除了流经线圈的电流变化的影响，并且提供了高度稳定且可靠的测量结果。应当指出的是，较高的频率将导致与导电片材相关联的效应更突出和明显。相比之下，较低频率产生较少干扰，但将导致来自解调电路的响应较慢。就直流电场而言，通常使用一个磁通门传感器来测量任何干扰磁场并且该磁通门传感器可用于抵消该效应。直流电场更易受来自周围机械干扰的影响。
在两个头部62、64之间行进的移动片材22的卡厚通过进行光学位移测量d(光学)和电感测量d(电感)来确定。此后，片材22的厚度(t)被计算为具有恒定偏移的两次测量结果之间的差值，即：t＝d(电感)-d(光学)-C。偏移常数通过校准来确定，该校准优选地在传感器偏离片材时，即在头部之间不存在片材时通过取零测量来进行。如前所述，通过测量已知厚度的某物来确定常数。如果头部间距由于机械力或热变化而缓慢改变，则操作者可在标准化过程期间通过扫描已知厚度的片来周期性地计算偏移。此外，标准化规程可用于检测异常状况，诸如光学传感器是否变脏。
除了采用光学位移传感器10、14来测量卡厚之外或作为替代，扫描仪头部可用作用于承载传感器的平台以检测片材特性，诸如水分和基重(就纸材而言)或塑料的特征。这些设备通常使用红外、近红外和微波辐射。合适的传感器在授予Tixier和Hughes的美国专利号9,182,360、授予Hughes和Tixier的美国专利号8,527,212以及授予Tixier的美国专利号7,298,492中有所描述，这些专利以引用方式并入本文。
图3示出了扫描传感器系统60，其中上部扫描仪头部64和下部扫描仪头部66分别安装在C型框架62的细长上臂或构件63和细长下臂或构件65上。刚性构件彼此平行。框架62配备有平移机构69，该平移机构被配置为线性滑动件，C型框架可移动地固定到该线性滑动件。上部头部64并入了第一光学位移传感器10和线圈18，并且下部头部66并入了第二光学位移传感器14和双磁传感器20、22，如图1所示。头部之间的测量通道容纳材料片材。当监测片材时，头部沿着横向(CD)来回移动。
传感器部件可集成到C型框架的构件中或定向地附接到C型框架的构件上，而不是采用固定到细长构件63和65的远端的上部头部和下部头部。例如，永磁体可固定到上部构件63，并且对应的磁通门传感器安装到下部构件65。类似地，共焦位移传感器可直接安装到构件上。
将头部附连在C型框架结构的臂上的特征在于，可在不将双磁传感器从下部头部移除的情况下校准它们。通过在上部头部64上施加不同水平的力，两个头部之间的距离将改变。具体地讲，将砝码递增地放置在上部头部64上以使头部之间的距离减小。将已知厚度的目标样品定位在头部之间，并且可利用头部上的光学位移传感器设备来测量头部之间的距离，同时进行线圈-传感器测量以校准线圈-传感器距离变化。
图4示出了包括双头部扫描仪头部80、82的扫描传感器系统70，其在连续幅材生产期间测量厚度或其他特性。该扫描系统尤其适用于诸如在纸材生产期间监测宽幅材或片材，其中纸材可为超过十米宽。上部头部80和下部头部82分别由两个横梁72和74支撑。头部的操作面限定测量间隙78，该测量间隙容纳沿MD移动的片材76。上部头部80并入了第一光学位移传感器10和线圈18，并且下部头部82并入了第二光学位移传感器14和双磁传感器20、22，如图1所示。双扫描仪头部的横向移动在速度和方向上是同步的，使得它们彼此对准。
对于扫描仪传感器系统70，在将部件并入上部头部和下部头部中之前，脱机校准磁位移传感器。例如，当电磁线圈安装在平移台上时，双磁通门磁传感器可固定到固定平台。当平移台移动时，磁传感器和线圈保持对准。光学编码器或干涉仪测量线圈和固定平台之间的距离。
图5是由针对具有178匝并具有1cm直径的线圈的Biot-Savart定律计算的磁通量密度相对于沿中心线的距离的曲线图。该数据连同所选择的磁检测器的饱和水平一起限定线圈所需的设计参数和线圈-传感器距离。
前述内容描述了本发明的原理、优选实施方案和操作模式。然而，不应将本发明理解为限于所讨论的具体实施方案。因此，上述实施方案应被视为示例性的而非限制性的，并且应当理解，在不脱离由以下权利要求书限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员可在这些实施方案中作出变型。
Claims (10)
1.一种用于监测材料片材的特性的系统(2)，其中所述片材具有第一侧面和第二侧面，所述系统包括：
第一构件(4)，所述第一构件邻近所述材料片材的所述第一侧面设置，所述第一构件具有用于产生磁场(18,24)的装置；
第二构件(6)，所述第二构件邻近所述材料片材的所述第二侧面设置，所述第二构件具有第一磁传感器(20)和第二磁传感器(22)，所述第一磁传感器检测所述磁场并产生第一电信号，所述第二磁传感器检测所述磁场并产生第二电信号；和
用于分析所述第一电信号和所述第二电信号的装置(40)，所述装置用于确定所述第一构件和所述第二构件(4,6)之间的距离的变化。
2.根据权利要求1所述的系统(2)，所述系统还包括第三传感器(10,14)，所述第三传感器测量所述材料片材的特性或特征。
3.根据权利要求1所述的系统(2)，其中所述第一构件(4)具有第一安装头部，并且所述第二构件(6)具有第二安装头部，并且两个安装头部限定间隙(54)，所述材料片材被定位在所述间隙中，并且所述用于分析所述第一电信号和所述第二电信号的装置(40)确定所述间隙(54)的距离。
4.根据权利要求3所述的系统(2)，所述系统还包括：位于所述第一安装头部中的第一距离传感器(10)，所述第一距离传感器可操作以确定所述第一距离传感器(10)和所述材料片材的所述第一侧面之间的第一距离；和位于所述第二安装头部中的第二距离传感器(14)，所述第二距离传感器可操作以确定所述第二距离传感器(14)和所述材料片材的所述第二侧面之间的第二距离。
5.根据权利要求1所述的系统(2)，其中所述第一磁传感器(20)包括第一磁通门传感器，并且所述第二磁传感器(22)包括第二磁通门传感器。
6.根据权利要求1所述的系统(2)，其中所述第一磁传感器(20)和所述第二磁传感器(22)串联定位，其中用于产生磁场(18)的所述装置包括电磁线圈或永磁体，并且其中所述第一磁传感器和所述第二磁传感器(20,22)以及所述电磁线圈或永磁体沿轴线取向。
7.根据权利要求1所述的系统(2)，其中用于分析所述第一电信号和所述第二电信号的所述装置(40)分析所述第一电信号和所述第二电信号之间的比率或差值，以导出所述第一构件和所述第二构件(4,6)之间的所述距离。
8.根据权利要求1所述的系统(2)，所述系统具有可滑动地移动的框架(62)，所述可滑动地移动的框架具有(i)上部细长刚性构件(63)和(ii)下部刚性细长构件(65)，所述下部刚性细长构件平行于所述上部细长刚性构件(63)。
9.一种测量幅材厚度的方法，所述幅材具有第一侧面和第二侧面，所述方法包括：
提供位于所述幅材(8)的所述第一侧面上的第一距离传感器(10)；
用所述第一距离传感器(10)确定所述第一距离传感器(10)相对于所述幅材(8)的所述第一侧面的位置；
提供位于所述幅材(8)的所述第二侧面上的第二距离传感器(14)；
用所述第二距离传感器(14)确定所述第二距离传感器(14)相对于所述幅材(8)的所述第二侧面的位置；
在相对于所述幅材(8)的所述第一侧面上的所述第一距离传感器(10)的固定位置处产生磁场；
将第一磁传感器和第二磁传感器(20,22)定位在相对于所述幅材(8)的所述第二侧面上的所述第二距离传感器(14)的相应固定的第一位置和第二位置处；
用所述第一磁传感器和所述第二磁传感器(20,22)测量所述磁场；以及
由所述第一磁传感器和所述第二磁传感器(20,22)对所述磁场的测量结果来确定所述幅材(8)的厚度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述幅材(8)包括涂覆有阳极或阴极材料(28)的金属基底(26)。
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