CN113508276A - 用于测定施覆至衬底的层的层厚的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测定施覆至衬底的层，特别是涂/镀层的层厚的方法，在所述方法中，通过用至少一个辐射源进行辐射和/或感应来加热所述经涂布/涂覆衬底的至少一个表面区域，并且用检测装置对所述至少一个表面区域所发出的热辐射进行检测。优选地，根据所述发出的热辐射来测定所述层厚。所述至少一个辐射源对所述至少一个表面区域进行辐射并加热以及/或者进行感应加热。所述表面区域所发出的热辐射表征某个特定的层厚，所述检测装置对该热辐射进行检测并传输至所述评价装置。通过将检测到的热辐射曲线与校准曲线进行对比，所述分析装置可以测定出所述层厚并且输出测量值。本发明还涉及一种用于测定施覆至衬底的层的层厚的装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定施覆至衬底的层，特别是涂/镀层的层厚的方法，在所述方法中，通过用至少一个辐射源进行辐射和/或感应来加热所述经涂布/涂覆衬底的至少一个表面区域，并且用检测装置对所述至少一个表面区域所发出的热辐射进行检测。本发明还涉及一种用于测定施覆至衬底的层的层厚的装置。
背景技术
现有技术揭示过一种被称为光热法的方法。在某个位置上用激光器辐射经涂布/涂覆的衬底。层在该处被加热并且特别是根据层厚和涂布/涂覆材料发出热辐射，检测器对这个热辐射进行检测。热辐射的发射相对于辐射而言有所延迟，即具有所谓的相移Φ。可以通过测定Φ、所发出的热辐射特别是这个热辐射的波长，并且根据已知的校准曲线来测定层厚。
发明内容
本发明的目的是，改进本文开篇所述类型的方法，以便例如在塑料形成的汽车车身附件上或者手机的涂漆金属壳体上实现涂/镀层厚度测量。
本发明用以达成上述目的的解决方案为，根据所发出的热辐射来测定层厚。
为测定层厚，可以完整地对待测量表面进行检测，或者将待测量表面分为多个单个的待测量表面区域，可以将这些表面区域的平均表面区域层厚合并成该表面的层厚剖面。至少一个辐射源对至少一个表面区域进行辐射并加热以及/或者进行感应加热。该表面区域所发出的热辐射表征某个特定的层厚，检测装置对该热辐射进行检测并传输至评价装置。通过将检测到的热辐射曲线和/或由热辐射曲线求得的参数，特别是相移Φ与校准曲线进行对比，分析装置可以测定出层厚并且输出测量值或层厚剖面。
如果通过辐射和感应来进行加热，就能有利地实现极佳且快速的加热。
如果实施感应加热，就能特别精确地实现对介于2至10μm的层厚的测定。
优选地，用单色和/或相干辐射源或者用某个特定波长范围的电磁辐射对至少一个表面区域进行辐射，该波长范围优选为200nm至15μm，特别是200至750nm、800至3500nm或4至13μm。辐射源例如可以构建为激光器，其波长为200至1000nm。同样可以将CO2激光器用于10.6μm的波长，或者将QCL激光器(＝量子级联激光器)用于4至13μm的波长。
如果需要用某个特定波长范围的电磁辐射进行辐射，可以应用一或多个特别是彩色(例如蓝色)的发光二极管(light emitting diodes；LED)。这一点在保护性外壳护套的涂/镀层或手机壳体是彩色的情况下特别有利。通过选择适宜的辐射源，能够极佳地吸收辐射，从而实现极佳的加热，使得热辐射的发射可以被检测到。吸收得越好，用来测定层厚的测量结果就越好。
此外，可以应用在紫外线或红外线波长范围内进行辐射的发光二极管。辐射源优选具有近红外区内的波长或波长范围，特别是介于800与1600nm。用于加热待测量的涂布/涂覆衬底的波长或波长范围不处于对操作人员可见的波长范围内。有利地，所述装置可以具有敞开的壳体，并且在不设置屏蔽装置或遮光器的情况下工作。结构由此得到简化，并且为装置的操作人员提供特别安全的工作位置。
此外，热辐射器，例如辐射加热器可以充当辐射源。
在本发明的一种技术方案中，用相同或不同的多个辐射源对至少一个表面区域进行辐射。相同的辐射源发出相同的波长或相同的波长范围，而不同的辐射源发出不同的波长或不同的波长范围。在中心波长互不相同的情况下，波长范围不同。有利地，在应用多个相同的辐射源的情况下，提供特别高的加热功率。此外，可以对面积可达数平方厘米或数平方米的表面区段进行辐射以实施层厚测定。
进一步有利地，可以为现有的测量装置补充一或多个较佳不同的其他辐射源，以便在特别是以不同方式涂布/涂覆的另一衬底上实现层厚测量。例如可以通过用发光二极管进行辐射来测定施覆至车厢的最上方涂/镀层的厚度，而处于下方的充填层的厚度可以通过用卤素灯进行辐射来测定。
此外，多个辐射源可以被插入单独一个壳体。这些辐射源可以为多个不同的发光二极管(LED)。
优选地，用多个辐射源对至少一个表面区域进行辐射，其中的每个辐射源适于产生某个特定波长范围或某个特定波长的电磁辐射。如果应用多个不同的辐射源，就能以特别大的波长范围进行辐射。例如可以用红色、绿色和蓝色LED来进行特别是同时的辐射。有利地，特别是可以与待测量层的颜色无关地实施层厚测定。这样就能灵活地使用装置来实施所述方法。
多个辐射源的波长范围可以不具有重叠范围。
此外，可以应用超辐射发光二极管，其在具有高度空间相干性的同时发出较大波长范围的电磁辐射。有利地，单独一个辐射源就足以用单独一个装置来测定不同颜色的层的层厚。
在本发明的另一技术方案中，以周期性调制的方式特别是以0.01至2000Hz，优选20至800Hz的频率对至少一个表面区域进行辐射。优选针对每个周期对表面区域的温度变化进行检测。通过周期性的辐射，评价装置可以测定出每个周期的层厚值或每个周期的一层层的厚度。可以通过取所有周期的平均值来测定出特别精确的层厚值。
10至800Hz，优选140至500Hz的频率对塑料衬底而言特别有利。
0.5至10Hz的频率有利于测定粉末涂层衬底的层厚，而在金属的汽车构件或汽车车身上进行涂/镀层厚度测量需要2至120Hz的频率。借助于本发明的方法，特别是可以对例如已施覆至电泳漆(ETL)的粉末层的厚度进行极佳的测量。
如果需要对施覆至带材的层的厚度进行测定，则5至500Hz的频率较为有利。
在本发明的另一技术方案中，通过光脉冲对至少一个表面区域实施一次性的辐射。有利地，可以实现高的单位面积功率。这种光脉冲优选具有红外区(IR)内的波长或波长范围，并且可以由脉冲辐射源产生。
在本发明的一种技术方案中，至少一个辐射源依次对优选相邻的多个表面区域进行辐射，并且通过评价装置生成待测量表面的优选可以用图形表示的层厚剖面。这样就能将较大的衬底的表面分成多个较小的表面区域，依次将这些表面区域加热并且进行测量，从而测定出整个表面的层厚剖面。此外，单独一个表面区域可以对应于整个待测量表面。
例如可用图形表示的层厚剖面可以直接在显示屏上显示给操作人。通过选择适宜的层厚极限值，可以直接显示出在某些位置上是否超过或低于这些极限值。这样就能实现简单的品控。可以将未正确涂布/涂覆的样品筛选出衬底剔除。
在本发明的一种特别技术方案中，依次或同时用至少一个辐射源以脉冲式或周期性调制的方式对共同形成整个表面的全部表面区域进行辐射。如果以周期性调制的方式进行辐射，就能实现连续的测量和连续的测量数据检测。这样就能在连续的制程中使用本发明的装置，例如在汽车生产中或在制造涂布/涂覆带材或薄膜时用于涂/镀层厚度测量。
为对大面积涂布/涂覆的构件，例如汽车的喷漆保险杠实施品控，该至少一个辐射源、用于感应加热的装置和/或检测装置可以为可动的，并且优选安装在工业机器人上。这样就能从该构件旁边经过。有利地，可以为现有的生产线补充所述装置。
优选地，至少一个表面区域的大小特别是直径为0.2μm至200cm，优选1至20μm或0.2至2cm。待检查的衬底越小，待检查的表面区域就可以越小。在保护性外壳或手机壳体中，表面区域例如可以包括朝向辐射源的整个表面或者大小为1至2μm，而在经涂布/涂覆的汽车保险杠中，表面区域可以相当于朝向辐射源的整个表面或者大小可以为0.5mm至2cm。
在本发明的一种技术方案中，倾斜或平行于表面区域法线地对至少一个表面区域进行辐射。在对表面进行干涉测量以测定该表面的例如光学特性时，必须平行于表面法线地进行辐射，而这在本发明的方法中不是必要的。即使在倾斜于表面区域的表面法线进行辐射的情况下，也能可靠地测定层厚。有利地，可以在经涂布/涂覆的弯曲衬底中可靠地测定层厚。无需对辐射源、用于感应加热的装置和/或检测装置重新定位。
优选地，对具有特别是金属的导电材料的衬底和/或具有特别是金属的导电材料的层实施感应加热。如果需要实施感应加热，该层或该衬底必须包含导电材料。同样可以同时或依次实施感应加热以及通过辐射加热，或者通过辐射来加热一些表面区域并对其他表面区域实施感应加热。
在本发明的一种技术方案中，所述装置集成在光学和/或机械坐标测量系统中。有利地，在测量构件时，特别是在实施品控时，可以视情况同时实施附加的层厚测定。
经涂布/涂覆的衬底可以为涂漆构件，如汽车的外后视镜或保险杠，或者为手机或笔记本电脑的涂漆壳体或涂漆保护性外壳。
在所述方法的一种特别技术方案中，在辐射和/或感应加热开始前对经涂布/涂覆的衬底进行预热。有利地，通过预热能够更精确且更可靠地测定层厚。
衬底可以由不同材料形成，例如由金属、有机和/或无机材料形成，特别是钢、铝或镁，或者塑料，如聚丙烯、聚氨酯或聚硅氧烷，或者陶瓷，如氧化铝或氧化锆。
此外，可以用本发明的方法在特别粗糙的衬底，例如喷砂衬底上可靠地测定层厚。
附图说明
下面参考实施例和与这些实施例相关的附图对本发明进行详细说明。其中：
图1为本发明的方法以及示意性示出的本发明的装置的第一实施方式的透视图，
图2为示意性示出的本发明的装置的第二实施方式的透视图，
图3为示意性示出的装置的另一实施方式的透视图，
图4为示意性示出的装置的第四实施方式的透视图，
图5为示意性示出的装置的另一实施方式的透视图，
图6为示意性示出的装置的第六实施方式的透视图，
图7为示意性示出的装置的另一实施方式的透视图，
图8为示意性示出的装置的另一实施方式的侧视图。
具体实施方式
图1以透视图示意性示出的用于对施覆至手机保护壳(2)的涂/镀层(3)进行测定的装置(1)包括辐射源(5)，该辐射源具有多个在IR范围发射的发光二极管(LED)(4)，该辐射源的以虚线示意性示出的辐射锥(6)适于对朝向光源(5)的涂漆表面(7)进行辐射。尽管可以对涂漆表面(7)进行脉冲式闪光，但在这个实施例中采用频率为200Hz的周期性辐射。
此外，装置(1)包括检测装置(8)，该检测装置构建为辐射热测量计相机且可以对整个涂漆表面(7)进行检测。检测区域(9)由双点划线示出，在这个实施例中包括整个涂漆表面(7)。
辐射热测量计相机(8)的每个像素均产生一个测量信号，也就是涂漆表面(7)上的单个测量点(10、11、12)中的时间温度曲线。
为清楚起见，图1至6分别例示性地示出三个测量点(10-12)。
评价装置(13)根据该测量信号来在相应的测量点(10-12)上测定施覆至手机保护壳(2)的涂/镀层(3)的厚度。为此，在评价装置(13)中存储有校准曲线，根据这些校准曲线为相应测量点(10-12)的测量信号分配该测量点中的一个层厚。
此外，评价装置(13)与显示屏(14)连接，可以在该显示屏上示出单个测量值或层厚剖面，也就是多个测量点上的层厚分布。
特别有利地，在评价装置(13)中存储有层厚的极限值，且层厚剖面绘示为彩色的，具体方式是，涂布/涂覆过厚的表面区域例如绘示为黄色，涂布/涂覆过薄的表面区域绘示为红色，且处于所需层厚范围内的表面区域绘示为绿色。有利地，装置(1)的操作人员可以快速识别出涂漆过薄或涂漆过厚的表面。
尽管检测装置(8)在这个实施例中构建为辐射热测量计相机，但同样可以构建为IR相机或用于检测热辐射的其他传感器阵列。
此外，尽管装置(1)可以三维运动，但在这个实施例和以下的实施例中，该装置可以在箭头(15、16)的方向上竖直地和水平地二维运动，其中与表面区域的距离优选恒定地为10cm。
此外，由辐射源(5)、检测装置(8)和/或评价装置(13)构成的组件位置固定地布置，导引手机保护壳(2)从该组件旁边经过以测定涂/镀层厚度。
这一点可以通过该装置的操作人员手动实施或用机器实施。
现参阅图2，在该图中，与图1相同或功能相同的部件用相同的参考符号表示，且相关参考符号分别附加有字母a。
图2示意性示出的装置(1a)包括具有超辐射发光二极管(4a)的辐射源(5a)，该辐射源适于在150Hz的频率下以波长范围在500至800nm的光脉冲式或周期性地对涂漆表面(7a)进行辐射。
现参阅图3，在该图中，与图1和图2相同或功能相同的部件用相同的参考符号表示，且相关参考符号分别附加有字母b。
图3以示意图示出的装置(1b)适于对施覆至金属构件(2b)的粉末涂料(3b)的厚度进行测定。在这个示例中，通过用辐射源(5b)进行辐射以及通过安装在构件(2b)的背离检测装置(8b)的一侧(17)上的感应装置(18)感应地加热涂漆表面(7b)。在这个实施例中，检测装置(8b)构建为可以对粉末涂料表面(7b)进行检测的辐射热测量计相机。
可以仅对涂漆表面(7b)实施感应加热。
现参阅图4，在该图中，与图1、图2和图3相同或功能相同的部件用相同的参考符号表示，且相关参考符号分别附加有字母c。
图4所示装置(1c)与图1至3所示装置的区别在于，设有对涂漆表面(7c)进行辐射的两个不同的辐射源(5c、19)。在这个实施例中，第一辐射源(5c)包括多个蓝色发光二极管(4c)，第二辐射源(19)包括具有辐射锥(21)的热辐射器(20)，该辐射锥对整个涂漆表面(7c)进行辐射。
现参阅图5，在该图中，与图1至4相同或功能相同的部件用相同的参考符号表示，且相关参考符号分别附加有字母d。
图5所示用于测定层(3d)的层厚的装置(1d)与图1至4所示装置的区别在于，并非对整个涂布/涂覆表面(7d)进行辐射，而是仅对若干分散的表面区域(22、23、24、25)进行辐射。依次用辐射源(5d)的激光器(4d)一次性或周期性地辐射表面区域(22-25)以进行加热，且检测装置(8d)对所发出的热辐射进行检测。激励点的大小，也就是在相应表面区域(22-25)内入射至表面(7d)的激光束的直径相当于优选呈圆形的被辐射表面区域(22-25)的大小，但测量点可以小于激励点。评价装置(13d)对每个表面区域(22-25)的层(3d)的层厚进行测定，并且可以将厚度值显示在显示屏(14d)上，或者通过对表面区域(22-25)的层厚值进行内插和外推来求得涂布/涂覆表面(7d)的层厚剖面并且显示出来。
现参阅图6，在该图中，与图1至5相同或功能相同的部件用相同的参考符号表示，且相关参考符号分别附加有字母e。
图6a所示装置(1e)与图1至5所示装置的区别在于，辐射源(5e)的光路与检测装置(8e)的光路部分地平行。为此，用于辐射表面(7e)的辐射源(5e)与检测装置(8e)相互垂直。通过二向色分束器(26)将辐射源(5e)的光朝表面(7e)方向偏转，通过加热表面(7e)所发出的热辐射可以朝检测装置(8e)方向穿过分束器(26)。有利地，这个实施方式能够与辐射源(5e)与表面(7e)的距离无关地精确测定层厚。在这个实施例中，尽管层厚的测定是在某些特定的表面区域(22e-25e)内实施，但可以对整个涂漆表面(7e)进行辐射。
此外，图6b所示分束器(26)构建为穿孔镜，其中辐射源的光穿过穿孔镜中的孔洞，并且通过穿孔镜的反射部分将所发出的热辐射朝检测装置方向偏转。在将激光器或具有高空间相干性的辐射源，如超辐射发光二极管用作辐射源(5e)的情况下，穿孔镜特别有利。
现参阅图7，在该图中，与图1至6相同或功能相同的部件用相同的参考符号表示，且相关参考符号分别附加有字母f。
图7所示装置(1f)与图1至6所示装置的区别在于，所述装置(1f)适于测定经涂布/涂覆的带材(2f)的层厚。
辐射源(5f)以脉冲式或周期性调制的方式对经涂布/涂覆的带材(2f)的狭窄表面区域(27)进行辐射，该带材沿箭头(28)方向从装置(1f)旁边经过，该箭头平行于带材(2f)的运动方向延伸。可以设置未在图7中示出的输送构件来移动带材(2f)，该输送构件例如可以包括卷盘。
位置固定的检测装置(8f)对运动的狭窄表面区域(27)所辐射的热量进行检测，并且通过取平均值由多个测得的层厚求出平均层厚。
现参阅图8，在该图中，与图1至7相同或功能相同的部件用相同的参考符号表示，且相关参考符号分别附加有字母g。
图8中以侧视图示出的装置(1g)与图1至7所示装置的区别在于，设有用于形成辐射锥(6g)的辐射源(5g)，该辐射锥的射线倾斜于法线(29)地入射至涂布/涂覆表面(7g)。发出热辐射的延时与辐射源的激励辐射在涂布/涂覆表面(7g)上的入射角无关，因此，辐射锥(6g)的射线无需垂直地入射来测定层厚。有利地，用本发明的方法可以在经涂布/涂覆的弯曲衬底上，如车身附件、笔记本电脑壳体、手机壳体或手机保护性外壳上测定层厚，而无需重复地对辐射源(5g)、用于感应加热的装置和/或检测装置(8g)重新定向。
装置(1-1g)可以是可动的，且优选可以安装在工业机器人上。这样就能自动化地依次对多个表面区域(7；7a；7b；7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行检测。
此外，在辐射锥(6-g)所形成的光路中可以引入光学系统，该系统例如可以包括透镜。
此外，经过感应加热或通过辐射加热的表面区域(22-25；22e-25e；27)的大小可以小于入射至表面(7；7a；7b；7c；7g)的辐射锥(6-g)的大小，或者最大可以与该辐射锥的大小刚好相同。
Claims (16)
1.一种测定施覆至衬底(2-2g)的层，特别是涂/镀层的层厚的方法，在所述方法中，通过用至少一个辐射源(5-5b；5c，19；5d-g)进行辐射和/或感应来加热所述经涂布/涂覆衬底(2-2g)的至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)，并且用检测装置(8-8g)对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)所发出的热辐射进行检测，
其特征在于，
根据所述发出的热辐射来测定所述层厚。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
用单色和/或相干辐射源(5-5b；5c，19；5d-g)或者用某个特定波长范围的电磁辐射对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行辐射，所述波长范围优选为200nm至15μm，特别是200至750nm、800至3500nm或4至13μm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
用相同或不同的多个辐射源(5c，19)对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行辐射。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
用多个辐射源(5c，19)对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行辐射，其中的每个辐射源适于产生某个特定波长范围或某个特定波长的电磁辐射。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其特征在于，
以周期性调制的方式特别是以0.01至2000Hz，优选20至800Hz的频率对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行辐射。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述至少一个辐射源(5-5b；5c，19；5d-g)依次对优选相邻的多个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行辐射，并且通过评价装置(14-14g)生成待测量表面的优选可以用图形表示的层厚剖面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)的大小特别是直径为0.2μm至200cm，优选1至20μm或0.2至2cm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，
其特征在于，
倾斜或平行于表面区域法线(29)地对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行辐射。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，
其特征在于，
在所述辐射和/或所述感应加热开始前对所述经涂布/涂覆的衬底进行预热。
10.一种用于测定施覆至衬底(2-2g)的层，特别是涂/镀层的层厚的装置(1-1g)，
其特征在于，
所述装置具有用于通过辐射来加热至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)的至少一个辐射源(5-5b；5c，19；5d-g)和/或用于对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)实施感应加热的装置(18)、用于检测所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)所发出的热辐射的至少一个检测装置(8-8g)，以及用于测定层厚的评价装置(14-14g)。
11.根据权利要求10所述的装置，
其特征在于，
所述衬底(2-2g)和/或所述层由特别是金属的导电材料形成以及/或者包括特别是金属的导电材料，且可以被感应加热。
12.根据权利要求10或11所述的装置，
其特征在于，
所述至少一个辐射源(5-5b；5c，19；5d-g)包括至少一个超辐射发光二极管、至少一个发光二极管(LED)、至少一个极化激元激光器、至少一个热辐射器和/或至少一个量子级联激光器，且特别适于对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行周期性辐射。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述检测装置(8-8g)具有IR相机或/和辐射热测量计相机。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述检测装置(8-8g)适于同时或接连对多个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)进行检测。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述至少一个辐射源(5-5b；5c，19；5d-g)、所述用于感应加热的装置(18)和/或所述检测装置(8-8g)以可动的方式布置，且适于从多个特别是相邻的表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)旁边经过。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述至少一个辐射源(5-5b；5c，19；5d-g)、所述用于感应加热的装置和/或所述检测装置(8-8g)位置固定地布置，且设有输送构件，其适于，如此地导引具有所述待加热表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)的所述经涂布/涂覆衬底(2-2g)并使其从所述辐射源(5-5b；5c，19；5d-g)、所述用于感应加热的装置(18)和/或所述检测装置(8-8g)旁边经过，从而实施加热并且能够对所述至少一个表面区域(7-7c；22-25；22e-25e；27；7g)所发出的热辐射进行检测。
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