CN115704670A - 一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置及方法，包括：探头，具有多个，呈不同角度布置并对钢铁涂层板的涂膜层进行检测；主机，具有多个，与所述探头对应连接，为所述探头提供红外光源并测量出光谱；信号处理计算机，与所述主机连接，根据所述光谱中各个波长的干涉程度，计算出膜厚强度曲线。本发明利用干扰因素是微观因素，在不同角度下存在差异，而钢铁涂层膜厚度为宏观因素，在不同角度下厚度相同，通过多光路互相匹配，消除干涉光谱中的干扰因素，实现钢铁涂层膜厚精确测量。

Description

一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及钢铁涂层膜厚的测量技术，更具体地说，涉及一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置及方法。

背景技术

最近几十年来，钢铁涂层钢板产品技术发展非常快，钢铁涂层板产品的品种、质量和性能水平大幅度提升，彩图板的应用领域也大大拓展。随着应用的深入，用户对钢铁涂层板的性能要求要来越高，为进一步提高钢铁涂层板质量，厂家针对钢铁涂层膜展开了大量工作。钢铁涂层产品的耐候性、持久性，特别是成本及效益与膜厚紧密相关，膜厚的在线精确测量与控制是当前钢铁涂层技术的重点研究内容。

钢铁涂层钢板的主要物理性能、表面质量与钢铁涂层膜的厚度密切相关，由于钢铁涂层膜很薄但几乎不透明、表面相对粗糙、钢板基底也较粗糙，实现在线膜厚精确测量和进一步的预见控制非常困难。钢铁涂层板连续高速生产时，钢铁涂层膜厚与涂料本身特性、涂层机和生产工艺等诸多方面有关，包括：涂料的黏度、固体成份含量、溶剂含量、涂层辊压力、辊速、辊缝间隙、涂辊特性、温度、带钢表面(含镀层/钝化层)特性等诸多要素，这些要素的变化将引起膜厚的变化，通过钢铁涂层膜厚的在线精确测量，进而实现在线精确控制是非常必要的。目前行业采用成品干膜厚度测量的方法，部分产线采用在线取样，离线测量，然后在线调整工艺参数，调整膜厚，响应时间长，工艺参数、涂层机状态变化多，不利于钢铁涂层板膜厚质量稳定。

钢铁涂层膜厚传统的测量方法大多用于离线实验室取样板测量。可以分为干膜湿膜2大类，通常干膜厚度的测量一般分为磁性测厚仪法、千分尺法、金相显微镜法和其他非磁性测厚仪法几种。

钢铁涂层膜厚的在线测量技术大致有4种：射线法、红外吸收法、热波法和干涉测量。前三种方法受环境影响很大，大生产时针对各种钢铁涂层品种，效果不稳定。而干涉测量技术是一种非接触的光学测量技术，比较适用于膜层厚度在线测量。它利用膜系的表层、中间层、基底层反射光之间的干涉，检测出膜厚，该方法精度高，可以解析多层膜厚。但是对于冷轧钢铁涂层膜层，由于颜料颗粒散射，涂膜表面的粗糙性，基底镀层的粗糙性，造成干涉光被散射，形成严重干扰。采用常规的干涉检测方法，很难从少量的不稳定的干涉光中得到可靠的厚度信息。一旦反射光之间干涉失效，产生错误的计算结果，就将对生产造成严重影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置及方法，利用干扰因素是微观因素，在不同角度下存在差异，而钢铁涂层膜厚度为宏观因素，在不同角度下厚度相同，通过多光路互相匹配，消除干涉光谱中的干扰因素，实现钢铁涂层膜厚精确测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置，包括：

探头，具有多个，呈不同角度布置并对钢铁涂层板的涂膜层进行检测；

主机，具有多个，与所述探头对应连接，为所述探头提供红外光源并测量出光谱；

信号处理计算机，与所述主机连接，根据所述光谱中各个波长的干涉程度，计算出膜厚强度曲线。

较佳的，所述探头上具有两组光纤，一组为出射光纤，另一组为反射接收光纤。

较佳的，所述主机包括光源和光谱仪；

所述光源射出的红外光通过所述出射光纤传至所述探头，再照射至所述涂膜层上；

所述涂膜层的反射光通过所述反射接收光纤传至所述探头，在所述探头上形成干涉光再传至所述光谱仪。

较佳的，所述反射光包括所述涂膜层上表面的反射光，以及所述涂膜层与基层之间下表面的反射光。

另一方面，一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量方法，采用所述的多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置对钢铁涂层板的涂膜层进行膜厚测量；

在所述钢铁涂层板的上方布置多个所述探头，所述光源射出的红外光通过所述出射光纤传至所述探头，再照射至所述涂膜层的同一个工作点上，在该工作点上的反射光通过所述反射接收光纤传至所述探头，在所述探头上形成干涉光再传至所述光谱仪，由所述光谱仪测量出所述干涉光的光谱，再由所述信号处理计算机根据所述光谱中各个波长的干涉程度，计算出膜厚强度曲线。

较佳的，所述反射光均传至同一个所述探头上；和/或

所述反射光呈交叉传至不同的所述探头上。

较佳的，所述光源射出的红外光的波长小于3μm。

本发明所提供的一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置及方法，在钢铁涂层膜能够透过近红外波段(波长小于3μm)的情况下，使用近红外干涉技术，实现初步的钢铁涂层膜干涉检测，在通过本专利申请的多路干涉测量技术，剔除干扰引起的无效峰值，检测出膜厚产生的有效干涉强度峰值，进而计算出钢铁涂层膜厚。在钢铁涂层膜能够通过近红外光线的情况下，实际效果良好。大大优于传统的单路干涉检测方法。

附图说明

图1是传统光纤光谱仪厚度测量的基本光学原理示意图；

图2是传统光纤光谱仪厚度测量的膜厚干涉强度曲线示意图；

图3是传统钢铁涂层薄膜干涉测量的膜厚强度曲线示意图；

图4是本发明钢铁涂层膜厚在线测量装置实施例1的测量示意图；

图5是本发明钢铁涂层膜厚在线测量装置实施例1中探头B、C的膜厚干涉强度曲线示意图；

图6是本发明钢铁涂层膜厚在线测量装置实施例2的测量示意图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

结合图1所示的传统的膜厚光纤干涉测量技术的基本光路，包括一个套主机1(含光源2和光纤光谱仪3)、探头4和信号处理计算机5，每个探头4通常含两组光纤：出射光纤，反射接收光纤。

来自主机1内光源2的红外光，通过出射光纤传到探头4，并从出射光纤端出射为OA1，照射到被测钢铁涂层板的钢铁涂层膜100上，钢铁涂层膜100上表面的反射光为OAR1，在钢铁涂层膜100与基层101之间的下表面反射光为OAR2，反射光OAR1和反射光OAR2在探头4的反射接收光纤入口处形成干涉，干涉后的干涉光进入探头4，并沿反射接收光纤进入光纤光谱仪3，由光纤光谱仪3测量出干涉光的光谱，再由信号处理计算机5根据光谱中各个波长的干涉程度，计算出膜厚强度曲线，如图2所示。图2中峰值a对应被测钢铁涂层膜100的实际膜厚，在理想薄膜，没有干扰的情况下，只要识别出峰值a及对应的膜厚位置，就检测出了膜厚。

单层理想膜只有一个干涉峰值，但是由于钢铁涂层膜干扰因素非常多，这些干扰因素会产生额外的峰值，如图3所示，而且由于钢铁涂层颜料吸收了大量光线，造成主峰幅值降低。除了基本膜厚的干涉生成的干涉峰值a以外，还有其他干扰因素造成的干涉峰值b、c、d等。有的峰值比较低，有的峰值比较高，甚至比基本干涉峰值a还要高，这样就对膜厚检测造成了误导。容易将比较高的干扰因素造成的峰值，作为检测结果。

本发明所提供的一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置，为消除钢铁涂层膜干扰因素造成误差，包括：

探头6，具有多个，呈不同角度布置并对钢铁涂层板的涂膜层100进行检测；

主机7，具有多个，与探头6对应连接，为探头6提供红外光源并测量出干涉光的光谱；

信号处理计算机8，与主机7连接，根据光谱中各个波长的干涉程度，计算出膜厚强度曲线。

信号处理计算机8的工作过程如下：

1)宽带光源产生的光束，经过光纤传导传输到探头，并从探头输出，照射到待测钢铁薄膜上；

2)从薄膜上表面和下表面的反射光，进入探头，并沿光纤进入光纤光谱仪；

3)光谱仪经过内部光栅和CCD的检测，得到接收到的包含干涉信息的钢铁薄膜反射光光谱；

4)计算机通过通讯回路，读取含有干涉信息的反射光的光谱数据。发射光的光谱数据呈现出类似余弦曲线的干涉波纹；

5)计算机计算光谱数据的干涉波纹信息，根据Fresnel公式，就可以初步计算出对应的膜厚数值；

6)如果探头不是垂直，是倾斜照射的话，需要进行三角函数修正，得到直接的膜厚数值；

7)由于存在干扰因素，干涉光谱不是完全的理想光谱，据此计算得到的膜厚数值为一条曲线，存在多个峰值，峰值表示该位置的膜厚可能性比较大；

8)计算机对多个光路计算得到的膜厚曲线进行分析，具有重叠峰值的位置，对应实际的膜厚；

9)计算机将该结果发送给用户；

10)计算机随后开始下一次的光谱数据的采集和计算。

实施例1

结合图4所示，本实施例中钢铁涂层膜厚在线测量装置包括两台主机7(含光源8和光纤光谱仪9、光源10和光纤光谱仪11)，三个探头12、13、14和信号处理计算机15，每个探头12、13、14均两组光纤：出射光纤，反射接收光纤。

探头12的工作机理同传统的膜厚光纤干涉测量方法，探头13、14对于探头12除了互相贡献一些不相干的散射光源外，无其他影响。探头13和探头14，来自光源10的出射光，通过出射光纤进入探头13，并通过出射光纤端口出射，该出射光OB1照射到与探头12同样的工作点上，其中钢铁涂层膜上表面的反射光OBR1，和下表面的反射光OBR2，在探头14处发生干涉，并进入探头14，再沿反射接收光纤进入光纤光谱仪11。

光纤光谱仪11测量出反射光OBR1与反射光OBR2的干涉光的光谱，再由信号处理计算机15根据光谱中各个波长的干涉程度，计算出膜厚强度曲线，如图5所示，其中由于入射光OB1角度引起的膜厚光程增加是常数，可以予以消除。图5中峰值a对应被测钢铁涂层膜的实际膜厚，除了基本膜厚的干涉生成的干涉峰值a以外，还有其他干扰因素造成的干涉峰值b1、c1、d1等。由于这些干扰是微观因素，当OB1入射角改变时，这些干扰因素也就大幅度改变了。导致干涉峰值b1、c1、d1与探头12检测到的干涉峰值b、c、d(如图3所示)有很大区别，无论是干涉峰值的位置、幅度，还是形状都有很大的变化。而膜厚对应的主干涉峰值a，无论探头12，还是探头13、14，都是一样的，变化比较小。

通过对比两个光路的干涉强度曲线的峰值，位置、幅值比较接近，形状相似的峰值a，就是膜厚干涉效应造成的峰值,该峰值对应的位置就是被测膜厚。而干扰因素造成的干涉峰值，如b/b1，c/c1，d/d1对应的位置、幅值、形状差距比较远，可以排除掉。

不同光路中微观干扰因素角度等特性不同，从而互相抵消，这样就可以通过峰值a，稳定地检测到膜厚数据。

实施例2

本实施例为了更好地消除干扰因素对干涉测量的影响，可以在增加一路到几路的光路。为了减少设备安装的复杂性，可以利用探头13、14，原先探头13只利用了出射光纤，现可以利用反射接收光纤，原探头14只利用了反射接收光纤，现可以利用出射光纤，并增加一台主机7(光源16与光谱仪17)，具体如图6所示。

增加的光路OC1、OCR1、OCR2，虽然与光路OB1、OBR1、OBR2相似，仅方向相反，但是由于干扰因素尺寸很小，所以在微观范围内，这两个光路干扰因素的特性是不同的，检测到新的干涉强度曲线与原先的干涉强度曲线不同。膜厚对应干涉主峰位置、幅值基本不变，而各个干扰因素形成的干涉峰值变化很大。

这样多个干涉强度曲线进行对比，就可以更加可靠地将干扰因素造成的干涉峰值排除掉，得到正确的膜厚因素产生的干涉峰值，进而得到准确的膜厚数值。

除了探头13与探头14，还可以再增加更多的探头，在同一个工作点检测，形成比对光路，检测效果会更加稳定。只是工程上比较复杂、成本高，价值比较低。

在生产环境中，如果干扰因素非常大，如涂层大型异物，造成不同光路OA1、OAR1、OAR2以及OB1、OBR1、OBR2的膜厚主干涉峰值的幅度、位置、形状，也存在较大差异，这时两条干涉强度曲线将没有共同的峰值a。

此时信号处理计算机15可以给出警告信息，通知控制系统或者操作人员，当前钢铁涂层膜厚可能有质量问题，这对生产有指导意义。

综上所述，本发明利用多光路的方法，剔除钢铁涂层膜厚干扰因素对干涉光谱的影响，增强基本膜厚的干涉效果。在同一个钢铁涂层板的膜厚检测位置，用两套以上光纤光谱仪从不同方向入射光构成不同检测光路。不同检测光路的各种微观干扰因素，如钢铁涂层膜表面波纹、颜料颗粒、基底层表面纹理的特性是不同的，而被测膜厚是相同的，所以干扰因素的干涉光谱峰值互相不一致，而膜厚的干涉光谱峰值可以互相增强，通过去伪存真，就可以确定真正的膜厚数据。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置，其特征在于，包括：

探头，具有多个，呈不同角度布置并对钢铁涂层板的涂膜层进行检测；

主机，具有多个，与所述探头对应连接，为所述探头提供红外光源并测量出光谱；

信号处理计算机，与所述主机连接，根据所述光谱中各个波长的干涉程度，计算出膜厚强度曲线。

2.根据权利要求1所述的多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置，其特征在于：所述探头上具有两组光纤，一组为出射光纤，另一组为反射接收光纤。

3.根据权利要求2所述的多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置，其特征在于：所述主机包括光源和光谱仪；

所述光源射出的红外光通过所述出射光纤传至所述探头，再照射至所述涂膜层上；

所述涂膜层的反射光通过所述反射接收光纤传至所述探头，在所述探头上形成干涉光再传至所述光谱仪。

4.根据权利要求3所述的多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置，其特征在于：所述反射光包括所述涂膜层上表面的反射光，以及所述涂膜层与基层之间下表面的反射光。

5.一种多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量方法，其特征在于：采用如权利要求1-4任一项所述的多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量装置对钢铁涂层板的涂膜层进行膜厚测量；

在所述钢铁涂层板的上方布置多个所述探头，所述光源射出的红外光通过所述出射光纤传至所述探头，再照射至所述涂膜层的同一个工作点上，在该工作点上的反射光通过所述反射接收光纤传至所述探头，在所述探头上形成干涉光再传至所述光谱仪，由所述光谱仪测量出所述干涉光的光谱，再由所述信号处理计算机根据所述光谱中各个波长的干涉程度，计算出膜厚强度曲线。

6.根据权利要求5所述的多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量方法，其特征在于：所述反射光均传至同一个所述探头上；和/或

所述反射光呈交叉传至不同的所述探头上。

7.根据权利要求5所述的多干涉光路匹配的钢铁涂层膜厚在线测量方法，其特征在于：所述光源射出的红外光的波长小于3μm。

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