FI69370C - Foerfarande foer maetning av egenskaperna hos ett plastskikt med hjaelp av infraroed straolning - Google Patents

Description

69370

Menetelmä muovikerroksen ominaisuuksien mittaamiseksi infra-punasäteilyn avulla - Förfarande för mätning av egenskaperna hos ett plastskikt med hjälp av infraröd straining Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 5 1 johdannon mukainen menetelmä.

Mitattaessa muovikerroksen ominaisuuksia, varsinkin paksuutta, infrapunasäteilyn absorptioon perustuvalla menetelmällä syntyy monista eri syistä mittausvirheitä, joiden eliminoiminen tähän asti on ollut hankalaa.

10 Niinpä ei-kohtisuora pinta aiheuttaa IR-säteen taittumisen, joka noudattaa seuraavaa kaavaa n. sin a.

(1) n2 sm a2 jossa 1^ n 1 = ilman taitekerroin n2 = muovin taitekerroin a1 = pinnan normaalin ja säteilyn välinen kulma ilmassa ja dg = pinnan normaalin ja säteilyn vä-20 linen kulma muovissa.

Taittumisvaikutus voidaan jakaa neljään pääosaan: A. Vinossa pinnassa tapahtuva IR-säteen yhdensuuntainen taipuminen osittain detektorin ohi, mikä ilmenee mittaustulosten kasvamisena.

25 B. Kaarevan pinnan aiheuttama IR-säteen hajoaminen osittain detektorin ohi, mikä ilmenee mittaustulosten kasvamisena.

C. Kaarevan pinnan aiheuttama IR-säteen suppeneminen kokonaisuudessaan detektorin herkälle 2o alueelle, mikä ilmenee mittaustulosten piene nemisenä , D. iR-säteeseen verrattuna pienien paksunnoksien tai ohennuksien 1 in s sivaikutus, joka ilmenee mittaustulosten kasvamisena tai pienenemisenä.

2 69370

Mikroskooppitasolla nähtävän pinnan epätasaisuus aiheuttaa puolestaan säteilyn heijastumista muovin pinnassa.

Muovimateriaalin molekyylirakenne aiheuttaa 5 säteilyn sirontaa, koska yksittäisen säteen suunta muuttuu säteen törmätessä muovimolekyyleihin.

Muovimateriaalin epähomogeenisuus aiheuttaa absorptiokertoimen muuttumista. Tällaista epähomogeeni-suutta on mm.

10 - lisäaineiden (esim. titaanioksidin) pitoisuuden vaihtelu, tiheyden vaihtelu, orientoituneisuusasteen vaihtelu, rakeisuuden vaihtelu ja 15 “ kiteisyyden vaihtelu.

Myös IR-säteen tielle osuvien säteilyä absorboivien aineiden pitoisuus vaihtelee.

Komponenttien vanheneminen ja likaantuminen aiheuttaa järjestelmän toimintapisteen muuttumisen.

20 Muovimateriaalin voimakas absorptio aiheuttaa mittausjärjestelmän alhaisen signaalitason ja huonon signaalikohinasuhteen.

Myös ympäristön IR-säteily vaikuttaa häiritsevästi.

25 Tämän keksinnön tarkoituksena on edellä lueteltujen häiriövaikutusten eliminoiminen ja aivan uudentyyppisen ja entistä käyttökelpoisemman mittausmenetelmän aikaansaaminen.

Keksintö perustuu mm. seuraaviin ajatuksiin: 30 - IR-säteen taittumisen ja sironnan sekä materiaalin epähomogeenisuuden aiheuttamat häiriöt kumotaan erottamalla muovikerroksen läpäisseestä säteilystä kaksi eri aallonpituus-kaistaa ja mittaamalla eri aallonpituusaluei-35 den intensiteettien suhde. Koska muovimateriaa lin taitekerroin on käytännöllisesti katsoen I! 3 69370 vakio suuruinen kahdella lähekkäin olevalla aallonpituusalueella, taittuminen ei vaikuta intensiteettien suhteeseen.

IR-säteilyn tielle osuvien muiden säteilyä 5 absorboivien aineiden (esim. vesihöyryn) pitoisuuden vaihtelun aiheuttamat häiriöt poistetaan suodattimien huolellisella valinnalla. Häiritsevillä aineilla ei saa olla absorptiohuippua suodattimien läpäisy-10 kaistoilla.

Komponenttien vanhenemisen ja likaantumisen aiheuttamtoimintapisteen muuttuminen kompensoidaan referenssimittauksella. Referenssi-mittauksessa mitataan vapaan, muovia läpäise-15 mättömän säteilyn intensiteettien suhde eri läpäisykaistoilla. Varsinaisen mittauksen aikana muovin läpäisseen säteilyn intensiteettien suhdetta verrataan referenssimittaukseen.

Ilmaisimen signaalitaso saadaan suureksi valit-20 semalla suodattimien läpäisykaistat muovi- materiaaleille tyypillisen n. 2tk ym:n kohdalla sijaitsevan absorptiohuipun kohdalta. Tällä alueella IR-lähteiden intensiteetti on suhteellisen suuri.

25 - Signaalikohinasuhdetta parannetaan käyttämällä synkronista ilmaisinta, jolloin ilmaisimen taajuuskaistan leveys on pieni. Detektorin bias-^nnittee stä suodatetaan lisäksi mittaus-taajuinen kohina pois.

30 - Ympäristön IR-säteilyn vaikutus eliminoidaan käyttämällä katkottua säteilyä ja käyttämällä katkontataajuuteen synkronoitua ilmaisinta.

It 69370 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty-patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan mm. seuraavat 5 edut:

Kumpikin aallonpituusalue ohjataan kokonaisuudessaan ilmaisimille, jolloin detektorille tuleva ilmaistava signaali aikayksikköä kohden on mahdollisimman suuri. Menetelmässä 10 ei tarvita pitkää ilmaistavan signaalin integrointiaikaa. Esim. aikajaettuun järjestelmään verrattuna ero on moninkertainen.

Menetelmällä pystytään käsittelemään laaja skaala eri voimakkuudella absorboivia materiaa-15 leja. Absorptioerot interferenssisuodattimien läpäisykaistojen välillä eivät vaihtele niin paljon kuin itse absorptiot. Lisäksi molempien kaistojen yhtäaikainen mittaus käyttää hyödyksi koko säteilyn (vrt. ed. kohta).

20 - Toimintapisteen muuttuminen voidaan kompensoida vapaan säteilyn mittauksella eli ns. nolla-intensiteettisuhteen mittauksella. Kahden aallonpituusalueen intensiteettien suhteen mittauksen tuoma hyöty jää käytettäväksi muovin 25 itsensä aiheuttamien häiriöiden eliminoimiseen.

- Interferenssisuodattimia vaihtamalla voidaan mitata muovin muitakin ominaisuuksia edellyttäen, että nämä ominaisuudet aiheuttavat huipun muovin absorptiokäyrään.

30 - Ratkaisemalla ns. häiriötekijä saadaan lisä informaatiota muovin ominaisuuksista.

Koska interferenssisuodattimen aallonpituus-kaista muuttuu säteilyn ja suodattimen välisen kulman muuttuessa, voidaan useimmiten käyttää ' 35 samaa suodatinta molemmissa positioissa.

ti 5 69370

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten suoritusesimerk-kien avulla.

Kuvio 1 esittää osittain kaaviollisesti yhtä 5 mittausjärjestelmää, jolla keksinnön mukainen menetelmä on sovellettavissa.

Kuvio 2 esittää aallonpituuskaistojen valintaa muovimateriaalin läpäisevyyskäyrän muodon perusteella.

Kuvio 3 esittää lohkokaaviona kuvion 1 mukaisessa 10 järjestelmässä käytettävää ilmaisinta.

Kuvio U esittää lohkokaaviona vaihtoehtoista ilmaisinrakennettä.

Kuvion 1 mukaisesti katkottu IR-sädekimppu 1 läpäisee muovikerroksen 2, ja valtaosa säteilystä kohtaa 15 säteilyä vastaan i+5°:n kulmaan asetetun interferenssi-kaistanpäästösuodattimen 3. Suodatinta 3 läpäisemätön osa säteilyä heijastuu tulevaa säteilyä 1 vastaan kohtisuorasti ja kohtaa interferenssi-kaistanpäästö-suodattimen U. Suodatin U on asennettu tulevan 20 säteilyn 1 suuntaiseksi eli heijastuvaa säteilyä 5 vastaan kohtisuoraksi.

Suodattimien 3 ja ^ läpäisykaistat on valittu kuvion 2 mukaisesti muovimateriaalille ominaisen absorptio-huipun 6 ympäristöön. Suodatin 3 läpäisee l*5°:n kulmaan 25 asennettuna aallonpituusalueen 7, ja suodatin U läpäisee säteilyä vastaan kohtisuoraan asennettuna aallonpituusalueen 8. Aallonpituusalue 9 jää molempien suodattimien läpäisykaistojen ulkopuolelle, joten kumpikaan suodatin ei läpäise sitä. Koska aallonpituusalue 8 sijaitsee 30 muovimateriaalin absorptiohuipun kohdalla, sillä sijaitseva säteily absorboituu materiaaliin voimakkaammin kuin alueella 7 sijaitseva säteily.

Suodattimen 3 läpäisemä aallonpituusalueella 7 sijaitseva osa säteilyä 10 osuu linssin 11 kohdista-35 mana ilmaisimen 12 valoherkkään detektorikomponenttiin 13. Suodattimen k läpäisemä, aallonpituusalueella 8 6 69370 sijaitseva osa säteilystä 1 U osuu linssin 15 kohdistamana ilmaisimen 16 valoherkkään detektorikomponenttiin 17. Kumpaakin suodatinta 3 ja U läpäisemätön, alueella 9 sijaitseva osa säteilyä 18 heijastuu pois anturista.

5 Poikkeuttamalla suodatinta 4 aavistuksen verran 90°:n kulmasta tulevaa säteilyä 5 vastaan voidaan estää pois-heijastuvan säteilyn 18 seisovan aallon muodostuminen.

Koska säteily 1 on katkottua, saadaan detektoreilta 13 ja 17 vaihtojännite, jonka amplitudi on verrannollinen 10 detektorille tulevan säteilyn voimakkuuteen. Ilmaisimet 12 ja 16 vahvistavat detektoreilta tulevan signaalin sekä suodattavat siitä katkontataajuisen osan. Suodatuksessa käytetään hyväksi katkojalta saatavaa katkontataajuista synkronointisignaalia 19. Logaritmimoduli 20 muodostaa 15 ilmaisimien lähtöjännitteiden 21 ja 22 suhteen logaritmin, ja näin saatu lähtöjännite 23 on suoraan verrannollinen muovikerroksen 2 paksuuteen.

Anturikonstruktion häiriöitä eliminoiva vaikutus perustuu siihen, että muovimateriaalissa 2 tapahtuva 20 mahdollinen IR-sädekimpun 1 taipuminen, hajoaminen tai suppeneminen vaikuttaa molempiin detektoreihin 13 ja 17 samalla tavalla, jolloin ilmaisimien lähtöjännitteiden 21 ja 22 pysyy muuttumattomana.

Ilmaisimet 12 ja 16 ovat identtiset. Kuviossa 25 3 on esitetty ilmaisimien lohkokaavio. Regulaattorit 2h ja 25 suodattavat käyttöjännitteistä 26 ja 27 detektorin tarvitsemat BIAS-jännitteet 28 ja 29. Alipäästösuodattimet 30 ja 31 rajoittavat regulaattorien lähtöjännitteessä esiintyvän kohinan huomattavasti mittauskaistan alapuolelle. 30 Vastus 32 toimii detektorikomponentin 33 kuormavastuksena. Vastus 32 ja detektori 33 muodostavat jännitejaon, jonka jakosuhde muuttuu detektorikomponenttiin 33 tulevan IR-säteilyn määrän mukaan. IR-lähteen 3^ muodostaman kollimaattorilinssin 35 yhdensuuntaistaman ja katkoja-35 levyn 36 katkoman säteilyn osuessa detektorikomponenttiin 33 muodostuu vastuksen ja detektorin liitospisteeseen 38 li 7 69370 vaihtojännite, jonka amplitudi on verrannollinen detektoriin osuvan säteilyn voimakkuuteen.

Jännitteen taajuus on sama kuin katkojen taajuus. Esivahvistin 39 vahvistaa jännitteen 38 5 vaihtokomponentin jännitteeksi 1+0. Ledin 1+1, valo- transistorin ja komparaattorin 1+3 avulla saadaan katkonta-taajuinen signaali 1+1+. Kertoja 1+ 5 muodostaa signaalien 1+0 ja kk tulon 1+6. Ledin 1+1 ja valotransistorin k2 paikka säädetään siten, että ilmaistava signaali 38 ja synkro-10 nointisignaali 1+1+ ovat samassa vaiheessa. Alipäästö-suodatin 1+7 suodattaa kertojalta 1+5 tulevan signaalin lähtösignaaliksi 1+8. Synkronisen ilmaisimen toimintaperiaatteen mukaisesti kertojalta tuleva jännite 1+6 on verrannollinen ilmaistavan signaalin 38 katkonta-15 taajuiseen osaan ja sen parittomiin harmonisiin yliaaltoihin. Suodattimen 1+6 rajataajuus valitaan ensimmäisen parittoman harmonisen yliaallon alapuolelle, jolloin lähtöjännitteessä 1+7 on mukana vain katkontataajuinen osa ilmaistavalta signaalista. Suodattimet 30 ja 31 20 estävät katkontataajuisen kohinan summautumis en ilmaistavaan signaaliin 38.

Keksinnön puitteissa voidaan ajatella edellä kuvatuista suoritusesimerkeistä poikkeaviakin ratkaisuja.

25 Niinpä voidaan käyttää ensimmäisen suodattimen 3 asemesta puoliläpäisevää tai osittain läpäisevää peiliä ja sijoitaa ensimmäisen aallonpituuskaistan 7 läpäisevä suodatin linssin 11 eteen.

Ensimmäinen aallonpituuskaista 7 voidaan valita 30 absotfptiohuipun 6 yläpuolelta.

Suodattimien 3 ja 1+ aallonpituuskai stat voidaan valita päinvastaisessa järjestyksessä.

Absorptiohuippu voidaan valita myös toisesta kohdasta kuin kuviossa 2 on esitetty.

35 Ilmaisuelektroniikka voidaan toteuttaa synkronisen ilmaisimen sijasta kuvion 1+ mukaisesti 8 69370 kaistanpäästösuodattimella ja tasasuuntaajalla.

Ensimmäisen suodattimen 3 asennuskulman ei tarvitse olla 1+5°.

Menetelmää voidaan käyttää myös heijastusmittauk-5 sessa, jolloin säteilylähde ja anturi sijaitsevat samalla puolella mitattavaa muovikerrosta.

Voidaan myös ajatella, että aikajakoperiaatteel-la lähetetään peräkkäin kahta erilaista säteilyä, jolloin käytetään esim. kahta pyörivää suodatinta.

Claims (5)

1. 9 69370
2. 1. Menetelmä muovikerroksen (2) ominaisuuksien, varsinkin paksuuden, mittaamiseksi lähettämällä mitattavan kerroksen (2) läpi infrapunasäteilyä (1), jolloin osa 5 tästä säteilystä absorboituu kyseiseen kerrokseen (2), jonka menetelmän mukaan kerroksen (2) läpäisseestä säteilystä erotetaan ensimmäinen aallonpituuskaista (7) sekä aallonpituudeltaan (X) tämän lähellä oleva toinen 10 aallohpituuskaista (8), joka sijoittuu tutkitta van kerroksen (2) muovimateriaalin absorptio-huipun kohdalle, ensimmäiseen kaistaan (7) sisältyvä säteily (10) ohjataan ensimmäiseen ilmaisimeen (12, 13) il-15 maistavaksi, samalla kun toiseen kaistaan (8) sisältyvä säteily (lU) ohjataan toiseen ilmaisimeen (16, 17) ilmaistavaksi, lasketaan kummankin ilmaisimen (12, 13 sekä 16, 17) ulostulosignaalien suhde, jonka 20 perusteella tutkittavan muovikerroksen (2) halutun ominaisuuden, esim. paksuuden, arvo mittauskohdassa on määritettävä ssä> ja - toimintapisteen muuttuminen kompensoidaan referenssimittauksella, jossa mitataan vapaan, 25 muovikerrosta (2) läpäisemättömän säteilyn intensiteettien suhde eri aallonpituuskaistoilla (7 ja 8), jolloin muovikerroksen (2) läpäisseen säteilyn intensiteettien suhdetta verrataan referenssi-mittaukseen , 30 tunne tt u siitä, että aallonpituuskaistat (7 ja 8) erotetaan kerroksen (2) läpäisseestä säteilystä sellaisen ensimmäisen osittain heijastavan suodattimen (3) avulla, joka päästää lävitseen ensimmäiseen kaistaan (7) sisältyvän säteilyn (10) ja heijastaa muun säteilyn, sekä sellai-35 sen toisen osittain heijastavan suodattimen (1+) avulla, 1 o 69370 johon ensimmäisen suodattimen (3) heijastama säteily-ohjataan ja joka päästää lävitseen toiset kaistaan (8) sisältyvän säteilyn (1*0 ja heijastaa muun säteilyn.
3. 2· Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 5 tunne tt u siitä, että ensimmäinen suodatin (3) sovitetaan U5°:n kulmaan tulevaan säteilyyn nähden.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen suodatin (1+) sovitetaan hieman 90°:n kulmasta poikkeavasti tulevaan 10 säteilyyn nähden tai hieman U5°:n kulmasta poikkeavasti ensimmäiseen suodattimeen (3) nähden. li . Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä,että suodattimina (3, *0 käytetään interferens s ί-kai st anpäästösuodatt imia. 69370 11 Patent krav :
5. 1. Förfarande för mätning av egenskaperna, i synnerhet tjockleken, hos ett plastskikt genom utsändning av infraröd-5 straining (1) genom skiktet (2) s om skall mätäs, varvid en del av denna straining absorberas i ifrägavarande skikt (2), enligt vilket förfarande man ur den straining son passerat plastskiktet av-skiljer ett första vaglängdsband (7) samt ett andra 10 vaglängdsband (8), vars vaglängd är närä vaglängden hos det första, vilket andra band är beläget vid absorptionstoppen för plastmaterialet i det under-sökta skiktet (2), man styr stralningen (10) i det första bandet (7) 15 tili en första detektor (12, 13) för detektering, samtidigt son man styr stralningen (14) i det andra bandet (8) tili en andra detektor (16, 17) för detektering , - man beräknar förhallandet mellan output-signa lerna 20 fran de bada detektorerna (12, 13 samt 16, 17), ut- gaende fran vilket värdet för den önskade egenska-pen, t.ex. tjockleken, hos det undersökta plastskiktet i mätpunkten kan bestämmas, och - man kompenserar förändringen av funktionspunkten ge- 25 nom referensmätning, vid vilken man mäter förhalladet mellan intensiteterna hos olika vaglängdsband av den fria straining, som inte passerat plastskiktet (2), varvid man jämför intensitetsförha1landet hos den straining som passerat plastskiktet (2) med refe-30 rensmätningen kannet e cknat därav, att man avskiljer vaglängds-banden (7 och 8) ur den straining, som passerat plastskiktet (2), med ett sadant partiellt re f 1ekterande filter (3), som släpper stralningen (10) i det första bandet (7) igenom sig 35 och reflekterar den övriga stralningen, samt med en sadant andra partiellt reflekterande filter (4), till vilket man styr den reflekterade stralningen fran det första filtret