多点扫描式塑膜厚度检测系统的设计Word下载.docx
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超声波测厚仪利用超声波反射原理可测任何波良导体的厚度。
非在线测厚设备,一般体积都比较小,便于携带。
销量比在线测厚设备大一些。
它的价格便宜以及可以比较方便的移动,都成为它的畅销的特点。
但它与在线测厚设备并不冲突,两者可以配合起来提高合格率。
1.2在线测厚设备的现状
在线测厚有测试数据快,分析数据处理反应时间短的特点,缩短了开车时间。
但是设备价格很贵,运行费和维护费也比较高。
在线测厚设备必须有相应的生产线来匹配,而且必须在同一生产线上长期的连续工作,这在一定程度上限制了在线测厚设备的重复利用。
不同塑料薄膜的厚度不同,其测厚范围可以从几微米到几百微米。
其应用领域涉及到包装,感光,农用,绝缘等。
一般均匀性要求不太高的薄膜可以用非在线技术进行测量,但是对于某些薄膜,例如双拉伸薄膜来说,必须采用高精度,非接触式测厚仪自动检测。
1.2.1射线在线测厚技术
(1).β射线技术
β射线技术在上世纪六十年代就有了广泛的应用。
它的主要特点是对测量物没有要求,测试事物比较广泛。
但是它对温度,大气压的变化很敏感。
由于它的放射性,对设备的保护设置要求很高。
而且信号源很昂贵。
β测厚仪的主要利用β射线穿过薄膜后被部分吸收而减弱的原理对塑料薄膜进行测量。
整个系统由测量头、扫描架和控制柜等组成。
(2).X射线技术。
X射线技术是一门相当成熟的技术,但是很少利用于测量塑膜厚度,主要应用于各类板、带、卷材的自动化生产线上。
X光管一般能用2-3年,而且更换费用昂,不适用于测量由多种元素构成的聚合物,常用于钢板等单一元素的测量。
1.2.2近红外测厚技术
由于近红外技术的自身特点,它已摆脱了条纹干涉的影响,能够对超薄薄膜进行厚度测量。
可以在测量复合薄膜时,得到每一层得厚度。
近红外技术可用于多种领域,信号无放射性,而且设备维护费用较低。
它利用不同物质对进红外线的吸收性测量物质厚度。
这是它的基本原理。
当红外线穿过薄膜时,有一部分波长的红外线被选择性的吸收,这种波长被称为薄膜的吸收波长。
另一部分几乎与波长无关,称为一般吸收,几乎不被塑膜吸收。
依据贝尔吸收定律,并比较波长信号的变化和吸收的波长,就可以得到薄膜材料的厚度。
1.3选题意义及目的
对塑膜厚度测量的研究,有利于解决我国对高品质塑料薄膜的需要和国内生产技术水平不够造成大量向国外进口薄膜的局面。
可以在提高薄膜质量的同时,提高生产效率。
从上面的分析可以知道,国内外目前的塑膜厚度测量技术的优缺点。
射线式在线测厚设备存在维护复杂,制作成本高,高辐射等一系列的问题;
近红外技术虽然在各方面都比较有优势,但测量的精度比较低。
先进的传感器由国外公司垄断,进口的高精度测量设备极其昂贵。
因而自己研发出具有独立知识产权的塑膜厚度测量设备是十分必须的。
1.4设计要求
该设计题目属于机电一体化系统设计的内容,应用到课程包括:
测试技术、机电一体化系统设计、机械设计、机械原理、机械零件、机电传动、机械制图、理论力学、材料力学、机械制造及基础、互换性与技术测量、数控技术、计算机辅助电路设计、计算机辅助绘图等。
根据所学专业知识,完成基于电容传感器的塑膜厚度测量系统的的整体设计,包括扫描位移的产生和进给系统、传感器安装和固定系统、手动控制系统等几个部分。
该系统的指标如下:
1.系统最大扫描检测范围为200mmx200mm;
2.位移进给采用螺旋传动;
3.传感器可以在水平X、Y方向随机移动进行扫描采集数据;
4.传感器在Z方向可以上下调节,以便达到最佳测量位置。
2检测系统结构设计
2.1设计方案一:
用低能γ射线反散射法测量塑料薄膜厚度
利用低能γ射线反散射法来测量塑料薄膜的厚度,是通过低能γ射线和物质的相互作用以及原子序数之间的依赖关系,测量和质量吸收系数成比例的低能γ射线的反散射强度从而确定塑料薄膜的厚度,进一步满足测量精度方面的要求。
2.1.1测量原理
低能γ射线测量的理论基础是康普顿效应,当γ光子与原子核外的电子发生非弹性碰撞时,光子的部分能量转移到电子里,使它反冲出来,导致散射光子的运动方向和能量都发生了相应的变化。
当γ射线或光子和原子序数较小的物质量撞击时,其中的大部分光子会不产生任何变化的穿透此物质,但是另一部分光子会因此遭受因为折射或反射带来的能量损失。
当用241Am低能γ光子源来产生γ射线时,γ射线会被反射回来的光子撞击到闪烁探测器上产生荧光,通过光电倍增管将这些荧光转换成电子并且放大,然后输出一连串脉冲,其脉冲幅度与被检测到的γ光子的能量成正比;
脉冲计数率与被测塑料薄膜厚度成正比。
从而得到塑膜的厚度。
2.1.2塑料薄膜厚度与低能γ射线反射强度的关系
当γ射线穿过物质量时,其中一部分γ射线因为穿过物质而造成能量损失,还有一部以各种不同的角度散射开来,当散射的角度大于9°
时形成反散,反散射强度与厚度定量的关系曲线如图2.1所示。
其中γ射线因为穿过塑料薄膜被反射回来的反散射强度会符合下列函数关系:
(2.1)
式中
-----初始辐射的康普顿线性吸收系数;
-----初始辐射的线性全吸收系数;
----散射辐射的线性吸收系数;
----散射体反射出来的饱和反散射强度;
-----散射体反射回来的反散射强度;
-------塑料薄膜厚度
------塑料薄膜密度
(1)式经变换得:
(2.2)
当被测塑料薄膜和反射源确定时,
,
基本上为常数,通过求解方程(2.2)便可以求出塑料薄膜的厚度。
图2.1反散射强度与塑料薄膜厚度的关系曲线
2.1.3测量装置:
整个装置由脉冲放大器,探头,单片机和甄别器数据处理部分组成。
电路方框图如图2.2所示:
图2.2电路方框图
2.2方案二:
迈克尔逊干涉测薄膜厚度
2.2.1测量原理:
测量的基本原理是迈克尔逊干涉测波长,并以此为基础得到的塑膜厚度测量法。
迈克尔逊干涉测波长是等倾干涉,而测薄膜厚度是等厚干涉。
当M1′和M2严格平行时,得到的是等倾干涉,由于M2和M1′反射光线的光程差均为
(2.3)
式中i为光线在M2镜面的入射角,d为空气薄膜的厚度。
它们处于同一级干涉条纹,并且定位于无限远处。
这时,在图2.3中的E处,放一会聚透镜,就可以在其焦平面上观察到明暗相间的同心圆纹。
图2.3迈克尔逊干涉光路图
当M1′和M2有一很小的夹角α而且入射角i也较小时,一般为定位于空气薄膜表面附近的等厚干涉条纹。
此时,由M1′和M2反射光线的光程差仍近似为:
(2.4)
在两镜面交线附近处,由于厚度d很小,d、i2的影响可以忽略不计,光程差主要由膜厚d来决定,因此在空气膜厚度相同时,光程差均相同,得到的干涉条纹应该是一组平行于M1′和M2交线的等间隔直线条纹。
2.2.2白光干涉条纹
测量波长最常见的实验仪器是迈克尔逊干涉仪,它通过氦氖激光来观察非定域的干涉条纹或通过钠光来观察定域干涉条纹。
通常情况下看到的是等倾干涉。
此时,我们采用白光作为光源,由于波长差和光程差的关系,各种波长产生的干涉条纹明暗重叠,无法看到可见条纹。
当移动M2至与M1’大致重合时,会出现直线干涉条纹,称之为等厚干涉条纹。
换上白光时,可以看到彩色条纹。
其分布情况是中央一条是黑条纹,两旁的对称分布着彩色条纹。
由以下公式:
(2.5)
得知:
在中央条纹位置,dδ可忽略,则△=2d,所以中央为直线条纹。
2.2.3透明薄膜厚度的测量原理
当我们调出白光干涉的条纹时,记下此时的读数值d1;
然后在光路M2和G1之间放置一个均匀透明薄膜,其折射率为n,厚度为l。
并且使之与光路垂直。
由于透明薄膜的折射率比空气大,光程会发生了改变:
△/2=l(n-1);
△d=△/2,原来看到的彩色条纹会从视场移出,如果这个时候逆时针转动微动手轮,将移动镜M2向G1方向向前移动,则又能看到彩色条纹出现,然后记下此时的读数值d2,代入公式:
△d=△/2l(n-1),就可以计算出透明薄膜的厚度l=△d/n-1=d1-d2/n-1。
2.3方案三:
基于电容传感器的塑膜厚度测量
2.3.1电容传感器测厚的原理
电容测厚原理如图2.4所示。
将电容传感器探头和下极板理想模型为平行板电容器。
设电容传感器极板有效面积为S
真空的介电常数为
。
薄膜的相对介电常数为
被测薄膜置于传感器的两极板之间,设极板间距为H,薄膜厚度为d,薄膜上方空气层厚度为x,那么薄膜下方空气层厚度为H-d-x。
图2.4电容传感器测厚原理示意图
则薄膜上部空气层电容为:
薄膜电容为:
薄膜下部空气层电容为:
设探头至下极板间总电容为
,则有:
将式1,2,3代入4得:
测距应用中,d=0,有Ci=S/H,即Ci与极板间距H成反比;
测厚应用中,极板间距H为恒定的,薄膜厚度d处在公式的分母上。
因此电容值与输入位移值或厚度值都不是线性关系,直接对Ci进行线性变化不利于仪器的实用化。
由于传感器电容值非常的微弱,并且非常容易受到干扰,必须设计出可靠的电容信号检测电路将电容信号转换为便于处理的电压信号。
2.3.2系统的基本原理及组成
整个系统由检测环节,电机驱动环节,计算机处理环节,数据采集环节等部分组成。
其中检测环节部分使用电容传感器进行测量。
利用单片机进行信号处理,实现了全程的微机控制,加速了测量的过程,使得数据的分析更加快速,简便。
其中的基本组成框如图2.4所示。
图2.4薄膜测厚系统框图
实际测量时,计算机通过接口卡给步进电机发送命令,驱动器作用于电机从而带动丝杠转动。
其中传感器夹具固定在丝母上,与丝母一起水平移动,对放置在旋转盘上的塑膜进行测量,实现多点测量。
传感器的微弱信号由电容测微仪放大滤波后进行数模转换,变为数字信号后给计算机进一步处理,最终得到薄膜的厚度数值。
2.4各种方案的比较及最终方案的确定
2.4.1射线测厚的优缺点:
射线测厚是一门相当成熟的技术,广泛的应用于的各类板、带、卷材的自动化生产线上。
其最大的特点是性能稳定,适用面很广,对被测物表面质量和被测物的抖动不敏感。
但它的物理特性决定了该种测厚仪具有如下缺点:
①射线的发散性和不可聚焦性使得它只能测量薄膜宏观的厚度变化,而无法对薄膜的微观变化进行监测。
电容原理也有这个缺点。
②造价昂贵。
每台仪器的售价一般为十几万美元,由于它的工作原理是粒子数光栅尺测量,再加上射线防护的环节.测头设计和加工很困难。
除此之外,当射线源接近半衰期时.测厚精度会下降,而更换射线源不仅复杂昂贵而且具有一定的危硷性。
③射线污染危害人体健康。
这是最主要的原因。
任何射线在设备的制造上都会有强制性的安全防护。
测厚仪的四周般要划出一定距离的安全隔离带。
这不仅增加了生产线的长度,更加大了用户的基建投整。
2.4.2迈克尔逊干涉测薄膜厚度的优缺点:
迈克尔逊白光干涉测量塑膜厚度的优点是测量精度比千分尺更精确,是一种很有效的测量微小量的方法。
这种方法在测量厚度在1μm~1cm范围内时,其测量结果的准确度非常高。
但这方法存在的缺陷也很明显,因为它需要手动调节干涉条纹的图样,而且图样在一个很微小的范围内,所以想调节出白光干涉,对操作者有很高的要求。
而且这类测厚仪在使用及维护上要求极高:
例如必须远离振源;
严格防尘等。
其使用范围较窄,仅仅适用于复合层数较少的复合膜。
2.4.3电容传感器测厚的优缺点:
电容原理测厚借鉴了电容测微,但不同的是测厚对象是空气间隙,测厚在保持空气间隙不变的前提下,将极板间塑膜厚度作为测量对象。
作为非接触式测量,电容测微技术广泛应用于航天,工业生产等领域的微小位移,微小尺寸等的测量。
电容与极板之间的介电常数以及介质厚度都影响电容传感器的测厚。
这就是电容传感器工作所运用到得原理。
电容传感器应该具有以下的优点:
(1).不需要很大的激励信号,输入的馈号能量很低。
它可以用来解决输入能量低的问题。
例如微小位移和微小的压力变化的精确测量。
(2).能够获得比较大的相对变化量。
例如相对于金属应变而言,因为应变极限的限制,ΔR/R一般会低于1%,数值非常小。
但是对于电容传感器来说,电容的相对变化量ΔC/C会受到线性以及其他实际条件限制,如果采用高的线性电路,它的ΔC/C能够达到100%。
这样就大大的提高了传感器的输出信号。
(3).动态响应很快。
电容式传感器的动片质量很轻,系统所拥有的固有频率很高,于此同时电容介质方面的损耗非常的小,因此传感器可以在比较高的高截频下工作,尤其是动态测量。
(4).自然效应很微小。
电容传感器用空气,其他气体或者真空作为绝缘介质,由于介质得损耗很小,因此它本身的发热问题可以忽略不计。
(5).稳定性很好。
传感器的电容值主要取决于几何尺寸,只需要从温度,强度,抗蠕变能力等机械特性考虑,其他因素的影响会很小。
(6).传感器内外之间的摩擦误差很小,对于其它的接触式传感器来说,因为机械部分或者磁路部分的原因,总是会存在摩擦力,这类的误差很难以消除。
用电容传感器来测距时,这类误差基本上九不存在。
(7).能够工作在某些特定的条件下。
电容传感器的结构很简单,用无机材料作为绝缘支撑,用金属作为电极,没有利用有机材料或者磁性材料,因此它能够承受很大的温度变化以及强辐射。
并且能够承受系统中很高的冲击和过载。
电容式传感器也存在一些缺点:
(1).分布电容的作用。
分布电容来自传感器本身的泄漏电容以及联接电容的导线之间的电容。
例如1m长的连接导线大约有115pf的分布电容,这个数值比传感器本身的电容值要大很多,它不仅使测量精度降低,而且引起了非线性的输出,甚至使整个的测量系统处于很不稳定的工作状态。
(2).非线性的输出特性。
测量方法上存在的非线性是引起非线性输出的主要原因。
改变极板之间距离的传感器,电容量的变化和极板的间距是非线性关系的,也就是说利用差动式的结构可以改善线性度。
但是由于泄漏电容的影响,完全的消除它的非线性是不可能的。
(3).高阻抗输出。
尤其是在传感器的电容值很小的更加显著。
2.4.4最后方案的确定
最后,通过各方面的比较,射线测量方式辐射太高,白光干涉测量要求太高,而且各方面操作比较复杂,综合各发面的利弊,最终确定了选用电容式传感器测量塑膜厚度。
电容传感器利用变极板面积对振动位移、压力、等参数或变电容极板间距测量获得广泛应用,另外还可以利用变介质的介电常数的方法来检测板材的厚度。
随着科学技术的不断发展,电容传感器本身所存在的问题也会逐步得到解决,电容传感器测量塑模厚度的技术也会不断完善。
具有很大的发展潜力。
3机械结构设计
3.1机械系统概述
工作原理
由机械总装图传动部分的工作原理知,通过单片机发出脉冲,控制步进电机利用联轴器,带动丝杠轴按一定的速度转动,使其安装在丝母上的滑块带动机械测头以一定的速度平移。
根据传感器的工作原理进一步转化为电信号的变化,通过数据线传送到信号处理中心。
通过底座转盘的旋转,以及丝杠轴的移动实现X-Y方向上的测量,通过传感器夹具的人工调节实现了Z方向的变化。
测量信号由电感传感器输出,并经电感测微仪放大,有A/D转换器变换为数字信号,送入单片机进行处理。
3.2电动机的选型
由工作原理知,平移速度要求比较缓慢稳定,因此丝杠轴的转速不能太大,使测头在安全速度范围内稳定工作,保证测量的精确度。
初选电动机型号为Y801-4,其参数如下表3.1所示
表3.1Y801-4技术数据
额定功率/KW
0.55
满载转速/(r/min)
1390
同步转速/(r.min)
1500
堵转转据/N·
m
2.4
最大转矩/N·
2.3
质量/Kg
17
3.3系统中的计算
3.3.1带传动的各种参数计算
带型选用Z型,带槽宽选用Y型。
小带轮选用实心式
各参数如下:
d=20,d1=(1.8~2)d=1.8x20=36
L=B=10
bd=5.3,hsmin=1.60,
hfmin=4.7,e=8,fmin=6
大带轮选用腹板式
d=20,d1=(1.8~2)d=1.8x12=21.6
L=B=(1.5~2)d=1.5x20=30
hfmin=4.7,e=8,fmin=6
C=(1/7~1/4)d=1/4x10=25
D0=0.5(D1+d)=0.5x(21.6+50)=35.8
d0=(0.2~0.3)(D1-d)=1.8x(50-21.6)=51.12
3.3.2各处轴承的选择和计算
丝杆的直径为20mm
丝杆处轴承选用角接触轴承,承担轴向力和径向力。
两处轴承选用轴承代号为7044AC
各参数如下:
基本尺寸:
d=20,D=40,B=12,
rs=0.6,r1s=0.15
安装尺寸:
ds=25,Ds=37,ras=0.6
旋转盘处的轴承应选用止推球轴承,主要承担轴向力。
轴承代号为:
51204
基本尺寸:
d=20,d2=15,D=40,
T=14,T1=26,d1=22,
D1=40,D2=40,B=6,
rs=0.6,r1s=0.3
安装尺寸:
ds=32,Ds=Db=28,
db=20,ras=0.6,r1ss=0.3
3.4零件校核
⑴轴的校核
①强度校核由于检测系统的轴主要承受弯矩,因此可以按弯曲强度条件计算。
校核步骤如下
轴的扭转强度条件为
(3.5)
式中:
-扭转切应力,Mpa;
T-轴所受的扭矩,N·
mm;
Wt-轴的抗扭界面系数,mm3;
n-轴的转速,r/min;
P-轴传递的功率,KW;
d-计算截面处轴的直径,mm;
-许用扭转切应力
由3-5可得轴的直径
(3.6)
式中,
查表15-3,对于系统的轴材料为45#时,A0=126-
轴的转速
(3.8)
代入式3.6得
(mm)
传动轴的轴径为20mm,满足要求,则此轴的强度合格,能满足工作要求。
②扭转刚度校核
轴的扭转变形用每米长的扭转角ψ表示。
圆轴扭转角ψ(度/米)的计算公式为:
阶梯轴
(3.9)
T-轴所受的扭矩,N·
G-轴的材料的剪切弹性模量,MPa,对于刚才,G=8.1*104MPa;
Ip-轴截面的极惯性矩,mm4,对于圆轴,IP=
;
L-阶梯轴受扭矩作用的长度,mm;
Ti,li,IP-分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩,单位为N·
mm
轴的扭转刚度条件为
(3.10)
检测系统为一般传动轴,可取
由传动装置:
L=175,d=30,Ii=175
(3.11)
代入数据得,
满足设计要求,由于取轴上最小直径作为轴的扭矩条件,则直径大的直径一定符合要求在相同材料的情况下,因此轴上其它轴端的尺寸也符合工作性能要求传动轴合格。
4电路与控制系统设计
4.1电容信号检测电路的方案选择
电桥法电路,频法电路和运算放大式电路等是目前典型检测电路。
下面简单介绍各电路的特性:
5结论
5.1对毕业设计的总结
利用该检测系统可以对塑料薄膜的厚度进行多点式的测量,通过X,Y,Z三方向的移动,可以对薄膜的任何一点快速准确的检测。
利用电容传感器来测量,避免了很多其他方法带来的弊端。
如射线测量的高辐射性,光学测量的高要求性等。
综合考虑了各个方面的利弊。
在电路和测量方式上的选择也是经过多方面的平衡,最后确定了工作电路,用运算放大电路配合相敏检波电路来进行测量。
可行性很高,具有一定的市场背景。
通过将近一学期的毕业设计,使我在专业知识方面,更加的系统化,条理化;
也掌握了基本的三维,二维绘图软件,如CATIA,AUTOCAD,CAXA。
其中也遇到了诸多实际性的问题,如面临新问题不知该如何下手,解决问题过于理想化,不能站在实际问题的角度考虑,测试编程相对薄弱等。
然而通过这段时间的锻炼,使我在这方面得到了较大的提升,比如面临新问题,通过查阅相关资料进行理论性分析,不主观臆断,不盲于下定义,不急于求成,使自己更冷静清晰的处理,解决问题。
通过毕业设计阶段的积累,也总结出一套适合自己的方法,收获颇丰。
5.1对未来工作的期望
该检测系统还存在着很多的不足之处:
例如没有分析丝杠的直线度对薄膜厚度的影响,精确度不够高。
单一的电容传感器测量会存在着很多不稳定因素。
外界温度,湿度漂移等也对测量精度有很大的影响。
电路也没有考虑震荡存在的问题。
可以考虑在以后的改进措施里加入对丝杆线性度的分析,在电路设计中加入精密稳幅振荡电路以及对关键节点波形的分析。
机械扫描系统也会存在系统误差,得分析传感器探头相对于地板的平行度的误差,直线平台的挠度分析,并进行模拟分析。
动态测量中由于探头的往返扫描,对应下极板的不同位置,不能够很好的保证极板间距和姿态的恒定。
因此必须克服这方面的影响,可以采用涡流补偿的方法来减小这方面的影响。
于此同时,在工业生产的环境中,周围的温度和湿度并不像实验室中可以恒温恒湿。
特别是对于刚生产出来的薄膜,由于温度很高,与传感器的距离又近。
如果不加温度方面的补偿,必定会使测量的结果误差偏大。
可以找出温度和湿度对于测厚系统的影响规律,然后提出解决方案。
可以设计和调试
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- 多点 扫描 式塑膜 厚度 检测 系统 设计