涂層厚度無接觸在線測量技術(shù)研究

黃凱旋，陳飛燕

（集美大學(xué)，福建廈門361021）

涂層厚度無接觸在線測量技術(shù)研究

黃凱旋，陳飛燕

（集美大學(xué)，福建廈門361021）

介紹了采用不同的測厚技術(shù)研制的涂層無接觸測厚系統(tǒng)，以及系統(tǒng)研制過程中所解決的無接觸遠(yuǎn)距離測厚、涂層均勻性、涂料計算、數(shù)據(jù)記錄以及報警等問題。該系統(tǒng)的應(yīng)用，對提高印鐵生產(chǎn)線生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有很好的促進(jìn)作用。

印鐵；涂層測厚；傳感器

在我國，印鐵制罐作為金屬包裝容器隨著商品發(fā)展市場逐步壯大。印鐵制罐在糖盒、餅干、茶葉罐、食品罐頭、各類瓶蓋以及暖瓶外殼和電池外殼等類產(chǎn)品中均得到大量應(yīng)用。目前我國印鐵設(shè)備已向自動化過渡，使用自動印鐵機已很普遍，但大部分的印鐵企業(yè)屬于中小型企業(yè)，而且整體生產(chǎn)線相對比較簡單，這些生產(chǎn)線配備的測量控制設(shè)備也不可能是很精密的。在印鐵生產(chǎn)過程中，涂層厚度的控制是非常重要的，厚度過薄將難以發(fā)揮對被涂裝基體的防護性和裝飾性雙重作用，過厚則會造成經(jīng)濟上的浪費，而且涂鍍層厚薄不勻或未達(dá)到規(guī)定要求，將會對其多項機械物理性能產(chǎn)生不良影響。因此涂層厚度的檢測和控制，對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量就顯得非常重要。目前我國大部分的中小型印鐵制罐企業(yè)的涂層厚度大都是采用簡單的方法，如稱重法，或在印鐵涂層完成后采用測厚儀器對干涂層進(jìn)行檢測。而生產(chǎn)線上的在線濕涂層無接觸檢測的儀器只有幾個進(jìn)口的設(shè)備，價格昂貴，維護使用費用也貴，一般中小型印鐵制罐企業(yè)都無法采用，因此開發(fā)適用于這種生產(chǎn)線上的無接觸在線測量儀器就非常有意義。

1 涂層測厚技術(shù)

涂層測厚技術(shù)主要有磁性、渦流、超聲波、電解和放射測厚法[1]。磁性測厚法適用于導(dǎo)磁材料上的非導(dǎo)磁層厚度測量。渦流測厚法適用于導(dǎo)電金屬上的非導(dǎo)電層厚度測量[2]。超聲波測厚法適用于多層涂鍍層厚度的測量或者是以上兩種方法都無法測量的場合。目前國內(nèi)還沒有用此種方法測量涂鍍層厚度的，國外個別廠家有這樣的儀器。電解測厚法不屬于無損檢測，需要破壞涂鍍層，一般精度也不高。放射測厚儀器價格非常昂貴，適用于一些特殊場合。

國內(nèi)目前的測厚儀器多是上述的第一、第二種，且都是單點測量較多，以便攜式的比較多，比較大型的多點連續(xù)式的在線厚度測量報警裝置很少，且價格昂貴。大部分的測量設(shè)備都是接觸式的，而無接觸式的儀器也要求距離涂層越近越好，對于生產(chǎn)線上的被測產(chǎn)品，由于傳輸過程的產(chǎn)品振動，其測量與靜態(tài)測量有著非常大的差異，使用靜態(tài)設(shè)備根本不可能，目前很多印鐵廠家，隨著生產(chǎn)規(guī)模日益增大，對產(chǎn)品質(zhì)量的加強控制、在線測量、用料控制已經(jīng)成為越來越重要的需求，本文研究的系統(tǒng)正是迎合實際生產(chǎn)的需求。

金屬基上的涂層厚度通常采用電渦流傳感器、磁傳感器或超聲傳感器等接觸式測量方法進(jìn)行測量。這種方法一般用于干涂層的測量，基本是接觸式測量，有時會導(dǎo)致涂層表面損傷，這種方法難以實現(xiàn)在線測量。放射測量方法，如X射線或激光測量方法[3]，對不同涂層的處理是不一樣的，且一般不具有穿透性，因此可以考慮采用以測量金屬基和測量不穿透的兩種方法結(jié)合，共同測出涂層厚度，這個方法即是要求兩種方法結(jié)合一起，對于測量時的同步、抗振動或晃動等有比較嚴(yán)格的要求，同時必須對測量結(jié)果進(jìn)行必要的處理。

2 印鐵生產(chǎn)線無接觸涂層測厚的問題

在印鐵生產(chǎn)線中，為了對涂層實現(xiàn)無接觸在線測厚，研發(fā)的設(shè)備必須解決下列問題：

（1）測量方式及測量距離問題。大多數(shù)儀器測厚是接觸式測量的，而無接觸測量時一般也要求探頭距離涂層越近越好，一般的無接觸距離在幾個毫米之間，對于濕涂層及在線測量中，不可能采用接觸式，而生產(chǎn)線中鐵板印涂涂料后由傳送帶傳送，其中的鐵板是有抖動起伏的，因此探頭與涂層的距離最少必須在厘米級別以上，本項目中探頭距離涂層最好能達(dá)到15~20 cm，目前很多測量方法或測量儀器就不能使用，必須采用其他辦法，或采用兩種測量方式同步協(xié)調(diào)測量。

（2）測量的穩(wěn)定性問題。測量設(shè)備是安裝在生產(chǎn)線上的，系統(tǒng)工作過程的振動會一定程度上影響測量點和測量精度，如果采用兩種方式同步測量，則穩(wěn)定性問題就更加突出。

（3）同步和同點測量的協(xié)調(diào)問題。采用兩種測距方法協(xié)調(diào)一起測量出某一測點的涂層厚度時，兩種測量方法的測量點、測量時間必須完全一致，否則測量結(jié)果可能錯誤，而調(diào)節(jié)測量點的一致是與測量距離有關(guān)的。

（4）涂層的均勻性、涂料消耗計算及多點測量。涂層的均勻性在印鐵中是非常重要的性能指標(biāo)，單點或雙點測量是沒法準(zhǔn)確的確定涂層的均勻性的，只有多點同步測量才能真正判斷涂層的均勻性。目前市面上的測量設(shè)備都是單點檢測設(shè)備，因此要解決多點同步測量和數(shù)據(jù)處理，在測量設(shè)備和系統(tǒng)中必須進(jìn)行妥善的處理。只有解決了涂層均勻性和多點測量，在涂層的厚度測量后，計算涂料的消耗量才有意義，以一個點的涂層厚度來計算涂層涂料消耗量是不合適的。

（5）數(shù)據(jù)的分析處理與報警。測量數(shù)據(jù)必須進(jìn)行傳送、分析處理、報警、存儲等，主要的數(shù)據(jù)處理和進(jìn)行報警內(nèi)容有：涂層厚度，要求涂層厚度必須在滿足要求的范圍內(nèi)；厚度均勻性，要求板面上各點的涂層厚度必須均勻，厚度差應(yīng)該滿足控制范圍內(nèi)；涂料使用量，整體涂層的涂料使用量必須在控制范圍內(nèi)。

3 測量系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

印鐵生產(chǎn)線如圖1所示，每片印鐵板面積為0.8 ×0.8 m2，而鐵板在水平段（見圖1）長度約為1.4m，傳送帶的運行速度一般在1 m/s.為了能夠準(zhǔn)確地判斷涂層均勻性，在印鐵板上根據(jù)用戶的需要均勻地布置5~9個傳感器，如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線及傳感器布置

多個測量點在同一時間內(nèi)進(jìn)行測量，并將數(shù)據(jù)傳遞到測量管理系統(tǒng)中進(jìn)行處理。如圖2所示，數(shù)據(jù)采集處理模塊由傳感器和A/D信號轉(zhuǎn)換模塊組成，負(fù)責(zé)前端信號的采集；信息中心為主要的信息處理計算機，所有的信息處理軟件在其中運行；用戶終端提供用戶對測量過程進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)測量監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通過反饋調(diào)節(jié)裝置對前端測量模塊對設(shè)定參數(shù)或具體設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。傳感器測量的涂層厚度通過數(shù)據(jù)采集處理模塊經(jīng)由中轉(zhuǎn)器傳送到用戶終端和信息處理中心，信息處理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲，根據(jù)需要通過反饋模塊對涂層涂布進(jìn)行調(diào)節(jié)，對于出現(xiàn)誤差較大的情況，如涂層不均勻性較大或涂層厚度誤差過大，則進(jìn)行報警。多個傳感器測點同時測量，以確保對涂層均勻性的控制。

圖2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

3.2 傳感測厚端的設(shè)計

單一傳感器在線遠(yuǎn)距離測量涂層厚度的儀器，目前只有德國的，價格昂貴，普通中小型企業(yè)一般不會采用。本系統(tǒng)采用普通的測距傳感器，對一個測點的測量，采用兩種不同的傳感器進(jìn)行測量，如圖3所示，由于測量對象是鐵基材料上的濕涂層，因此采用一個對鐵基不穿透而對涂層可穿透的測量方式和一個對涂層也不穿透的測量方式，兩種測量結(jié)果之差即是涂層厚度，如圖3所示，采用這種方法，對于無接觸的測量距離的影響就不大了，主要要采用精度足夠的傳感器，其精度應(yīng)不低于0.5μm，及誤差應(yīng)不高于0.5μm.通過反復(fù)實驗處理，在完善處理了下列幾個問題后，該方法能夠獲得較好的測量結(jié)果。在系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備布置時，必須注意的一些事項有：

圖3 傳感器測點的測量

（1）傳感器安置角度問題。兩種傳感器探頭一起固定在同一個支架上，以防止由于生產(chǎn)線振動使得測量發(fā)生偏差，探頭之間距離在2 cm之內(nèi)，如測量距離為50 cm，則兩傳感器之間的夾角最多為2.3°即可，當(dāng)無接觸距離縮短到10 cm時，則兩傳感器之間的夾角為11°，一般在線測量時是提前固定安裝的，則該角度為固定的。

（2）傳感器的選擇。對鐵基不穿透而對涂層可穿透的傳感器，可考慮在磁性或者渦流傳感器，對涂層也不穿透的傳感器可考慮采用激光或超聲波類的傳感器。

（3）振動的影響。生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程會產(chǎn)生振動，給測量帶來影響，這是誤差或測量結(jié)果失敗的可能來源，為了克服這個影響，必須做到：將兩個傳感器探頭牢固安裝在同一個支架上；測量時間和測量信號脈沖必須完全一致。

（4）測量前，系統(tǒng)必須在無涂層光板上進(jìn)行校正測試，如果測試不能通過，則必須調(diào)節(jié)系統(tǒng)直到測試通過，以校準(zhǔn)系統(tǒng)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的讀取、傳送、存儲、分析、計算、報警、反饋調(diào)節(jié)、輸出等環(huán)節(jié)，這些功能主要在信息中心完成，由系統(tǒng)信息處理中心統(tǒng)一處理，如圖2所示，數(shù)據(jù)處理主要解決的有如下的一些問題：

（1）涂層厚度計算、涂層均勻性分析和涂料用量計算。以5個測點為例，通過計算這5個測點的測量平均值、最大差值給出涂層厚度的測量值和涂層厚度均勻性的判斷。對于已經(jīng)知道濕膜厚度時，就可計算出干膜厚度：干膜厚度＝濕膜厚度*涂料固體分，其中涂料固體分由涂料生產(chǎn)或供應(yīng)商提供，即Hw =Hd*β，其中β為涂料固體分由供應(yīng)商提供。涂料用量計算可采用：涂料實際用量＝（1＋α）*涂料理論涂布量*涂裝面積，即：G=（1＋α）*A，其中α為涂料消耗系數(shù)，對于本系統(tǒng)的應(yīng)用對象，α值可取為0.6.

（2）反饋調(diào)節(jié)。當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)涂層厚度或涂層均勻性誤差較大時，系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行報警，報警后的處理方式，系統(tǒng)提供兩種：其一是通過系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)涂料涂布用料，以調(diào)整涂層厚度，如圖2；其二是由人工進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

本文對所開發(fā)的在線涂層厚度無接觸測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行一些簡單的介紹，在設(shè)計過程中，一些問題的解決仍然不是很完善，對于這種無接觸測厚，特別是無接觸距離還比較遠(yuǎn)的情況下，測量系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性還是很受考驗的，同時對于本系統(tǒng)，在使用過程中還必須關(guān)注系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，測量時的同步問題是關(guān)鍵，因為必須考慮到振動等外界影響，使用前進(jìn)行校正，對于系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)的報警情況，應(yīng)該立即進(jìn)行妥善處理。

[1]謝華錕（譯）.涂層厚度的非接觸在線測量[J].工具展望，2008，（1）：11-15.

[2]劉振作.渦流涂鍍層測厚儀開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].測試與分析，2004，42（3）：34-36.

[3]任家富，庹先國，林娟，等.在線工業(yè)鍍層及涂層厚度分析儀[J].中國測試技術(shù)，2007，33（3）：10-12.

The Research of the Technologies of Coat Thickness Online Contactless Measurement in Iron Imprinting Product Lines

HUANG Kai-xuan，CHEN Fei-yan
（Jimei University，Xiamen Fujian 361021，China）

This article describes a coat thickness measuring system building with different thickness measuring technology，including the problems as contactless distance of the thickness measurement，spread thick uniformity，the paint calculating，data record and alarm. The systems will accelerate product efficiency and product quality of a imprinting iron production lines.

imprinting iron；coat thickness measurement；sensor

T G141

A

1672-545X（2016）09-0191-03

2016-06-20

黃凱旋（1963-），男，福建人，碩士研究生，副教授，研究方向：熱能動力、計算機及電子技術(shù)應(yīng)用。