適用于吹塑薄膜生產的X射線測厚儀設計

袁維杰

(上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

薄膜生產工藝常用的有壓延法、流延法、拉伸法和吹膜法等[1]。吹膜工藝因其工藝設備簡單、薄膜幅寬、沒有邊廢料而得到了廣泛應用[2]。目前，吹膜工藝都是用反射式測厚儀直接對圓形管膜上的管壁進行在線測量，而穿透式測厚儀無法直接對管壁進行測量。為解決管壁厚度不均造成收卷時的爆筋現(xiàn)象，吹膜生產工藝所采取的旋轉收卷方法，使穿透式測厚儀對管壁實現(xiàn)在線測量成為可能。本文利用吹膜工藝的旋轉收卷功能，用穿透式X射線測厚原理，設計了一臺可間接對吹膜生產中的管壁厚度進行在線測量的X射線測厚儀。

1 用于吹塑薄膜生產的X射線測厚儀設計

吹膜生產工藝具有旋轉收卷特性，即管狀薄膜上的每個點都會經過折疊邊緣，對折疊薄膜邊緣連續(xù)測量等同于對管狀薄膜旋轉測量。根據(jù)旋轉的起始點與模頭對應關系，可以推算出當前測量點顯示值(即為對應模頭擠出厚度值，這樣就可以進行實時在線測量和顯示管膜的薄膜厚度)。由于是對折疊后的管膜進行測量，所測得的是兩層管膜厚度值，所以，如果折疊的上下兩層管膜厚度一致或接近，則測量顯示厚度與實際厚度相等。為了減少由于兩層膜厚度的偏差可能造成的測量誤差，測量點越靠近折疊邊緣，測量結果將會越準確。這是因為折疊邊緣處上下二層厚度偏差最小。所以對于穿透式X射線測量管膜厚度測厚儀，應能控制測量點在薄膜內且盡量靠近薄膜邊緣。

有些吹膜生產設備在收卷膜時薄膜會左右移動，對X射線測量造成很大影響。因此，設計應用于吹膜生產設備的X射線測厚儀時，應使其具備厚度測量、薄膜邊緣檢測及跟隨薄膜邊緣移動功能。

1.1 X射線測厚原理

X射線厚度測量是由發(fā)射端發(fā)射X射線，射線穿過被測介質后由接收探測器測量X射線強度，并通過換算得出被測介質的厚度。計算公式如下：

(1)

式中：U為X射線穿過介質后探測到的電壓值；U0為發(fā)射源與探測器之間只有空氣時探測到的電壓值；A為常數(shù)；μ為被測介質的吸收系數(shù)；d為被測介質的厚度。

A和μ是與被測介質相關的2個常數(shù)，通過對被測介質的標準樣品進行測量獲取。當確定了A和μ，并測量得到U0和U值，用式(1)就可以得到介質的厚度值d[3]。

1.2 硬件設計

整個X射線測厚儀由薄膜厚度測量和薄膜邊緣跟隨兩部分組成。這兩部分相對獨立，通過一對命令狀態(tài)線協(xié)同工作。

1.2.1 薄膜厚度測量

厚度測量頭由X射線管、電離室、微信號放大器、高壓電源構成。其將厚度信號轉變成電信號，再經信號采集和工控機處理，將薄膜的厚度轉換成對應數(shù)值，在顯示屏上顯示[4]。

考慮到有些吹塑薄膜生產設備從折疊到卷繞間距很小，且有些還有傾斜角度，因此要求X射線測量頭盡量小巧，且可以根據(jù)傾斜角度進行調整。在選用X射線發(fā)射管時，選擇了透射式X射線管。傳統(tǒng)的X射線管是將熱陰極電子通過高壓電場的作用打到陰極靶面上，X射線轉換效率不足2%，大部分功耗變成熱能。而透射式X射線管是陽極端靶材直接鍍在鈹窗內側，當陰極發(fā)射的電子轟擊鍍在鈹窗內側的靶材時所產生的X射線可直接透過靶材和鈹窗輻射。因此，在同樣功率條件下，透射靶X射線管要比反射靶X射線管所產生的X射線效率要高且體積小。同樣，在電離室選型上也是選用了直徑僅75 mm的高靈敏電離室，并配上微信號放大器構成X射線探測器。由透射式X發(fā)射管和X射線探測器，可構成小巧且易于安裝的厚度測量頭。

厚度測量信號通過信號采集板被工控機讀取。同時被讀取的還有當前模頭位置信號。通過計算得到厚度值和模頭號，將連續(xù)測量結果顯示在操作顯示屏幕上，可觀察到管膜圓周上的厚度變化曲線。

1.2.2 薄膜邊緣跟隨

為了保持X射線測量頭靠近管膜的折疊邊緣，解決有些吹膜生產設備旋轉折疊卷繞時薄膜邊緣左右移動造成測量偏差問題，需要有一套能檢測薄膜邊緣位置且能使X射線測量頭跟隨薄膜邊緣移動的裝置[5]。其必須具備較高的移動響應速度。薄膜邊緣跟隨模組就是為此而設計的。

薄膜邊緣檢測模組由激光頭、一組光電接受頭組成；通過對光電信號處理；可獲取當前薄膜邊緣與厚度測量頭的相對位置[6]。通過控制步進電機來驅動測量頭，可使測量頭處在最佳測量位置上。

通常管膜是透明的且只有幾十微米厚度，因此識別有膜與無膜就是關鍵。通過各種測試，最后選用一字激光頭加一組BPW34光電管，利用激光穿透薄膜的能量衰減來感知當前測量點是否有薄膜。雖然BPW34響應最靈敏區(qū)域在850～950 nm波長，但為了操作和調整方便還是選擇了650 nm波長。其為可見紅光，既能滿足薄膜有無檢測的需求，又能方便調試和維護。

為了保證X射線測量頭保持在盡量靠近管膜折疊邊緣且又不使X射線測量頭頻繁左右來回移動，需要檢測到薄膜邊緣與X射線測量頭相對位置，超出偏差范圍需及時調整。因此，必須知道薄膜邊緣在檢測區(qū)域中的位置。因為需要檢測一個區(qū)域，故選用一字型激光頭和5個BPW34光電二極管構成區(qū)域檢測。薄膜邊緣檢測如圖1所示。

圖1 薄膜邊緣檢測示意圖

薄膜邊緣位置以中間檢測點為基準，通過中間點狀態(tài)檢測來控制X射線測量頭移動方向及到位停止。

為便于跟隨模組的運行診斷，模塊內部安裝了OLED顯示器，可顯示當前工作狀態(tài)、與測厚程序間接口狀態(tài)信息、驅動輸出控制信息、薄膜邊緣檢測信息、系統(tǒng)異常時的故障碼等，有故障或需要讀取時點亮，正常狀態(tài)下會自動關閉。

薄膜邊緣檢測模組運行模式切換到手動狀態(tài)時，可以手動控制檢測頭移動和對被測薄膜標定。通過標定，可以解決激光頭衰減、光電器件老化、薄膜品種變更等因素造成的檢測異常等問題。

1.2.3 X射線測厚儀功能框圖

X射線測厚儀電路功能框圖如圖2所示。虛線框內的硬件模塊、電路安裝在操作控制箱內，可安裝便于監(jiān)控操作的位置；其余部分安裝在C型掃描架上，需安裝在收卷檢測薄膜位置。

圖2 X射線測厚儀電路功能框圖

1.3 結構設計

為了適應不同的機器安裝，將X射線測量頭設計成可調結構。C型掃描結構如圖3所示。

圖3 C型掃描架結構示意圖

模組的安裝平臺是固定在吹膜生產設備上的，可旋轉測量頭懸掛在安裝平臺的滑動模組上。改變懸掛角度，可使X射線與被測薄膜保持垂直，提高測量精度和穩(wěn)定性，達到最佳測量效果?？尚D測量頭下部安裝的X射線發(fā)射管和安裝在上部的X射線探測器構成了測量回路。通過調整X射線發(fā)射管位置，可調節(jié)測量間隙，滿足不同工況條件需求。在X射線測量回路側面安裝了薄膜邊緣檢測頭，檢測被測薄膜是否處在測量回路中。

安裝平臺上的滑動模塊由步進馬達帶動，由滑動模塊再帶動可旋轉測量頭移動。也就是說，X射線測量回路可通過控制步進馬達使測量點左右移動。為了防止滑動模塊超出移動范圍，對步進電機及驅動電路進行保護，在滑臺左右兩端安裝了限位接近開關?；谀＝M的外形及體積上的要求，選用的步進電機功率較小，以能驅動滑臺為準；通過對步進電機升降時序控制，可解決快速移動滑臺需求[7-8]。

如果在收卷前位置對薄膜測量，則安裝平臺可固定在收卷輥側板上。滑臺的滑動距離根據(jù)生產品種和實際工況條件進行選擇?？紤]到滑塊負重，一般選擇滑臺移動距離在400 cm以內。

1.4 軟件設計

整個測厚儀軟件由兩部分構成：基于Windows的采用C語言和VB.net開發(fā)的厚度測量顯示軟件和基于STM平臺用C語言開發(fā)的薄膜邊緣跟蹤控制軟件。

1.4.1 X射線厚度測量軟件設計

厚度測量程序是這個X射線測厚儀的主控程序，用于實現(xiàn)人機操控界面、測量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控跟隨系統(tǒng)及監(jiān)控和處理測厚儀運行狀態(tài)等功能。X射線測厚儀軟件流程如圖4所示。

圖4 X射線測厚儀軟件流程圖

1.4.2 X射線探測頭標準化處理

X射線運行一段時間后，隨著時間和溫度的變化，U0也會變化。根據(jù)厚度計算公式(1)，U0的變化將影響計算后的厚度值。為了保證測量準確，需要不斷監(jiān)測U0的變化。標準化處理就是對U0的監(jiān)測處理[9]。通常，標準化處理周期是按實際使用環(huán)境來設置為定時自動處理，但也可按需要進行手動處理。按U0定義就是X射線探測頭在沒有介質的狀態(tài)下測得的電壓值，標準化就是將X射線測量頭移到沒有被測介質遮擋的位置讀取電壓值。

標準化處理過程：當?shù)竭_設定的時間或掃描次數(shù)后，測厚程序發(fā)命令給跟隨模組；模組收到命令后控制滑臺回到起始位置，到位后輸出完成狀態(tài)；測厚程序收到到位信息后開始讀取、計算、處理和更新U0，完成后重新進入啟動測量過程。

1.4.3 薄膜邊緣跟隨軟件設計

跟隨模塊選用STM8微處理器為控制器，處理薄膜邊緣信號檢測、控制驅動X射線測量頭跟隨薄膜移動、與測厚程序同步工作、顯示當前工作狀態(tài)信息等，可對薄膜檢測頭進行標定，并可手動操控滑臺移動。跟隨控制程序流程如圖5所示。

圖5 跟隨控制程序流程圖

當跟隨模塊初始化完成且設置在自動狀態(tài)時，跟隨模塊將接收測厚程序控制，完成薄膜邊緣跟隨和U0標定工作；如果跟隨模塊設置為手動狀態(tài)，則可以手動控制滑臺移動或進入薄膜邊緣檢測標定操作。標定操作是通過長按標定按鈕與狀態(tài)指示反饋來顯示操作所處步驟，標定操作需完成讀取無膜、有膜閾值并計算處理和保存等。標定過程中，可通過切換到自動狀態(tài)來終止標定工作。

2 X射線測厚儀應用結果

目前，根據(jù)用戶的吹膜生產設備及生產的產品類型，制作了適用于該吹膜生產設備的C型X射線測厚儀。該設備生產的是熱縮膜，有多種規(guī)格，厚度在15～25 μm、寬度為1.6～1.8 m。根據(jù)實際生產時薄膜晃動情況，將X射線測量頭間距設置為20 mm，選用最大行程為300 mm滑臺可滿足不同產品寬度及薄膜偏移的需求。X射線測量點直徑10 mm，測量精度在±1 μm內，測量中心點與薄膜邊緣間距15 mm，允許測量偏離范圍在±5 mm內，跟隨響應時間在0.5 s內。

在安裝了X射線測厚儀的生產設備上，操作員可以實時看到當前的產品厚度及均勻度，并及時調整模頭間隙，以提高產品的質量并能降低產品成本。尤其是更換生產品種時，對于設備的調整給予很大幫助，可減少調整時間和調整時所耗費的原材料。

X射線測厚儀小巧且安裝簡單，現(xiàn)已有多套安裝在該類吹膜設備上運行。因采用的是低能X射線，所以在安全上屬于免檢產品，比起使用放射源的反射式測厚儀，管理成本更低也更安全。

3 結束語

本文設計了適用于吹塑薄膜生產的X射線測厚儀，解決了吹膜生產工藝中使用穿透式測厚儀來測量管膜的厚度存在的兩個問題。①厚度測量點要保持在管膜折疊處，這樣上下兩層薄膜厚度相對一致，可保證測量精度。②厚度測量點位置與吹膜模頭要有確切的對應關系，這樣厚度測量值可正確對應到模頭位置，便于調整模頭使生產的薄膜厚度均勻提升產品質量。該測厚儀具備測量點跟蹤管膜邊緣功能，具有廣闊的應用前景。