基于NDIR的塑料薄膜厚度測量技術研究

1、畢業(yè)設計（論文）中文摘要31 / 35基于NDIR的塑料薄膜厚度測量技術研究摘要：隨著塑料薄膜以與以薄膜為主要輔助材料的其他產品在工業(yè)生產和人類生活中的廣泛應用，薄膜的厚度越來越成為一個重要的物理性指標。因此薄膜厚度的測量一直是人們密切關注和不斷研究改進的課題。本論文主要容：第一，探討了薄膜測厚技術的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀；第二，詳細介紹了基于NDIR的紅外測原理以與系統(tǒng)的總體設計方案。第三，介紹了系統(tǒng)中使用的硬件設備，如數(shù)據(jù)采集卡、濾光傳感器、光源和用到的兩個焊接電路等；第四，闡述了所設計系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理過程和軟件的運行流程與其主要的功能；最后，給出了系統(tǒng)調試運行的結果和數(shù)據(jù)的分析結果。本

2、論文設計的系統(tǒng)可以模擬實際測厚系統(tǒng)的工作過程，并通過數(shù)據(jù)的分析對基于NDIR的塑料薄膜厚度測量技術進行了研究與驗證，達到了最初的設計要求。關鍵詞： 紅外線測厚 VC+ NDIR 數(shù)據(jù)采集與處理畢業(yè)設計（論文）外文摘要Title Study on the plastic film thickness measurement technology based on NDIRAbstract：With the wide application of plastic film and other products to the film as the main auxiliary materials

3、in industrial production and the life of human beings, the thickness of the film is becoming a more and more important indicators of physical. So the film thickness measurement has been closely and continuously improve on the subject the people.The main contents of this paper: first, discusses the d

4、evelopment history and research status of thin film thickness measurement technology; second, introduced in detail the overall design scheme of NDIR infrared measuring principle and system based on. Third, introduces the system used in the hardware, devices such as data acquisition card, filter sens

5、or, light source and the use of two welding circuit; fourth, describes the operation process of the data acquisition and processing and software design and its main functions; finally, the system debugging results operating results and the data are given.The system designed in this thesis can simula

6、te the working process of the actual thickness measurement system, and the plastic film thickness measurement technology based on NDIR are studied and validated by the data analysis, met the initial design requirements.Keywords：Infrared thickness VC+ NDIR data collect and process目 錄1緒論11.1課題背景與意義11,

7、2常見薄膜厚度測量方法11.3課題國國外研究現(xiàn)狀31.4章節(jié)安排42系統(tǒng)總體方案設計42.1紅外測厚方法的比較和選取42.2測厚儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)功能簡介52.3測厚儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的總體方案設計62.4 本章小結73系統(tǒng)硬件部分介紹73.1主要硬件選型73.2簡化的電路103.3采集電路103.4小結114系統(tǒng)軟件設計114.1 采集卡的使用144.2 標定程序流程164.3 測厚程序流程174.4數(shù)據(jù)顯示和保存184.5小結195系統(tǒng)調試與運行195.1 系統(tǒng)調試過程195.2 系統(tǒng)調試與結果20結論29參考文獻30致321 緒論1.1課題背景與意義隨著塑料薄膜以與以薄膜為主要輔助材

8、料的其他產品在工業(yè)生產和人類生活中的廣泛應用，薄膜的厚度越來越成為一個重要的物理指標1。薄膜的阻隔性能，機械拉伸性能以與生產加工成本等均與其厚度密切相關，因此薄膜厚度的測量一直是人們密切關注和不斷研究改進的課題。對于生產出來的薄膜，在許多工業(yè)性能要求中最為關鍵的參數(shù)是厚度和均勻度，尤其厚度會直接的影響到薄膜產品的經濟效益、質量和產量，是薄膜非常重要的物理指標2。另外如果薄膜均勻度差，就會影響到薄膜各處阻隔性和拉伸強度等性能。通過測量技術在薄膜生產時進行厚度檢測，對不符合要求的部分薄膜進行再加工，使其生產出來的厚度和均勻度符合工業(yè)要求，會在一定程度上提高薄膜質量、產量，并降低成本。因此塑料薄膜厚

9、度測量技術具有一定研究意義。1,2常見薄膜厚度測量方法1.2.1 非在線薄膜測厚最初用于測量薄膜厚度的技術是非在線測厚技術。非在線測厚技術包括非接觸式和接觸式測量法兩種3。機械薄膜測厚儀是利用接觸式薄膜測厚方法測量薄膜厚度的儀器。雖然它在測量那些表面不平整或具有彈性的材料時會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)的現(xiàn)象，但它能在進行測量厚度之前施加適當?shù)膲毫υ跇悠返臏y量表面上來避免數(shù)據(jù)波動4。其他常用非在線測量儀： (1) 渦流測厚儀和磁性測厚儀，磁性測厚儀是根據(jù)電磁感應原理來實現(xiàn)測厚功能的，而渦流測厚儀則是使用電渦流原理來實現(xiàn)測厚5。它們主要用在測量一些涂層的厚度上。 (2) 超聲波測厚儀根據(jù)超聲波反射原理來實現(xiàn)

10、薄膜的厚度測量，它可以用來測量瓷、玻璃、金屬、塑料等對其反應明顯的導體厚度6，它具有許多測厚儀所不具備的特點：可以工作在高溫環(huán)境中。 (3) 光學測厚儀在理論上可以推導出測量精度非常高的方法，但在實際使用中要求（使用條件與維護等）非常高：第一它距離振源越遠越好，第二必須有嚴格的防塵措施、專業(yè)操作和維護，第三它只能用于層數(shù)較少的復合膜的測厚，所以其使用圍極大的受到了限制7。 非在線測厚設備在便捷性和價格上具有很大優(yōu)勢，但不能夠實現(xiàn)監(jiān)測生產過程的功能，所以只能作為在線檢測的輔助設備8。1.2.2在線薄膜測厚儀據(jù)有關方面統(tǒng)計，如果使用在線測厚儀技術，一個塑料薄膜制品廠每年可以節(jié)省約 10 萬美元左右

11、9。目前主要的在線薄膜測厚儀包括：射線測厚儀，X 射線測厚儀，激光測厚儀和紅外測厚儀等。 (1) 射線測厚儀: 射線技術相對于其他技術來說是最先應用于在線測厚的。是一種放射性同位素測厚技術，它利用放射源放射出來的低能量射線透過薄膜來實現(xiàn)測量功能，就是利用射線被薄膜部分吸收導致能量減弱的原理進行薄膜厚度測量的10。它對設備輻射保護裝置有很高要求，且傳感器對薄膜上下的波動以與周圍環(huán)境變化相當敏感11。(2) X 射線測厚儀：由于信號源放射性很強，輻射保護裝置有嚴格要求；而且不適合對多種元素組成的聚合物進行測厚12。所以現(xiàn)在主要應用在單元素材料（如鋼板等）的測量上。 (3) 激光測厚儀：激光測厚儀是

12、近些年來開發(fā)出的高科技實用型設備。它對工作的環(huán)境要求降低了，具有人工測量和其它測量方法無法比擬的優(yōu)點：測量準確、安全可靠、精度高、實用性好、無輻射、非接觸式等。且能夠為厚度控制提供準確可靠的信息，從而提高工廠的生產效率、產品質量13。但激光測厚儀在實際運用過程中因為某些現(xiàn)場環(huán)境的限制而得不到廣泛使用。小結：射線測厚測厚儀由于自身射線物理特性，具有不可避免的缺點：射線的不可聚焦性使射線測厚儀無法對薄膜微觀變化進行有效監(jiān)測，只能用于測量薄膜宏觀厚度的變化14。具有發(fā)射性，一般要在其四周劃出一個 1至1.5m 的安全隔離帶15。儀器的成本價格比較昂貴。雖然射線設備都對用戶提出強制性安全防護的要求，但

13、是工廠不愿采用的一個原因就是射線危害人體健康。惡劣（如溫度高，粉塵多），導致設備的運行維護有諸多不便,出現(xiàn)了不少的問題16。 (4) 紅外測厚儀：運用紅外技術進行厚度測量可以不受環(huán)境的濕度和空氣壓力與縫隙間溫度變化等因素影響，可以保證測量精度。因其信號源無放射性，成本低廉，設備維護難度相對較低，故紅外技術適用于雙向拉伸薄膜、多層共擠薄膜和流延膜等生產檢測17。綜上所述，紅外技術測量薄膜厚度已經成為薄膜測厚領域的最佳之選。1.3課題國國外研究現(xiàn)狀1.3.1 國外研究現(xiàn)狀國外從在世紀70年代將紅外測厚技術應用到薄膜厚度在線測量，到80年代初已有產品應用到實際生產中。1981年，日本富士電機公司研制

14、出紅外在線測厚儀，測量圍 10m至2mm，重復性誤差大于 1m。1983年，英國和美國的Infrared Engineering Inc 研制出紅外在線測厚儀的測量圍為10至300m，測量精度為±1m。1999 年英國紅外工程公司研制出一種測量包裝薄膜的紅外線量規(guī)。其通過非接觸測定法，以±0.1m 的精度測量薄膜厚度。紅外線探測頭可以很方便地安裝到塑料擠壓生產線上。在線測定厚度為10m至5mm，響應時間為0.1至20s18。1.3.2 國研究現(xiàn)狀國研究機構對紅外測厚技術的研究始于上世紀 80年代。1984年，工學院研制成功我國第一臺紅外測厚儀19，該測厚儀的主要技術指標如下

15、：測量圍：10至1000m。測量精度：±2m（厚度<200m），±5m（厚度>200m）。重復性：<±（設定值×0.2%1m）。穩(wěn)定性：8 小時相對波動<1%，24 小時相對波動小于 1.5%。 1988年，工學院在前期工作基礎上，設計出了不同結構的測厚儀。 中國計量科學研究院于 1990年研制了在線測量滌綸薄膜厚度的HW-1型紅外側厚儀20?，F(xiàn)場實驗結果表明，其可以滿足一般的需要，測厚圍為20至100m，測量精度：±（名義尺寸×2%1.5m）。 1998 年，省測試研究所研制出了 IM-C 型紅外薄膜（水分）

16、厚度測試儀，綜合了反、透射測量方法21。薄膜測厚的主要技術指標：測量圍：10至120m。精確度：優(yōu)于±3m。重復性：±2m。 科技學院結合紅外測厚技術和激光測厚技術于2002、2006年分別研制出了透射式激光測厚傳感器和反射式紅外測厚儀22。2010年，師大學利用MCGS組態(tài)軟件和PID控制方法對一個雙向拉伸薄膜厚度測控系統(tǒng)進行了設計和仿真23。其結果顯示該測控系統(tǒng)不僅可以進行實時、精確地測量和控制雙向拉伸薄膜的厚度外，且具有調整參數(shù)方便、控制效果、可視性和可維護性好等優(yōu)點，具有很大的應用價值24。 1.4章節(jié)安排本文共包含五章，各章主要容如下：第一章為緒論，主要介紹了課題

17、研究背景和意義，薄膜測厚技術的種類、發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀。第二章為總體的方案設計，介紹了測厚系統(tǒng)具有的功能，包括了測厚方法的選定，系統(tǒng)總體框圖和軟件流程圖。第三章為系統(tǒng)的硬件簡介，主要說明了涉與到的硬件，主要是數(shù)據(jù)采集卡和兩個硬件電路。第四章為系統(tǒng)軟件設計,是本文最重要的部分。主要容有控制軟件的交互界面設計，數(shù)據(jù)采集、標定和測量程序設計思想、流程與實現(xiàn)方法等。第五章為系統(tǒng)調試運行結果，主要展示了系統(tǒng)實現(xiàn)的整體功能。2 系統(tǒng)總體方案設計2.1紅外測厚方法的比較和選取2.1.1紅外技術的選定紅外線照射到薄膜上將產生干涉、反射和透射等光學特征，因而紅外測厚的方法相應有反射法、干涉法和透射法(吸收法)2

18、5。綜合考慮系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立的復雜度，工廠的環(huán)境的好壞，儀器的精度高低，被測物的厚度的圍、折射率與表面光滑度等因素，薄膜厚度的紅外測量采用透射法較為適宜26。所以本次研究的方法是透射法。2.1.2紅外透射技術在紅外圍的發(fā)射和吸收對應于多原子物質的振動狀態(tài)之間以與轉動狀態(tài)之間的躍遷27。當入射電磁波的頻率對應于受輻照分子振動或轉動速率變化時，使產生吸收28。所以，當光源發(fā)送的光線穿透薄膜時,會被薄膜吸收一部分,其余部分到達相對應的接收源。被薄膜吸收的部分由薄膜的厚度和密度決定29。當光源與接收器之間沒有薄膜時，發(fā)送信號全部到達接收器,這時接收到的能量最高30。當光源和接收器之間所加薄膜變厚時

19、，被吸收的部分會變多，到達接收器的部分變少，此時接收到的能量就會減小。當一束光透過塑料薄膜時，照射到薄膜表面的光強為I0，透過薄膜的光強為I，由朗伯比爾公式31，得到如下關系：A=-lgT=-lg（I/I0）=kb式中: A表示吸光度，T表示透射率，k表示吸光系數(shù)（與不同材料有關），b表示薄膜厚度。2.1.3 NDIR (Non-Dispersive Infra-Red 無彌散紅外線)測厚原理用一個寬波長圍的光源，透過測量物，用兩個窄帶濾光片分別在檢測器之前濾光，兩個檢測器一個作為傳感器，一個作為參比傳感器，對比兩個檢測的信號。通過分析測量物對特定頻率光波的吸收損耗來計算測量物的成分、濃度、厚

20、度等參數(shù)32。由于塑料薄膜含OH、NH、CH基的化合物在近紅外和中紅外、乃至遠紅外區(qū)域發(fā)生對光的吸收33。因此，可以根據(jù)對入射紅外線吸收的程度來測定吸收體的厚度。圖2.1測厚原理圖2.2測厚儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)功能簡介本系統(tǒng)主要完成以下功能:一、硬件部分：(一) 光源控制：標定或測量數(shù)據(jù)時，先點亮第一路燈，采集完本路數(shù)據(jù)后熄滅，如此重復操作剩余四路，直至標定完成或停止測量。(二) 數(shù)據(jù)采集：先采集本組的第一路：打開光源后待其穩(wěn)定，開始采集數(shù)據(jù)，采集十個數(shù)據(jù)后熄滅燈，進行下一路采集，5路采集完成后停止采集（標定時）或繼續(xù)采集下一組（測量數(shù)據(jù)時），手動停止測量時需等該組5路數(shù)據(jù)采集完成。二、軟件部

21、分：(一) 輸入：在5個編輯框中輸入5路的已知的薄膜厚度（標定用）。(二) 輸出:將標定時采集五路數(shù)據(jù)的平均值顯示在五個編輯框。（可復制）(三) 四個按鈕：1、 標定：采集五路數(shù)據(jù)，求出數(shù)據(jù)的平均值，與輸入的相應5組厚度，作為已知量求解測厚方程系數(shù)。2、 測量：采集五路數(shù)據(jù)，求出數(shù)據(jù)的平均值，帶入測厚方程求解厚度。如此重復。3、 停止：停止測量程序。4、 保存數(shù)據(jù)：將顯示在界面的厚度數(shù)據(jù)保存至運行根目錄下的excel文檔并顯示。(四) 顯示：1、 將每路采集的十個數(shù)據(jù)顯示在相應的區(qū)域，并在其后顯示平均值。2、 將每次計算出的厚度顯示在表格中，并實時添加新的厚度。3、 將累計得到的五路厚度用曲線

22、表示在相應的區(qū)域。2.3測厚儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的總體方案設計圖2.2 總體系統(tǒng)框（其中每一路的采集電路參見2.1測厚原理圖）操作人員可通過軟件界面的控制按鈕對測量系統(tǒng)進行控制，系統(tǒng)部的軟件程序通過調用動態(tài)庫中的接口函數(shù)可以對采集卡進行相應的控制，而采集卡通過5路數(shù)字輸出可以控制光源的開關。從而達用軟件控制整個系統(tǒng)的目的。2.4 本章小結本章從整體上介紹了系統(tǒng)的測厚理論與其功能與設計方案，說明了系統(tǒng)的工作流程，為其的具體設計和實現(xiàn)提供了方向，下面的系統(tǒng)設計皆以完成以上功能為目的而進行。3 系統(tǒng)硬件部分介紹3.1主要硬件選型3.1.1采集卡MPS-020101 數(shù)據(jù)采集卡是一款基于 USB 總線

23、的 24 位多功能微弱信號數(shù)據(jù)采集卡，具有4 路差分(或 8 路單端)24 位模擬信號采集，集成可編程增益放大器、Bornout 檢測、板載參考電壓輸出等功能，并具有2路電流信號輸出和8路數(shù)字信號輸入/輸出端口?？捎糜趯嶒炇?、產品質量檢測中心和大專院校等各種領域的數(shù)據(jù)采集、分析和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，也可用于工業(yè)現(xiàn)場的過程監(jiān)控系統(tǒng)，尤其適用于微弱信號的檢測。 MPS-020101采用USB2.0全速總線接口，向下兼容 USB1.1接口。總線極具易用性，即插即用，是便攜式系統(tǒng)用戶的最佳選擇，可以完全取代以往的PCI 卡。 MPS-020101 可工作在Win9X/Me、Win2000/XP 等常用操作系

24、統(tǒng)中，并提供可供 VB, VC, C+Builder, Dephi，LabVIEW，Matlab 等常用編程語言調用的動態(tài)庫，編程函數(shù)接口簡單易用，易于編寫應用程序。圖3.1 采集卡MPS-020101I. 性能指標：1、USB 總線性能USB2.0 全速總線傳輸向下兼容 USB1.1 接口使用方便，能夠實現(xiàn)自動配置，支持設備的熱插拔即插即用2、模擬信號輸入模擬輸入通道: 1 路差分、4 路差分或 8 路單端模擬輸入量程： ±2.5V 模擬輸入電壓： 0V-2.5V 模擬輸入阻抗: 7M 歐姆(PGA = 1) 數(shù)據(jù)分辨率： 24Bit 有效分辨率： 20bit(差分，10sps)

25、非線性誤差： ±15ppm 偏移誤差： ±10ppm 溫漂： 10nV/采樣率： 10sps,100sps,1000sps可編程增益： 1，2，4，8，16，32，64，1283、模擬信號輸出模擬輸出通道: 2 路電流輸出電流輸出圍： 0-2mA 開路電壓: 2V 分辨率： 8Bit(256) 非線性誤差： ±0.5LSB 4、數(shù)字信號輸入/輸出輸入/輸出通道： 8 路輸入/輸出模式：全輸入/全輸出/半輸入半輸出輸入電平： CMOS 輸出電平： CMOSII. 本次研究所使用的功能：（1）模擬信號輸入：模擬輸入通道:： 6路單端；模擬輸入量程： ±2.5

26、V ；模擬輸入電壓： 0V-2.5V ；模擬輸入阻抗: 7M 歐姆(PGA = 1) ；數(shù)據(jù)分辨率： 24Bit ；有效分辨率： 20bit(差分，10sps) ；采樣率： 10sps,100sps,1000sps ；（2）數(shù)字信號輸出：輸出通道： 5路 ；輸出電平： CMOS（實測3.16V）。（3）綠色信號燈：點亮用來表示正在執(zhí)行采集信號的操作。3.1.2傳感器雙通道熱釋電探測器（型號PY-ITV-DUALT039(3+1)）圖3.2 濾光傳感器該傳感器元件置于一個具有部CMOS運算放大器的低噪聲電路，具有一個10G歐姆反饋電阻的輸出標準電壓模式信號。傳感器信息：過濾孔徑2.6mm2單元尺

27、寸1000×1000微米最大電壓8.0V最小電壓2.7V工作溫度-20+70儲存溫度-20至+1103.1.3光源品牌: Simon/西蒙型號: 3550LSD 輸入電壓：12V功率：35W圖3.3 鹵素燈3.2簡化的電路（光敏電阻代替濾光傳感器、led代替大功率光源）圖3.4 簡化電路原理圖為了證明系統(tǒng)可行性，在軟件設計時臨時搭建的一個簡化電路。其中光敏電阻代替所選的濾光傳感器、led代替大功率光源。該電路中，光敏電阻兩端的電壓為一節(jié)七號電池的1.5V輸出電壓，圖中上端的總線為采集卡的5路數(shù)字輸出（實測3.16V），可使采集卡控制循環(huán)點亮LED,下端的總線為采集卡的六路模擬輸入（采

28、集電壓用），其中5路輸入為右邊的5個光敏電阻在LED照射下的電壓，另一路為左端的光敏電阻在無LED照射下的電壓（作為參比電壓），圖中電路與采集卡共地。該電路的搭建與使用暴露了軟件設計的幾個問題，使其得以改正，在相對安全的條件（電壓較低）下驗證了測厚系統(tǒng)的可行性，為后期工作提供了保證。但由于光敏電阻和LED的精度不高，容易受環(huán)境（尤其是溫度）的影響，所以采集的數(shù)據(jù)不是很理想，下文會詳細介紹。3.3采集電路(使用濾光傳感器和大功率光源)為了提高采集數(shù)據(jù)的精度，以便用于數(shù)據(jù)的分析，用上文所選的器件搭建了一路采集電路。通過控制光源的亮滅，觀察傳感器的采集數(shù)據(jù)的變化，確定最佳采集的時間。傳感器的電源接直

29、流5V電源，一路輸出接采集卡的第一路模擬輸入，另一路輸出接采集卡的第六路模擬輸入，作為參照電壓。由于選擇的光源是額定電壓為12V的燈，而采集卡的數(shù)字信號輸出電壓為3.16V無法驅動。所以選用5V繼電器作為光源驅動部分，用一個開關三極管作為繼電器的驅動部分。其驅動電路如下圖所示。圖3.5 光源控制電路由于3.2中的簡化電路只能驗證光學透射法測量薄膜厚度原理，而不能驗證無彌散紅外線測厚原理，所以搭建了該采集電路。而且該電路采集的數(shù)據(jù)要優(yōu)于簡化電路，故數(shù)據(jù)分析是用的是該電路采集的數(shù)據(jù)。3.4小結本章首先介紹了薄膜測厚系統(tǒng)的主要硬件部分，包括采集卡，光源，濾光傳感器，皆是市場上的產品。其優(yōu)點在于穩(wěn)定性

30、好，輸入、輸出信號明確，便于使用和控制。之后介紹的簡化的電路在初期軟硬件聯(lián)調時暴露了許多的軟件方面的問題，使其得以改正，最后驗證了系統(tǒng)的可行性。最后介紹的采集電路驗證了NDIR (無彌散紅外線)測厚的原理，其數(shù)據(jù)的精度較高可作為分析的依據(jù)。4 系統(tǒng)軟件設計本軟件為基于MFC對話框的應用程序，通過在程序原有主框架上添加所需控件完成。下面介紹軟件界面的設計：利用VS2008資源管理器創(chuàng)建一個對話框資源；a) 添加四個按鈕控件，分別作為“標定”按鈕、“開始測量”按鈕、“停止測量”按鈕、“保存數(shù)據(jù)”按鈕；b) 添加三個靜態(tài)文本，用來顯示“標定值”、“測量數(shù)據(jù)”、“平均值”的列表頭；c) 再添加十個靜態(tài)

31、文本，其中五個用來顯示五路的測量數(shù)據(jù)，一路顯示十個數(shù)據(jù)，另五個用來顯示五路數(shù)據(jù)的平均值；d) 添加十個編輯控件，其中五個用來輸入測厚的標定厚度，另五個用來輸出測得的標定電壓；e) 添加一個列表控件用來顯示累計的五路厚度值；f) 添加5個圖片控件用來顯示五路厚度的實時圖像。軟件實現(xiàn)功能的要求如下：1）檢查硬件和動態(tài)庫（采集卡的驅動函數(shù)）是否正常，并進行提示；2）通過界面按鈕和輸入界面的數(shù)據(jù)進行薄膜厚度的標定；3）通過界面按鈕開始和結束對待測薄膜的測量，并將采集數(shù)據(jù)和計算的厚度值顯示在軟件界面上；4）將測得的厚度（累計多組）用實時圖像和數(shù)據(jù)兩種形式顯示在界面上，并可以將數(shù)據(jù)保存到外部Excel文檔

32、中。下圖為軟件系統(tǒng)的工作流程圖。圖4.1 軟件系統(tǒng)流程圖4.1 采集卡的使用MPS-020101數(shù)據(jù)采集卡帶有動態(tài)庫，提供了使用數(shù)據(jù)采集卡的各種接口函數(shù)，使用這些函數(shù)進行項目的開發(fā)會節(jié)省大量的時間。下面對動態(tài)庫的調用和這些接口函數(shù)進行簡略的說明。4.1.1動態(tài)庫調用：在程序中加入如下代碼，并將MPS-020101.dll拷貝到相應的目錄下，就可以使用其提供的接口函數(shù)了。VC 下調用 DLL： typedef void ( * FUNC )(void); /定義一個函數(shù)指針FUNC Func; /定義一個函數(shù)指針變量HINSTANCE hDLL=LoadLibrary("MPS-020

33、101.dll"); /加載 dllFunc=(FUNC)GetProcAddress(hDLL,"FuncInDLL");/找到 dll 中的函數(shù)Func(); /調用 dll 里的函數(shù)4.1.2采集卡驅動函數(shù)五個驅動函數(shù) ：a) 打開一個設備，并返回該設備的句柄。intSI_Open (int DeviceNum, HANDLE *Handle) 參數(shù): 1. DeviceNum-設備序號。第一個設備為 0，第二個設備為 1，依次類推。2. Handle-設備句柄的指針實際運用： MPS_flag = MPS_Open(0, &Handle);/打開第

34、一個設備，獲得句柄b) 關閉一個設備。intSI_Close (HANDLE Handle) 參數(shù)：Handle：從 SI_Open 得到的設備句柄。實際運用： MPS_Close(Handle); /關閉設備，釋放句柄c) 讀取數(shù)據(jù)。intSI_Read (HANDLE Handle , unsigned char *Buffer, int NumBytesToRead, int *NumBytesReturned，int NullPara) 參數(shù)：Handle：設備句柄。Buffer：數(shù)據(jù)緩存區(qū)的首地址。函數(shù)執(zhí)行后該緩存數(shù)據(jù)被更新為讀取到的數(shù)據(jù)。每次讀取 5 個字節(jié)，前三個字節(jié)表示24位數(shù)

35、據(jù)，第四個字節(jié)表示當前數(shù)據(jù)的輸入通道號，第五個字節(jié)位表示 8 位數(shù)字端口的電平狀態(tài)值。NumBytesToRead：要求函數(shù)從設備讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，一般默認其值為 5。NumBytesReturned：函數(shù)實際從設備讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，傳遞的參數(shù)為數(shù)據(jù)指針，函數(shù)運行完成指針中數(shù)據(jù)被更新為實際讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。NullPara：無效參數(shù)，輸入時令 NullPara = 0；實際運用： MPS_Read(Handle, DataBuffer, 5, & NumBytesReturned, 0); /數(shù)據(jù)的采集d) 寫入數(shù)據(jù)。即發(fā)送控制命令。int SI_Write (HANDLE Handl

36、e, unsigned char *Buffer, int NumBytesToWrite, int * NumBytesWritten, int NullPara) 參數(shù)：Handle：設備句柄。Buffer：命令碼所在的地址。第一個字節(jié)表示控制命令碼， 第二個字節(jié)表示命令所附帶的配置參數(shù)，命令控制碼和參數(shù)均以 8 位無符號整型數(shù)據(jù)表示。NumBytesToWrite：向設備寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，值為 2。NumBytesWritten： 函數(shù)實際從設備讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，傳遞的參數(shù)為數(shù)據(jù)指針，函數(shù)運行完成指針中數(shù)據(jù)被更新為實際讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)NullPara：無效參數(shù)，輸入時令 NullPara

37、 = 0；實際運用：MPS_Write(Handle, Sr, 2, & NumBytesWritten, 0);/ 設置為單端輸入MPS_Write(Handle, Sl, 2, & NumBytesWritten, 0);/設置為標準采樣速率MPS_Write(Handle, LED, 2, & NumBytesWritten, 0);/ 點亮綠色LEDMPS_Write(Handle, I, 2, & NumBytesWritten,0); /DIO輸出電流e) 清除緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，用于在較長時間未讀取過數(shù)據(jù)時清除舊的數(shù)據(jù)緩存，以保證讀到的是最新的數(shù)據(jù)。int

38、SI_FlushBuffers (HANDLE Handle, unsigned char FlushTransmit, unsigned char FlushReceive) 參數(shù)：Handle：從 SI_Open 得到的設備句柄。FlushTransmit 和FlushReceive：無效果，可設置為任意非 0 值。 4.1.3數(shù)據(jù)的采集：采集卡可用三種方法進行模擬信號的采集，包括:1 路差分、4 路差分或 8 路單端.由于本系統(tǒng)需要6路的模擬輸入，其中5路用作衰減的信號，一路用作參比的信號，所以選擇使用8 路單端輸入。但是由于采集卡的在單端模式下采集數(shù)據(jù)只能從1到8號通道順序采集數(shù)據(jù)，不

39、能指定采集的通道，這就需要對采集的數(shù)據(jù)進行選擇。在打開第一路光源并待其發(fā)光穩(wěn)定后，采集卡采集80個數(shù)據(jù)，其中會有十個數(shù)據(jù)是從第一路的傳感器采集來的也就是有用數(shù)據(jù)，通過采集到數(shù)據(jù)Buffer（共5字節(jié)）的第四字節(jié)來判斷采集的通道號，若為10000000則其為有用數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，否則丟棄。循環(huán)80次后第一路采集完成，光源熄滅，。開始第二路的采集，過程同上。4.2 標定程序流程圖4.2 標定程序流程圖在標定程序中主要涉與的是兩部分：第一是軟硬件的檢查、報錯，確保程序可以正常運行；第二是公式系數(shù)的標定，本程序將5個輸入的標定厚度值和5個測定的電壓值分成5組已知數(shù)據(jù)，作為選用的差值函數(shù)的系數(shù)。得到的

40、差值函數(shù)將用于薄膜厚度的測定。在此處不用朗伯比爾公式是因為沒有用到濾光傳感器，故薄膜對光的吸收不占光損耗的主要部分，也就是說光損耗和薄膜厚度不滿足朗伯比爾公式。4.3 測厚程序流程圖4.3 測厚程序流程圖在測厚程序中用了幾個簡單的函數(shù)來實現(xiàn)程序的功能，for循環(huán)函數(shù)來控制采集通道的切換和每路采集數(shù)據(jù)個數(shù)，用if；else函數(shù)判斷數(shù)據(jù)是否有用，用dowhile()函數(shù)來判斷何時按下停止按鈕結束程序。其中在判斷按下停止按鈕時，由于需要線程判斷一個全局變量的值是否發(fā)生改變，需要在程序中添加響應外部消息的函數(shù)，如果沒有該函數(shù)當軟件開始執(zhí)行循環(huán)程序時，會將cpu的全部用于該循環(huán)的執(zhí)行，而不會響應外部的消

41、息，按下停止按鈕后不但不會跳出循環(huán)，還會造成軟件的未響應，并且占用大量cpu。 雖然插入消息響應函數(shù)可以解決線程不響應外部消息的問題，但該代碼的插入位置也值得研究。以下為采集數(shù)據(jù)的兩個循環(huán)：for(I1=1;I1<=16;I1 = I1*2 )/5路切換通道 /位置一for (m=0;m<80;m+) /位置二 .若將代碼插入位置一，會使軟件少執(zhí)行此代碼80次，使程序精簡。但會造成程序的卡頓。因為第二層循環(huán)執(zhí)行80次響應一次消息，在按下“停止測量”按鈕時會有一段時間未響應。如果將代碼插入到位置二，由于第二層循環(huán)每執(zhí)行一次就響應一次消息，軟件很快接受外部消息，使程序不會有明顯的卡頓現(xiàn)

42、象。但是會使程序冗長。最后選擇將其插入位置二，讓程序使用更流暢。4.4數(shù)據(jù)顯示和保存4.4.1列表控件顯示：在軟件界面中添加一個列表控件，改其view屬性為report，插入5列并添加表頭。在測量程序中每測一組數(shù)據(jù)就插入一行，然后將5路測得的厚度分別插入相應列，之后更新變量到控件，就能完成厚度數(shù)據(jù)的顯示。4.4.2繪制厚度曲線：將編寫好的繪圖用的一類結構體添加到工程中，然后定義該結構體的一個一維數(shù)組（5個成員），在軟件的界面上添加5個picture控件，并分別關聯(lián)該數(shù)組的5個成員。在測厚程序每測得一個厚度時，通過相關函數(shù)將其更新到相應的成員中并繪制該點。完成厚度曲線的實時顯示。4.4.3數(shù)據(jù)的

43、保存：向工程中添加有關excel使用的相關類和函數(shù)，然后進行一系列操作：獲取運行程序的根目錄，找到相應模板，新建并打開一個excel文檔，使其可見，可操作，選中行、列，向其中寫入數(shù)據(jù)等。4.5小結軟件部分的設計是本次畢業(yè)設計的重點也是難點，其中驅動硬件的部分是該系統(tǒng)的基礎和關鍵。標定和測量程序相對簡單，只需要幾個簡單的循環(huán)和判斷函數(shù)，但隨著系統(tǒng)的完善進行了最多次數(shù)的修改。數(shù)據(jù)的顯示、保存和曲線的繪制花費了相當長的時間，需要大量的閱讀有關書籍和程序，使的進度大大的減慢。5 系統(tǒng)調試與運行5.1 系統(tǒng)調試過程系統(tǒng)調試是為了驗證系統(tǒng)能否完成設計所要求的功能，并且在實際的情況下是否能正常的運轉。系統(tǒng)調

44、試的主要容大致可分為以下三點：1、查看采集的數(shù)據(jù)是否正確。根據(jù)系統(tǒng)設計，在界面上顯示的結果有采集的數(shù)據(jù)（電壓）與其平均值還有計算所得厚度。其中厚度可以累計顯示并保存到外部的excel文檔中。為了查看采集的原始數(shù)據(jù)（電壓）是否正確，可以修改源程序使其顯示和保存的數(shù)據(jù)暫時由厚度值改為電壓值，然后將保存下了的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)對比，看其是否有較大的誤差，或者有無明顯規(guī)律變化。2、驗證系統(tǒng)硬件設備能否正確的響應軟件的按鈕命令。在系統(tǒng)設計時，為了方便操作人員對系統(tǒng)的控制，在軟件界面上設置了四個控制按鈕，實現(xiàn)通過軟件控制硬件設備，進行操作。所以，在調試時只需驗證系統(tǒng)在實際響應某一命令后所得的結果是否與設計完成

45、該操作后所期望的結果相符，另外還需測驗在連續(xù)試驗條件下是否會產生混亂。3、顯示程序和保存程序調試。這一部分主要驗證三方面，第一軟件界面上顯示數(shù)據(jù)的格式，位置是否正確；第二繪制的厚度曲線圖和厚度的數(shù)據(jù)變化是否一致；第三能否正確的將厚度數(shù)據(jù)保存到excel文檔中，并且不產生錯誤。5.2 系統(tǒng)調試與結果5.1.1系統(tǒng)整體調試結果1、系統(tǒng)軟件界面：圖5.1 軟件界面如圖所示，系統(tǒng)控制軟件界面主要包括系統(tǒng)標定變量的輸入輸出、數(shù)據(jù)（包括采集電壓和厚度）顯示窗口、繪圖窗口和四個控制按鈕，符合系統(tǒng)最初的設計要求。2、測厚試驗進行中的調試結果1. 標定過程：1) 未能正常標定：若未找到動態(tài)庫，硬件連接出現(xiàn)問題或

46、未輸入5個非0的標定用厚度則出現(xiàn)以下三個錯誤提示窗口：圖5.2 錯誤提示窗口2) 標定過程中：禁用所有按鈕，直至標定完成，防止按下按鈕造成程序不響應。圖5.3 禁用按鈕效果圖3) 成功標定：界面上標定值為隨機輸入的薄膜厚度，標定輸出的值為電壓值，其值可以復制，便于驗證和計算。圖5.4 標定完成效果圖2. 測量過程：1) 若未標定則提示如下 圖5.5 提示標定窗口2) 測量過程中禁用三個按鈕，防止按下后程序不響應。圖5.6 禁用按鈕效果圖23) 測量過程中每路會采集十個數(shù)據(jù)并求其平均值顯示在如下界面中，平均值會帶入測厚公式算出厚度值。圖5.7 采集數(shù)據(jù)顯示效果圖4) 每次計算的出的厚度值會顯示在

47、右下的表格，上方為最先得到的厚度，更新的厚度會顯示在表格最下方。圖5.8 厚度數(shù)據(jù)顯示效果圖5) 計算完成后，軟件會實時繪制五路厚度曲線，每計算一次畫一次點，如下圖：圖5.9 厚度數(shù)據(jù)曲線圖6) 點擊停止測量按鈕，測量程序會在測量完成正在測量的一大組數(shù)據(jù)（5路）后停止，同時使能所有按鈕。如下圖：圖5.10 軟件界面23. 數(shù)據(jù)保存：點擊保存數(shù)據(jù)按鈕，會打開一個excel文檔并將界面右下的累計厚度數(shù)據(jù)拷貝到其中相應的位置。操作者只能通過另存為將文檔保存，而不能直接保存到模板中，防止下次應用軟件時模板改變。效果如下：圖5.11 保存數(shù)據(jù)效果圖圖5.12 提示另存為窗口圖5.13 保存信息窗口5.1

48、.2數(shù)據(jù)分析1. 簡單電路采集的數(shù)據(jù)分析：a) 采集卡可支持的采集速率有三種：10sps,100sps,1000sps，速率越快誤差就越大，以下為三種速率時，采集卡在黑暗環(huán)境下，無薄膜時的空測電壓：表5-1 最低速率塑料薄膜厚度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)第一路數(shù)據(jù)第二路數(shù)據(jù)第三路數(shù)據(jù)第四路數(shù)據(jù)第五路數(shù)據(jù)0.5504220.5501650.5502570.550340.5499140.5503380.550070.5502960.550080.549790.5501230.5500720.550950.5502760.5502350.5503890.5500950.5501080.5501480.5499

49、30.5499220.5501290.5499210.5501980.550086表5-2 中等速率塑料薄膜厚度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)第一路數(shù)據(jù)第二路數(shù)據(jù)第三路數(shù)據(jù)第四路數(shù)據(jù)第五路數(shù)據(jù)0.6087210.5453340.5015070.5156950.5771460.6379130.6162050.5403720.5058140.5694680.6380560.5746840.5074290.5773230.635490.539180.5205930.6151380.6153370.5215010.5415680.6288190.6015440.5147780.5394590.633840.5950

50、80.5116680.5394680.6228350.618810.5327030.513380.5934290.637376表5-3 最高速率塑料薄膜厚度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)第一路數(shù)據(jù)第二路數(shù)據(jù)第三路數(shù)據(jù)第四路數(shù)據(jù)第五路數(shù)據(jù)0.5907550.5954880.6068470.5917010.5664020.5682090.5711350.5924760.5904110.611580.6101170.6170870.5756950.5731140.5875710.5718230.5912710.5994460.6122680.5855920.6133010.5676920.5691550.5909

51、270.5870540.5857640.6108050.612870.5757810.573544由以上數(shù)據(jù)分析可知，選用最低速率可以使采集的數(shù)據(jù)誤差最小。b) 為了驗證測厚系統(tǒng)的可行性進行如下實驗（在最低速率下進行，確保數(shù)據(jù)的最高精度）：在電路中的一至五路led和光敏電阻中間分別插入1、2、3、2、1層塑料薄膜，在五路標定電壓的輸入處分別寫入0.1、0.2、0.3、0.2、0.1，來表示相應層數(shù)的薄膜。將電路用黑盒蓋上，避免外界光線的干擾。點擊“標定”按鈕,得到如下標定信息：圖5.14 驗證試驗標定顯示圖點擊“開始測量”按鈕，一段時間后按下“停止測量”按鈕和“保存數(shù)據(jù)”按鈕，得到如下數(shù)據(jù):表

52、5-4 驗證試驗數(shù)據(jù)顯示塑料薄膜厚度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)第一路數(shù)據(jù)第二路數(shù)據(jù)第三路數(shù)據(jù)第四路數(shù)據(jù)第五路數(shù)據(jù)0.074550.2068390.3363770.2434030.1029390.0859370.204080.3213410.2079320.0970660.1177220.2029120.311920.2103130.0956320.1301580.2032760.3360180.2058210.0948990.1376330.2026660.3346490.220810.0956760.1385310.2048030.346040.2305350.0962560.1337620.2064

53、980.3546740.2599790.0962910.1345250.2071910.3657230.2500710.0942470.1489030.2049220.3569580.2410340.0942740.1523910.2063850.3684210.2447450.0939450.1558790.2075060.375010.257430.0946390.145870.2074410.376260.2631050.0940130.1555920.2069930.3697830.2151310.0940970.1855960.1893080.3867590.3201320.2152

54、72-0.1852780.198780.3900840.3278890.215483圖5.15 驗證試驗數(shù)據(jù)曲線圖由上述數(shù)據(jù)分析，第二、四、五路數(shù)據(jù)較為準確且受到外界干擾較小，基本能正確的反應所測的層數(shù)。但第一、三路數(shù)據(jù)有明顯的上升趨勢，所測的數(shù)據(jù)存在問題。而且在測量一段時間之后五路的數(shù)據(jù)均出現(xiàn)明顯的波動，分析原因，可能是溫度增加造成的影響。該電路中l(wèi)ed和光敏電阻雖然選用同一型號，但是其本身的精度不高，發(fā)光強度和感光曲線差別較大，而且其受溫度等外界環(huán)境的影響較大，最終導致測得的數(shù)據(jù)不盡如意。但是該電路模擬了實際測量系統(tǒng)的工作過程。驗證了系統(tǒng)的可行性。2. 大功率光源和濾光傳感器電路采集的數(shù)據(jù)

55、分析：圖5.16 無薄膜時數(shù)據(jù)圖5.17 一層薄膜時數(shù)據(jù)圖5.18 無薄膜時數(shù)據(jù)由以上三圖可知電壓的總體變化趨勢大體相似，現(xiàn)將差值部分仔細對比，藍色部分為無薄膜時，紅色部分為一層薄膜時，黃色部分為兩層薄膜時的差值曲線，其效果如下：圖5.19 三組差值數(shù)據(jù)對比圖如圖，最佳采樣的時間圍是0.15到0.2之間，其中0.17左右時差值變化最大。根據(jù)差值大小的對比可以判斷出薄膜的厚度關系。該電路采集的數(shù)據(jù)驗證了基于NDIR原理的薄膜測厚技術的可行性。結 論本論文主要解決了薄膜測厚試驗中采集數(shù)據(jù)與處理的方法，并對薄膜測厚系統(tǒng)的控制提供了一種方法。本次設計的系統(tǒng)是為了研究與驗證基于NDIR的塑料薄膜厚度測量技術。本次畢業(yè)設計完成的主要工作有：第一，探討了薄膜測厚技術的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀；第二，詳細介紹了基于NDIR的紅外測原理以與系統(tǒng)的總體設計方案。第三，介紹了系統(tǒng)中使用的數(shù)