摘要：論述了幾種通過傳感器在線測厚儀器的原理、優缺點以及發展研究現狀，并討論了在現代工業生產和生活中的應用。指出，提高測厚儀器的精確度以及各種測厚儀器的配合使用應成為厚度測量的發展趨勢。
關鍵詞：傳感器；在線測量；測厚儀
0? ?引言
隨著工業的發展，產品的厚度已經成為評價其質量好壞的一項重要指標，工業中對測厚的要求也越來越高，諸如要求實時、在線、報警等，原始的人工測厚方法比如機械式測厚已經逐漸不能滿足生產要求，這就促使研究人員研究相關的測厚的理論，利用先進的傳感器檢測技術，開發出更有效、準確、實用性的在線測厚儀器。在此背景下，在線測厚技術就大力發展了起來，在線測量能夠對產品厚度進行實時、在線的檢測。常用的測厚方法有激光測厚、射線測厚、紅外測厚、渦流測厚、超聲波測厚等。測厚儀在工業生產上已經廣泛應用，有的已經在大規模生產線投入應用，并且得到了較好的結果，還有一部分測厚儀正在進行更進一步的改進，以便發揮它們更強大功能。
1? ? ?基本原理及應用范圍
根據測厚儀工作的方式不同，一般將測厚方式分為非接觸式測厚和接觸式測厚。根據測厚原理的不同，測厚儀一般有以下幾種。
1.1? ?激光測厚
激光測厚法是典型的非接觸式測厚，其原理是采用光電成像技術。引入激光作為測量工具，在很大程度上提高了測量系統的靈敏度和精度，充分利用激光的方向性好、亮度高等優勢構建光學檢測系統，來達到測量厚度的目的。激光測厚的原理如下，采用差動式測量的方法，利用兩臺激光位移傳感器，上、下采用準直對射的激光光束照射待測板材，通過CCD（電荷藕合元件）成像，CCD能將光學影像轉換成為電信號，電信號經過相應的模塊處理后送入CPU，計算之后得到測量物體的上表面與激光傳感器距離和物體下表面距傳感器距離，最后通過兩個測量值和兩個傳感器之間的距離值就可以算出物體的厚度。應該注意的是兩個激光發射器發出的光束要在同一條直線上，而且激光發射器要采用同步觸發方式,這樣就避免了因為被測物上下抖動而影響測量精度的情況，從而減小誤差，差動式測量法在激光側厚中有很高的應用價值。
激光測厚法適用于對鋼板、帶材等一些非透明的材料進行在線、高速的測厚。尤其適用于環境極為惡劣的熱軋鋼生產線的在線測量和軋制厚度的控制，近年來激光測厚也用來測量轉爐爐襯的厚度，它有效地改善了工作環境，有測量準確、實用性好、安全可靠、無輻射等優點，提高了產品質量和生產效率。我國激光測厚儀研究方面起步較晚，但同樣發展迅速，北京貝諾機電設備有限公司研發的LPM系列激光測厚儀針對國內熱軋現場惡劣環境條件，通過采用自主激光檢測技術及可靠的防護措施研制而成的，完全滿足熱軋板坯厚度檢測的需求，其測量精度達到了0.08%，達到世界先進水平。
1.2? ?射線測厚
射線測厚也是一種非接觸型測厚，其原理是利用射線的強穿透性和穿透被測物體后強度的衰減來測量物體厚度，目前用于工業生產的主要是X射線測厚儀和γ射線測厚儀。X射線測厚原理如圖1所示，當一束X射線通過被測物體時會產生衰減，衰減的強弱與被測物體的厚度和材質有關，射線源發射出一束強度為I0的射線，通過被測物體的吸收，到達另外一側傳感器的強度為I。它們兩者之間有如下關系：
圖1 X射線測厚原理
其中：I0為放射源發出射線的強度，它與加在射線管兩端電壓的大小成正比；I為傳感器接收射線的強度；μ為被測材料的吸收系數，它與自身的材質有關，在已知材料的情況下其為一個確定的值；d為被測材料的厚度。對上式求對數變形得:
要求物體的厚度，只需要知道I0和I即可。γ射線測厚原理基本上與X射線測厚原理基本相同，不同的是X射線是人工采用射線管發射，γ射線則是天然放射物質發射，比X射線更穩定不易受外界干擾，穿射能力更強，但它也有明顯的缺陷，就是放射源的強度不易控制，且放射源的運輸比較困難。總的來說，射線測厚的方法精度較高（精度可達0.3mm），但是測量厚度的范圍有限（測量范圍<40mm）；儀器的成本相對較貴且使用壽命不長。
射線測厚主要應用在金屬板材、紙張、薄膜等厚度的在線測量和控制，有的還可以用來檢測輸油管道內部結垢的厚度。由于輻射的存在，容易對環境造成污染，對人的身體健康產生威脅，所以對操作人員的防護措施要求較高，這在無形中又加大了成本，射線測厚法一般不作為工廠企業測厚的首選；另一方面，由于物體的吸收系數與物體的密度有密切關系，因此射線測厚不適用于待測材料密度變化的測厚場合。德國IMS公司生產的射線測厚儀具有精度高、自帶數據庫與溫度補償系統等優點，廣泛的應用在了鋼鐵工業中。
1.3? ?紅外測厚
紅外測厚主要應用在薄膜生產中，也是一種非接觸式測厚，對于特定材料的薄膜，其對紅外光的吸收能力，因波段的不同而不同，某些波段的紅外光極易被吸收，而某些波段的紅外光不易被吸收，所以紅外光譜線上會出現波峰和波谷，對多種薄膜進行光譜分析，選出其最有共性，最不易受干擾的波段的紅外光作為光源。紅外測厚方法一般分為兩種，利用光反射原理的紅外反射法和利用光衰減吸收原理的紅外透射法，反射式測厚應用已經很廣泛，其測量原理是：在特定波長的紅外光照射下，薄膜的厚度與光能量衰減的程度成正相關，被測薄膜越厚，紅外光的能量衰減越厲害，被薄膜反射回來的能量就越少，通過檢測反射信號強度，在根據反射信號強度與薄膜厚度之間的函數關系式來確定待測薄膜的厚度。系統包括紅外光源、紅外光傳感器、信號處理部分，結構如圖2所示。
圖2 紅外反射式測厚原理
該測厚裝置的結構設計簡單，對薄膜無損，對加工精度及裝置的安裝要求較高，要保證紅外光源和傳感器的安裝角度要合適，較容易受到噪聲干擾，使反射光很難被傳感器接收，削弱了傳感器對有用信號的接收能力，為了提高信噪比，需要提高紅外光源的發射功率和及傳感器的靈敏度。一方面，生產線上的薄膜可能會有一定的震動，這會影響傳感器接收信號的效果，另一方面紅外光不可見，實驗調試十分不便，這對相關的操作人員要求高。透視法現在已成為薄膜測厚的主流，紅外透射式測厚法測薄膜的厚度原理與X射線測厚的原理基本相同，都是利用厚度與衰減程度之間的函數關系來測量厚度，由于穿透性較弱，紅外透視法只適用于透明半透明塑料薄膜厚度的測量。相比較于紅外反射式測厚法，透射法數據處理方便、機械結構相對簡單，有利于提高測量的效率和精度；與射線測厚法相比它具有無輻射、安全等優點，我國的紅外薄膜測厚儀主要是靠進口，目前美國的NDC公司生產的紅外薄膜測厚儀在市場上占了很大份額。
1.4? ?渦流測厚
渦流測厚法主要運用在涂層測厚上，測量導電物體表面非導電涂層的厚度。渦流測量的原理是交流信號加在測量探頭的線圈上并產生電磁場，導體在測量探頭靠近時會產生渦流，測量探頭距離導體的距離越近，則渦流越大，反射阻抗也隨之加大，反饋阻抗的大小表征了探頭與導電基體之間距離的大小，即導電材料上非導電涂層厚度的大小，這個交流激勵信號必須是高頻的，應為在較高頻率時電導率對電感分量的影響可忽略，電感分量主要受距離變化的影響。當涂層材料有一定的導電性時，通過校準也可測量，但要求基體和涂層兩者的電導率至少相差3～5倍以上，渦流測厚儀能有效檢測有色金屬表面氧化膜、油漆、噴塑、橡膠等涂層的厚度，分辨率可達到0.1μm，誤差在1%，量程達到10mm的水平。
渦流測厚儀的開發已具有幾十年的歷史，德國EKP公司在90年代中期推出的MINITEST4100/3100/2100/1100系列電腦精密涂層測厚儀，通過選擇變更13種智能式測頭對各自檢測對象進行厚度測量，其渦流測頭的最大測量厚度達100μm。該系列的4100型擁有全數統計、打印直方圖和采用微處理技術實現由計算機控制的自動測量功能,被譽為萬能型涂鍍層測厚儀，代表了當今渦流涂層測厚儀的最高水平。在國內方面，時代集團公司在渦流涂層測厚儀的研制方面走在了前列，其生產的CTG-10系列涂層測厚儀的各項指標也達到了國際標準，廣泛的應用在制造業、金屬加工、化工業、商檢等檢測領域。
1.5? ?超聲波測厚
超聲波測厚是一種典型的接觸式測厚，使用時超聲波探頭需通過耦合劑與被測物體接觸，超聲波測厚從原理上分有共振式、脈沖式兩種。共振式測厚的原理是超聲波探頭向物體內發射入射波，當被測物體的厚度為半波長的整數倍時，入射波與反射波將會同相，在被測工件內產生駐波，引起共振，最后由共振頻率可以得到相應的被測工件厚度，但是這種測厚法操作復雜，需要不斷地改變超聲波的頻率來找到發生共振時的波長，此外用這種方法測量的誤差也比較大。所以現在應用的最多的是脈沖反射式測厚，其原理如圖3所示超聲波探頭發射一脈沖信號，聲波信號通過被測物體，到達下表面并產生反射，利用傳感器記錄超聲波往返于被測物體全程所用的時間，從而求得被測物體的厚度d。
式中：d為被測樣品的厚度，v為超聲波在樣品中傳播的速度，t為超聲波往返于樣本所用的時間。
圖3 超聲波反射式測厚原理
超聲波測厚儀在對靜止、常溫的物體進行在線式接觸測厚上應用得十分廣泛，近年來國外也有研制出了耐高溫耦合劑和高溫超聲波探頭，使之能夠勝任高溫環境下的測量工作，如德國KK公司的高溫超聲波探頭DA590就能在200℃的溫度下工作。超聲波測厚法精度高，有的測厚儀甚至能達到0.1mm的精度。超聲波測厚法具有檢測設備簡單、對人體無害、操作簡單、使用方便、成本低的特點，可以實現對各種設備和工件的測厚與監測的功能，在工業生產領域中對各種材料或零件的厚度作精確測量，它廣泛應用于特種設備（鍋爐、壓力容器、壓力管道、起重機械、大型游樂設施等）物流倉儲、船舶、化工設備、橋梁等行業的各種板材、管材、半成品、零部件壁厚測定。亦可定期對輸油管道進行厚度檢查；另外一個重要的方面是可以通過對管道和壓力容器厚度的檢測來監控他們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度，評估其局部腐蝕、銹蝕的情況，防止爆管等安全事故的發生；總之，脈沖反射式超聲測厚儀具有良好的應用前景。
2? ? ?測厚系統的工作過程
每個測厚系統所用的測厚方法與相應的傳感器不盡一樣，但各個測厚系統的構造基本相同，其構造如圖4所示，均包含以下幾個模塊：信號發送、信號采集、信號處理與轉換、以單片機或PLC為核心的控制系統、結果顯示等。
圖4 測厚系統的組成
系統的工作流程如下，信號發送模塊在單片機或PLC等控制器的作用發射檢測信號，再由相關的傳感器進行信號采集、放大，經由信號處理與轉換模塊將傳感器接收到的模擬信號轉換成數字信號，最后由PLC或單片機進行運算，并將結果顯示出來。
3? ? ?測厚儀器的比較
總的說來上述幾種測厚儀的應用范圍不一樣，在不同的領域不同的測厚儀都有其各自的優點。紅外測厚儀在測量薄膜厚度方面具有很大優勢，但是它的測厚范圍有局限性，它要求被測對象是透明或者半透明的薄膜，很難對不透明的材料進行測厚，且市面上的紅外測厚裝置價格昂貴。射線測厚儀測量精度高，主要應用于被測物體厚度較小、生產線自動化程度（人員少）比較高的場合，缺點是由于輻射的存在容易對環境造成污染，對人的健康產生威脅；由于需要額外的防護結構，導致射線測厚儀笨重，另外射線測厚儀的維護費用較貴。激光測厚儀的測量范圍較大，能對高溫材料進行厚度的測量，在熱軋鋼生產線上激光測厚儀甚至代替了射線測厚儀，缺點是測量精度不高，激光器的使用壽命不長。渦流測厚儀主要用在測量涂層方面，尤其是測量金屬表面非金屬涂層的厚度，能有效測量有色金屬表面氧化膜、油漆、噴塑等的厚度，缺點是不夠穩定，容易受到外部環境的干擾。超聲波測厚儀屬于接觸式測量，只能測量靜態物體的厚度，超聲波測厚儀結構簡單，使用方便、維護成本較低，由于聲波在不同溫度和介質中的傳播速度不同，在使用過程中要注意對聲速的修正，其缺點是在使用過程中探頭容易磨損。
4? ? ?結束語
隨著現代工業生產自動化的步伐不斷加快，在工業生產中對產品厚度的測量也提出了更高的要求，在線測厚在生產中得到了廣泛的應用，并逐漸顯示出了實時、全自動及可靠性等方面的優勢，具有廣闊的市場前景。從目前國內測厚儀器的發展現狀與應用環境來看，提高測厚儀的智能程度、抗干擾性能、自動化程度、分辨率和測量精度將會成為測厚儀器下一步的發展方向，而這些都離不開傳感器技術的發展。將來對某種產品的測厚也不會限于一種測厚方法，而是多種測厚方法配合使用，以發揮各種測厚儀器的特長，進而提高測量結果的可靠性。
論文標題：Research and Application of Some ThicknessGauges