摘要：論述了幾種通過(guò)傳感器在線測(cè)厚儀器的原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展研究現(xiàn)狀，并討論了在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。指出，提高測(cè)厚儀器的精確度以及各種測(cè)厚儀器的配合使用應(yīng)成為厚度測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：傳感器；在線測(cè)量；測(cè)厚儀
0? ?引言
隨著工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的厚度已經(jīng)成為評(píng)價(jià)其質(zhì)量好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，工業(yè)中對(duì)測(cè)厚的要求也越來(lái)越高，諸如要求實(shí)時(shí)、在線、報(bào)警等，原始的人工測(cè)厚方法比如機(jī)械式測(cè)厚已經(jīng)逐漸不能滿足生產(chǎn)要求，這就促使研究人員研究相關(guān)的測(cè)厚的理論，利用先進(jìn)的傳感器檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出更有效、準(zhǔn)確、實(shí)用性的在線測(cè)厚儀器。在此背景下，在線測(cè)厚技術(shù)就大力發(fā)展了起來(lái)，在線測(cè)量能夠?qū)Ξa(chǎn)品厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的檢測(cè)。常用的測(cè)厚方法有激光測(cè)厚、射線測(cè)厚、紅外測(cè)厚、渦流測(cè)厚、超聲波測(cè)厚等。測(cè)厚儀在工業(yè)生產(chǎn)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，有的已經(jīng)在大規(guī)模生產(chǎn)線投入應(yīng)用，并且得到了較好的結(jié)果，還有一部分測(cè)厚儀正在進(jìn)行更進(jìn)一步的改進(jìn)，以便發(fā)揮它們更強(qiáng)大功能。
1? ? ?基本原理及應(yīng)用范圍
根據(jù)測(cè)厚儀工作的方式不同，一般將測(cè)厚方式分為非接觸式測(cè)厚和接觸式測(cè)厚。根據(jù)測(cè)厚原理的不同，測(cè)厚儀一般有以下幾種。
1.1? ?激光測(cè)厚
激光測(cè)厚法是典型的非接觸式測(cè)厚，其原理是采用光電成像技術(shù)。引入激光作為測(cè)量工具，在很大程度上提高了測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度和精度，充分利用激光的方向性好、亮度高等優(yōu)勢(shì)構(gòu)建光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到測(cè)量厚度的目的。激光測(cè)厚的原理如下，采用差動(dòng)式測(cè)量的方法，利用兩臺(tái)激光位移傳感器，上、下采用準(zhǔn)直對(duì)射的激光光束照射待測(cè)板材，通過(guò)CCD（電荷藕合元件）成像，CCD能將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的模塊處理后送入CPU，計(jì)算之后得到測(cè)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(guò)兩個(gè)測(cè)量值和兩個(gè)傳感器之間的距離值就可以算出物體的厚度。應(yīng)該注意的是兩個(gè)激光發(fā)射器發(fā)出的光束要在同一條直線上，而且激光發(fā)射器要采用同步觸發(fā)方式,這樣就避免了因?yàn)楸粶y(cè)物上下抖動(dòng)而影響測(cè)量精度的情況，從而減小誤差，差動(dòng)式測(cè)量法在激光側(cè)厚中有很高的應(yīng)用價(jià)值。
激光測(cè)厚法適用于對(duì)鋼板、帶材等一些非透明的材料進(jìn)行在線、高速的測(cè)厚。尤其適用于環(huán)境極為惡劣的熱軋鋼生產(chǎn)線的在線測(cè)量和軋制厚度的控制，近年來(lái)激光測(cè)厚也用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)爐爐襯的厚度，它有效地改善了工作環(huán)境，有測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)用性好、安全可靠、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。我國(guó)激光測(cè)厚儀研究方面起步較晚，但同樣發(fā)展迅速，北京貝諾機(jī)電設(shè)備有限公司研發(fā)的LPM系列激光測(cè)厚儀針對(duì)國(guó)內(nèi)熱軋現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境條件，通過(guò)采用自主激光檢測(cè)技術(shù)及可靠的防護(hù)措施研制而成的，完全滿足熱軋板坯厚度檢測(cè)的需求，其測(cè)量精度達(dá)到了0.08%，達(dá)到世界先進(jìn)水平。
1.2? ?射線測(cè)厚
射線測(cè)厚也是一種非接觸型測(cè)厚，其原理是利用射線的強(qiáng)穿透性和穿透被測(cè)物體后強(qiáng)度的衰減來(lái)測(cè)量物體厚度，目前用于工業(yè)生產(chǎn)的主要是X射線測(cè)厚儀和γ射線測(cè)厚儀。X射線測(cè)厚原理如圖1所示，當(dāng)一束X射線通過(guò)被測(cè)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減，衰減的強(qiáng)弱與被測(cè)物體的厚度和材質(zhì)有關(guān)，射線源發(fā)射出一束強(qiáng)度為I0的射線，通過(guò)被測(cè)物體的吸收，到達(dá)另外一側(cè)傳感器的強(qiáng)度為I。它們兩者之間有如下關(guān)系：
圖1 X射線測(cè)厚原理
其中：I0為放射源發(fā)出射線的強(qiáng)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(qiáng)度；μ為被測(cè)材料的吸收系數(shù)，它與自身的材質(zhì)有關(guān)，在已知材料的情況下其為一個(gè)確定的值；d為被測(cè)材料的厚度。對(duì)上式求對(duì)數(shù)變形得:
要求物體的厚度，只需要知道I0和I即可。γ射線測(cè)厚原理基本上與X射線測(cè)厚原理基本相同，不同的是X射線是人工采用射線管發(fā)射，γ射線則是天然放射物質(zhì)發(fā)射，比X射線更穩(wěn)定不易受外界干擾，穿射能力更強(qiáng)，但它也有明顯的缺陷，就是放射源的強(qiáng)度不易控制，且放射源的運(yùn)輸比較困難。總的來(lái)說(shuō)，射線測(cè)厚的方法精度較高（精度可達(dá)0.3mm），但是測(cè)量厚度的范圍有限（測(cè)量范圍<40mm）；儀器的成本相對(duì)較貴且使用壽命不長(zhǎng)。
射線測(cè)厚主要應(yīng)用在金屬板材、紙張、薄膜等厚度的在線測(cè)量和控制，有的還可以用來(lái)檢測(cè)輸油管道內(nèi)部結(jié)垢的厚度。由于輻射的存在，容易對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人的身體健康產(chǎn)生威脅，所以對(duì)操作人員的防護(hù)措施要求較高，這在無(wú)形中又加大了成本，射線測(cè)厚法一般不作為工廠企業(yè)測(cè)厚的首選；另一方面，由于物體的吸收系數(shù)與物體的密度有密切關(guān)系，因此射線測(cè)厚不適用于待測(cè)材料密度變化的測(cè)厚場(chǎng)合。德國(guó)IMS公司生產(chǎn)的射線測(cè)厚儀具有精度高、自帶數(shù)據(jù)庫(kù)與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用在了鋼鐵工業(yè)中。
1.3? ?紅外測(cè)厚
紅外測(cè)厚主要應(yīng)用在薄膜生產(chǎn)中，也是一種非接觸式測(cè)厚，對(duì)于特定材料的薄膜，其對(duì)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(huì)出現(xiàn)波峰和波谷，對(duì)多種薄膜進(jìn)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(cè)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(cè)厚應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，其測(cè)量原理是：在特定波長(zhǎng)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(guān)，被測(cè)薄膜越厚，紅外光的能量衰減越厲害，被薄膜反射回來(lái)的能量就越少，通過(guò)檢測(cè)反射信號(hào)強(qiáng)度，在根據(jù)反射信號(hào)強(qiáng)度與薄膜厚度之間的函數(shù)關(guān)系式來(lái)確定待測(cè)薄膜的厚度。系統(tǒng)包括紅外光源、紅外光傳感器、信號(hào)處理部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 紅外反射式測(cè)厚原理
該測(cè)厚裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)薄膜無(wú)損，對(duì)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(duì)有用信號(hào)的接收能力，為了提高信噪比，需要提高紅外光源的發(fā)射功率和及傳感器的靈敏度。一方面，生產(chǎn)線上的薄膜可能會(huì)有一定的震動(dòng)，這會(huì)影響傳感器接收信號(hào)的效果，另一方面紅外光不可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)調(diào)試十分不便，這對(duì)相關(guān)的操作人員要求高。透視法現(xiàn)在已成為薄膜測(cè)厚的主流，紅外透射式測(cè)厚法測(cè)薄膜的厚度原理與X射線測(cè)厚的原理基本相同，都是利用厚度與衰減程度之間的函數(shù)關(guān)系來(lái)測(cè)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(cè)量。相比較于紅外反射式測(cè)厚法，透射法數(shù)據(jù)處理方便、機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于提高測(cè)量的效率和精度；與射線測(cè)厚法相比它具有無(wú)輻射、安全等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)的紅外薄膜測(cè)厚儀主要是靠進(jìn)口，目前美國(guó)的NDC公司生產(chǎn)的紅外薄膜測(cè)厚儀在市場(chǎng)上占了很大份額。
1.4? ?渦流測(cè)厚
渦流測(cè)厚法主要運(yùn)用在涂層測(cè)厚上，測(cè)量導(dǎo)電物體表面非導(dǎo)電涂層的厚度。渦流測(cè)量的原理是交流信號(hào)加在測(cè)量探頭的線圈上并產(chǎn)生電磁場(chǎng)，導(dǎo)體在測(cè)量探頭靠近時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流，測(cè)量探頭距離導(dǎo)體的距離越近，則渦流越大，反射阻抗也隨之加大，反饋?zhàn)杩沟拇笮”碚髁颂筋^與導(dǎo)電基體之間距離的大小，即導(dǎo)電材料上非導(dǎo)電涂層厚度的大小，這個(gè)交流激勵(lì)信號(hào)必須是高頻的，應(yīng)為在較高頻率時(shí)電導(dǎo)率對(duì)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(dāng)涂層材料有一定的導(dǎo)電性時(shí)，通過(guò)校準(zhǔn)也可測(cè)量，但要求基體和涂層兩者的電導(dǎo)率至少相差3～5倍以上，渦流測(cè)厚儀能有效檢測(cè)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(dá)到0.1μm，誤差在1%，量程達(dá)到10mm的水平。
渦流測(cè)厚儀的開(kāi)發(fā)已具有幾十年的歷史，德國(guó)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(cè)厚儀，通過(guò)選擇變更13種智能式測(cè)頭對(duì)各自檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行厚度測(cè)量，其渦流測(cè)頭的最大測(cè)量厚度達(dá)100μm。該系列的4100型擁有全數(shù)統(tǒng)計(jì)、打印直方圖和采用微處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)測(cè)量功能,被譽(yù)為萬(wàn)能型涂鍍層測(cè)厚儀，代表了當(dāng)今渦流涂層測(cè)厚儀的最高水平。在國(guó)內(nèi)方面，時(shí)代集團(tuán)公司在渦流涂層測(cè)厚儀的研制方面走在了前列，其生產(chǎn)的CTG-10系列涂層測(cè)厚儀的各項(xiàng)指標(biāo)也達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，廣泛的應(yīng)用在制造業(yè)、金屬加工、化工業(yè)、商檢等檢測(cè)領(lǐng)域。
1.5? ?超聲波測(cè)厚
超聲波測(cè)厚是一種典型的接觸式測(cè)厚，使用時(shí)超聲波探頭需通過(guò)耦合劑與被測(cè)物體接觸，超聲波測(cè)厚從原理上分有共振式、脈沖式兩種。共振式測(cè)厚的原理是超聲波探頭向物體內(nèi)發(fā)射入射波，當(dāng)被測(cè)物體的厚度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，入射波與反射波將會(huì)同相，在被測(cè)工件內(nèi)產(chǎn)生駐波，引起共振，最后由共振頻率可以得到相應(yīng)的被測(cè)工件厚度，但是這種測(cè)厚法操作復(fù)雜，需要不斷地改變超聲波的頻率來(lái)找到發(fā)生共振時(shí)的波長(zhǎng)，此外用這種方法測(cè)量的誤差也比較大。所以現(xiàn)在應(yīng)用的最多的是脈沖反射式測(cè)厚，其原理如圖3所示超聲波探頭發(fā)射一脈沖信號(hào)，聲波信號(hào)通過(guò)被測(cè)物體，到達(dá)下表面并產(chǎn)生反射，利用傳感器記錄超聲波往返于被測(cè)物體全程所用的時(shí)間，從而求得被測(cè)物體的厚度d。
式中：d為被測(cè)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(shí)間。
圖3 超聲波反射式測(cè)厚原理
超聲波測(cè)厚儀在對(duì)靜止、常溫的物體進(jìn)行在線式接觸測(cè)厚上應(yīng)用得十分廣泛，近年來(lái)國(guó)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(huán)境下的測(cè)量工作，如德國(guó)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(cè)厚法精度高，有的測(cè)厚儀甚至能達(dá)到0.1mm的精度。超聲波測(cè)厚法具有檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單、對(duì)人體無(wú)害、操作簡(jiǎn)單、使用方便、成本低的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備和工件的測(cè)厚與監(jiān)測(cè)的功能，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中對(duì)各種材料或零件的厚度作精確測(cè)量，它廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備（鍋爐、壓力容器、壓力管道、起重機(jī)械、大型游樂(lè)設(shè)施等）物流倉(cāng)儲(chǔ)、船舶、化工設(shè)備、橋梁等行業(yè)的各種板材、管材、半成品、零部件壁厚測(cè)定。亦可定期對(duì)輸油管道進(jìn)行厚度檢查；另外一個(gè)重要的方面是可以通過(guò)對(duì)管道和壓力容器厚度的檢測(cè)來(lái)監(jiān)控他們?cè)谑褂眠^(guò)程中受腐蝕后的減薄程度，評(píng)估其局部腐蝕、銹蝕的情況，防止爆管等安全事故的發(fā)生；總之，脈沖反射式超聲測(cè)厚儀具有良好的應(yīng)用前景。
2? ? ?測(cè)厚系統(tǒng)的工作過(guò)程
每個(gè)測(cè)厚系統(tǒng)所用的測(cè)厚方法與相應(yīng)的傳感器不盡一樣，但各個(gè)測(cè)厚系統(tǒng)的構(gòu)造基本相同，其構(gòu)造如圖4所示，均包含以下幾個(gè)模塊：信號(hào)發(fā)送、信號(hào)采集、信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換、以單片機(jī)或PLC為核心的控制系統(tǒng)、結(jié)果顯示等。
圖4 測(cè)厚系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)的工作流程如下，信號(hào)發(fā)送模塊在單片機(jī)或PLC等控制器的作用發(fā)射檢測(cè)信號(hào)，再由相關(guān)的傳感器進(jìn)行信號(hào)采集、放大，經(jīng)由信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換模塊將傳感器接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后由PLC或單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果顯示出來(lái)。
3? ? ?測(cè)厚儀器的比較
總的說(shuō)來(lái)上述幾種測(cè)厚儀的應(yīng)用范圍不一樣，在不同的領(lǐng)域不同的測(cè)厚儀都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。紅外測(cè)厚儀在測(cè)量薄膜厚度方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但是它的測(cè)厚范圍有局限性，它要求被測(cè)對(duì)象是透明或者半透明的薄膜，很難對(duì)不透明的材料進(jìn)行測(cè)厚，且市面上的紅外測(cè)厚裝置價(jià)格昂貴。射線測(cè)厚儀測(cè)量精度高，主要應(yīng)用于被測(cè)物體厚度較小、生產(chǎn)線自動(dòng)化程度（人員少）比較高的場(chǎng)合，缺點(diǎn)是由于輻射的存在容易對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人的健康產(chǎn)生威脅；由于需要額外的防護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致射線測(cè)厚儀笨重，另外射線測(cè)厚儀的維護(hù)費(fèi)用較貴。激光測(cè)厚儀的測(cè)量范圍較大，能對(duì)高溫材料進(jìn)行厚度的測(cè)量，在熱軋鋼生產(chǎn)線上激光測(cè)厚儀甚至代替了射線測(cè)厚儀，缺點(diǎn)是測(cè)量精度不高，激光器的使用壽命不長(zhǎng)。渦流測(cè)厚儀主要用在測(cè)量涂層方面，尤其是測(cè)量金屬表面非金屬涂層的厚度，能有效測(cè)量有色金屬表面氧化膜、油漆、噴塑等的厚度，缺點(diǎn)是不夠穩(wěn)定，容易受到外部環(huán)境的干擾。超聲波測(cè)厚儀屬于接觸式測(cè)量，只能測(cè)量靜態(tài)物體的厚度，超聲波測(cè)厚儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、維護(hù)成本較低，由于聲波在不同溫度和介質(zhì)中的傳播速度不同，在使用過(guò)程中要注意對(duì)聲速的修正，其缺點(diǎn)是在使用過(guò)程中探頭容易磨損。
4? ? ?結(jié)束語(yǔ)
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的步伐不斷加快，在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品厚度的測(cè)量也提出了更高的要求，在線測(cè)厚在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸顯示出了實(shí)時(shí)、全自動(dòng)及可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。從目前國(guó)內(nèi)測(cè)厚儀器的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用環(huán)境來(lái)看，提高測(cè)厚儀的智能程度、抗干擾性能、自動(dòng)化程度、分辨率和測(cè)量精度將會(huì)成為測(cè)厚儀器下一步的發(fā)展方向，而這些都離不開(kāi)傳感器技術(shù)的發(fā)展。將來(lái)對(duì)某種產(chǎn)品的測(cè)厚也不會(huì)限于一種測(cè)厚方法，而是多種測(cè)厚方法配合使用，以發(fā)揮各種測(cè)厚儀器的特長(zhǎng)，進(jìn)而提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。
論文標(biāo)題：Research and Application of Some ThicknessGauges