塑料薄膜厚度在线测量系统的设计

　　0 引言

　　目前市场上对塑料薄膜的需求量持续上涨，市场前景十分广阔。而塑料薄膜加工中的厚度是一个非常重要的参数，它直接关系到塑料薄膜能否正常工作，同时关系到企业的成本以及企业的竞争力。因此，研究塑料薄膜厚度在线测量具有重要的理论意义和实际价值。该系统改进了原测量系统的不足，达到了控制更及时，运动更稳定，测量更准确的目的。

　　1 在线测量系统实现方案

　　在线检测系统主要有 2 个功能: 控制测量头的往复直线运动、采集和处理测量数据。系统采用 PCI - M6220 数据采集卡，它与上位 PC 机一起工作，实现了运动控制与数据采集的双重功能。

　　1. 1 测量系统的组成

　　系统由以下 5 部分组成: PC 机、数据采集卡、伺服驱动器、伺服电机和执行机构。测量系统流程如图 1 所示。

　　各部分功能如下:

　　PC 机: 建立运动轨迹，在线控制整个系统运动状态，同时提供虚拟仪器界面对系统进行实时操作，是整个运动控制系统的“大脑”。

　　数据采集卡: 根据上位机的命令实时向驱动器发送运动信号，同时在线采集各种测量数据，是系统的“中枢神经”。驱动器: 将数据采集卡的信号经过 PID 换算后传给电机，同时将电机编码器反馈传给数据采集卡，是系统的“末梢神经”。

　　电机: 运动执行机构，将电能转化为机械能，并产生移动到期望位置所需的转矩，是系统的“四肢”。机械机构: 电机被设计为某些机械结构提供转矩，如线性滑杆、机械臂或特殊执行器等，是系统的目标。该系统中，最终目标是实现对测量头直线往复运动的控制。

　　1. 2 电容传感器厚度测量原理

　　系统采用电容测微仪，其核心是一变极距式的电容传感器，基于极板间介质变化与电容值变化的具体函数关系，通过测量极板电压反映极板间塑料薄膜厚度的变化。其原理和结构如图 2 所示。

　　由图 2 可知，H 表示电容测量头与下极板表面之间的距离，H1表示电容测量头与待测塑料薄膜之间的距离，H2表示待测薄膜与下极板表面的距离，h 表示待测塑料薄膜的厚度，由于塑料薄膜与空气的介电常数不同，设塑料薄膜的相对介电常数为 εr，而真空介电常数为 ε0( ε0= 8. 85 × 10- 12F / m) ，S 为有效测量面积，所以可得如下公式:

　　对式( 1) 分析可知，结果的第一项是一个常数，不受塑料薄膜厚度的影响，而第二项包含未知的塑料薄膜介电常数 εr和待测得塑料薄膜厚度，如果 εr已知，那么两极板间的电容的倒数与待测塑料薄膜的厚度是一次函数关系。经过一定的测量电路，将电容变化量转换成易于处理的电压、电流等电量变化，塑料薄膜的厚度测量即可实现。