> 红外线发射探头(NIR4)
 


分层测量的最佳选择

工作原理

红外(IR)探头可用于测量固定成分的复合材料或多层材料的特定层的单位面积重量或厚度(在密度恒定的条件下)。也适用于测量密度达到200g/m2的相对较轻材料的水份含量。

在探头内的光源发射出的光谱在延伸到了红外线的频率范围以内。几个检测器(4个为NIR4型号)安装在接收头里,可适配不同的输入滤波,以选择性地测量不同红外线波长。 各层的厚度可通过对比各探头之间有材料和没有材料时的检测到信号强度的不同而计算出来。虽然这比X射线Beta射线的测量复杂,红外线测量也是一种透射法测量方式。

吸收取决于材料分子的振动模式的不同。当波长与分子的振荡模式一致时,能量很快被吸收,材料的质量增加,吸收也随之增加。相反,当波长与分子的振荡模式不对应时,能量吸收得很少。
因此每种不同材料具备特定的红外光谱特性。

比如,下图是一个190μm的聚酯薄膜的光谱和它的化学分子式。



对于特定材料的测量,首先要选择合适的吸收峰值。峰值的高度即为吸收量, 并且它是测量材料数量的间接测量方法。很显然, 这种方式比其他那些探头信号表示能量吸收,其本身就足以得出测量值的技术要复杂得多。

首先,要通过特定的滤光片将光线滤波成特有的波长。然后将峰值下面的背景信号消除以提高信噪比。图2中显示的红线是峰值的波长,绿色部分的是需要消除的光谱,而蓝色表示有效吸收。




必须通过不同的波长来确定有效吸收。因此一个测量需要多个探测器,每个探测器有特定的滤光片来选择所需的波长。

根据比尔-朗伯定律(指数衰减), 确定了衰减系数之后,有效吸收就与单位面积重量或厚度相关了(图3)。


红外线穿透的原理决定了必须由被测材料来决定探测器的配置。这当然是一个很严格的限制条件,但是它也能根据各层截然不同的红外线光谱特性,选择性地进行分层测量。湿度的测量采用的是另外的方式,它的传感器测量的是水分子的振荡模式。

单点测量

简单地讲,有两种实现方案:

  • 1. 在发射端选择波长,滤光片必须在光束中逐个放置。这需要在发射端安装一个旋转装置。而在接收端一个探测器就够了。 这样设计的缺点是(不同波长)无法对同一个点进行测量。在旋转过程中的厚度波动会导致测量误差。
  • 2. 在接收端选择波长。这样发射就非常简单了,而且(不同波长)是对同一点测量的,但是在接收端必须有与波长数量相等的探测器。

SCANTECH选择了第二种方案,是为了不受生产线速度的影响,以实现(不同波长)对同一点进行测量。

特性

  • 测量范围: SCANTECH探头可以在1 到 4μm的波长范围内工作。这对于选择吸收峰值和拓宽总体测量范围提供了更多的选择。实际上, 每个峰值的衰减系数都是不同的。因此一些峰值可用于特定厚度范围的测量。例如:对于聚丙烯薄膜,第一套滤光片适合于低厚度(低于30/35微米)。 第二套滤光片就可以测量高达几百微米的厚度,因此滤光片的配置取决于期望的测量范围,显然也取决于材料的特性。
  • 高精度: NIR4探头具有良好的精确性。他们的固有噪声非常小,对于测量小的单位面积重量(低于50g/m2) 分辨率大约为0.1 g/m2
  • 响应时间极短。 固有响应时间和数据处理时间都非常短。单次步间平均采样时间相当于10毫秒。这避免了剖面上的任何虚假的平滑作用。
  • 高条纹分辨率: 条纹分辨率取决于光点直径,大约是10到12毫米。
  • 发射器。 Scantech选择发光二极管作为光源,而不选择寿命短,效率低的灯泡。
  • 不需要申请特殊文件或授权书。 红外线探头对操作者和维护人员都是无害的。使用红外线探头不需要申请任何许可证或注册授权书。

设计

我们的设计主要有以下几个优点:

  • 单点测量
  • 在温度、压力或湿度的变化不会产生漂移。 不会产生电气漂移(例如20μm的薄膜,在10小时之内,趋势的标准偏差少于0.02 μm)
  • 环境温度对测量没有影响。
  • 空气间隙至少有4厘米。
  • 探头的对位不影响测量。
  • 上下探头的间距不影响测量。
  • 对环境光强度的变化不敏感。
  • 对光干涉不敏感。