塑料薄膜的厚度测量和控制

对于塑料薄膜产品而言，其厚度均匀性是最重要的指标之一。而检测和控制是实现薄膜均匀性的关键措施。其中，数种在线非接触式测厚技术近年来发展迅速，并且各具优势。

厚度均匀性是薄膜质量的关键指标之一。
（相片提供Photo Courtesy：Brükner）

薄膜厚度测量

塑料薄膜的种类很多，如PE、PP、PVC、PA、PET薄膜等；其厚度范围可由几微米到几百微米；其应用领域涉及包装材料、绝缘材料、感光材料、磁带基材、农用薄膜、玻璃贴膜等。普通的塑料薄膜基本上是采用吹塑、压延等成型工艺生产的，如聚乙烯膜、聚氯乙烯膜，它们的生产速度较低，厚度均匀性要求也不太高，故可在线进行接触式厚度测量。但是对于双向拉伸薄膜来说，由于双拉生产线是一个高速、连续化生产的过程，其线速度高达300m/min以上，双向拉伸薄膜的厚度，都是采用精度很高、非接触式测厚仪和反馈控制系统进行自动检测和控制。

最常用的非接触式的厚度测量仪有： X-射线测厚仪、β-射线测厚仪、近红外线测厚仪等。

近红外线、β-射线、X-射线三种测厚技术的比较

近红外线测厚技术

该技术的原理是：利用不同物质对近红外光线（1.0~3.0μｍ）的吸收特性来连续测量物质厚度。当红外线穿过塑料薄膜时，有一部分红外光线被薄膜选择性地吸收，这种选择性吸收与波长有关。其波长为该薄膜的吸收波长。另一部分很少或不被塑料薄膜所吸收，称之为一般吸收，它几乎与波长无关。我们选择对薄膜具有强力吸收的3.4μｍ吸收波长和对薄膜不吸收的3.1μｍ参比波长，依据贝耳吸收定律，比较吸收波长和参比波长的信号变化，就可获得薄膜材料的厚度值。例如，NDC公司近红外NDC710型传感器具有以下性能特点：nextpage

·测量精度高，具有快速测量和高分辨率的特点；

·测量稳定，不受环境温度影响；

·薄膜在传感器间隙内抖动仍能保持对厚度测量的高精度；

·采用不同物质具有不同吸收波长的原理，可测量多层共挤材料每一层的厚度。

β测厚仪的测厚技术

β测厚仪是一种放射性同位素仪器，它利用Kr85或Pm放射源放射出的低能量β射线穿过薄膜后被部分吸收而减弱的原理对塑料薄膜进行测量。

β测厚仪系统由测量头、扫描架和控制柜等组成。

1、测量头：由放射源盒、电离室、高压电源、微电流放大器及空气温度补偿电路等组成。

a 放射源盒为放置放射源的容器。其材质为铅，在放射源盒上方有一电动或气动闸门以控制放射源是否放出β射线。在停机时，闸门能自动关闭，以保证安全。

b 电离室：穿过薄膜的β粒子进入电离室使其中气体电离产生正负离子。在负高压的电场作用下，正离子向负高压极运动，负离子向正高压极运动，在外电路作用下产生微电流。此微电流非常小，只有10-8 ～10-10A。这就要求绝缘端子的电阻很高，达1018 Ω。为此，可采用PTFE材料。电离室内一般充有压力高于周围大气压的高纯度N2气。

c 高压电源：电离室要求要有450～700V的高压电源，并要求电压值稳定。

d 微电流前置放大器实质上是一个高输入阻抗的电源电压变换器，输入阻抗大于1012Ω。反馈电阻为高电阻。一般为了保持其电阻值稳定，可将其置于恒温槽中。

e 温度补偿电路

β-射线在到达电离室之前，除了穿透薄膜还要穿透空气。而空气温度变化时，空气的密度也随之变化。在0℃和760mmHg柱时，空气的密度是0.00129g/周。而温度每升高1℃，体积大约增加其0℃时的1/273，即空气的密度减小1/273。为了克服温度变化带来的误差，装有温度补偿电路，对气隙的温度进行测量，温度传感器一般采用AD590。

2、扫描架：扫描架分O型架和C型架两种。扫描架是支撑测量头在整幅薄膜宽度范围内往返扫描的机构，其精度直接影响测量精度。扫描架的精度又取决于轨道的精度。传动方式一般采用同步齿型带。

为了获得测量头在薄膜宽幅中的位置，设有位移测量装置，大都采用光电编码器。

3、控制柜：控制柜的作用主要是完成对薄膜厚度信号、测量头的位移信号以及温度信号进行采样，经过处理后形成形象的薄膜截面图，控制测量头的扫描，并定时对放射源进行校零。

与近红外测厚相比，β-射线测厚存在一些不足之处：

1.β-射线是放射性物质，无论是Sr-90、Kr-85或pm-147，对人体与环境都会产生影响和危害，因而受到环保部门严格控制。

2.β传感器对温度和大气压敏感。β-射线从穿透式传感器的放射端到接受端，不仅被测厚的物质所吸收，而且被传感器间的物质包括空气所吸收，所以β传感器在测量薄膜重量的同时，也会测出空气的重量变化。如果传感器在标定和测量时的空气温度、压力发生变化，便会引起传感器间空气重量的变化，从而造成薄膜厚度测量误差。

3.β传感器对薄膜上下抖动敏感。由于β-射线是从360度立体空间放射出来。射线进入被测量物的入射角、测量物在探头间的位置波动所引起的漫散射会造成薄膜厚度测量误差。

4.β-传感器受射线的统计规律和放射源衰减的影响。

X-射线测厚仪也存在一些缺点：如X-射线光电管使用寿命较短，价格昂贵；电源消耗大、成本高；其测试性能易受环境温度、湿度和薄膜抖动的影响；X-射线传感器的防护要求比较高，因X-射线比β-射线具有更强的放射性。

薄膜厚度控制

双向拉伸薄膜厚度主要是通过调节模头开度的大小，控制模唇出口塑料熔体的流量来控制的。模头开度则是通过调节模头上若干推/拉差动螺栓先进行粗调，然后在生产过程中通过在线测厚仪对薄膜的扫描测得的厚度信号值与设定的厚度参数进行计算对比，并反馈至模头来调节相应的调整螺栓的温度或加热功率进行厚度微调，使螺栓在温度升高时增长、温度降低时缩短，从而达到调节模唇各点开度的目的。模头螺栓加热器的加热功率一般为150~220W，每个螺栓控制宽度一般为28.5mm。

在薄膜生产过程中，薄膜横截面变化的同时，其纵向厚度也发生变化。所以，测厚仪每次扫描所测得的厚度变化，实际上包含横截面厚度的变化和纵向厚度的变化。因此，在薄膜生产过程中，只有薄膜的横向均匀性是通过控制模头螺栓来调节，而薄膜的纵向厚度均匀性则主要是靠控制冷却转鼓或计量泵的速度来进行调节。

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塑料薄膜的厚度测量和控制

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