IM-C型红外水份/薄膜厚度测试仪的研制

　　一、引言

　　红外测量技术作为一门独立的分学科,随着红外光谱技术和近红外反射光谱(NIR)测定技术的发明而迅速发展起来。近20年来,红外水份仪在工业 生产中得到广泛应用,其在线测量技术有效地提高产品质量和减少原材料消耗。但是作为红外测量技术的另一分支,在线测厚技术(也称在线定量技术)却较少应 用。

　　本仪器的主要研究目标是:研究出一种新型的红外水份、厚度测试仪。一方面由于仪器具有光学自补偿能力,使仪器稳定,具有经受工业现场恶劣环境的 耐受能力;另一方面在分析近红外反射光谱基础上,设计特定的红外滤光片组合,使仪器除在线测水能力外,还具有在线测厚能力,测量塑料薄膜、纸纸和涂层厚度 等,发展近红外定量技术。研制成功的IM-C型红外水份/薄膜厚度测试仪是一种采用计算机处理技术的近红外(1～3μm)通用型多功能在线检测仪器。已通 过省级鉴定。

　　二、水份测量和光学自补偿原理

　　在近红外光谱区有某些红外辐射能量被水分子选择性吸收。图1是水膜的红外光谱图。从图中可见,水分子对1.46μm、1.49μm和2.92μm的红外辐射有选择性吸收,而吸收中心带外的辐射能不易被水分子吸收,吸收的数值与水分的数值有关,一般符合比尔定律。

　　本仪器采用双光路、多光束、反射式比值测量原理。图2为光路原理简图。

　　由石英灯发出的红外光波经滤光片轮后分解出1.94μm的测量光波和1.82μm的参考光波。测量光波经反射镜后分别通过外部光路和内部光路; 外部光路经待测物料漫反射吸收后,由聚光镜收集投向主检测器(PbS1),而内部光路不经过待测物料直接通过光导管进入次检测器(PbS2)。参考光波同 样也分别通过外部光路和内部光路。这就是所谓的双光路结构。

　　设M为外部测量光信号,M′为内部测量光信号;又设R为外部参考光信号,R′为内部参考光信号;可以证明,被测物料的含水率W与参考光信号和测量光信号的比值成比例关系,即有关系

　　此关系称为“真比值”测量。由(1)式可见,由于信号M和M′、R和R′都是由同一光源发出,各自又通过同一滤光片(1.94μm和 1.82μm),投射到PbS检测器;显然当诸如光源,近红外干涉滤光片等光学元件老化引起漂移,硫化铅性能随环境温度变化时,M和M′、R和R′变化率 是相同的,因而由(1)式决定的水率并没有变化。只当待测物料的含水量发生变化时,由于待测物料吸收掉部分光信号后反射的光携带了待测物料含水量的信息, 使投射到主检测器的漫反射光信号M发生了变化,从而水率W发生变化。这样比值测量就具有了光学自补偿性能,使仪器获得良好的稳定性和准确度。