專利名稱：測(cè)量材料層厚度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量材料層厚度的方法與裝置。
特別地，本發(fā)明有利的但非排它的可用于造紙機(jī)的排水站中紙漿層厚度的測(cè)量，后 續(xù)的描述將以其為參考，但是，本專利的應(yīng)用除此之外，不失一般性。
背景技術(shù)：
眾所周知，在造紙機(jī)中，含水量約為98%的紙漿層沿生產(chǎn)紙的路徑被輸入，所述生 產(chǎn)路徑連續(xù)經(jīng)過用來排出紙漿層中的水的排水站，用來擠壓紙漿層的擠壓站和用來干燥 紙漿層的烘干站。
經(jīng)過排水站的生產(chǎn)路徑的第一部分限定排水路徑，紙漿層沿其前進(jìn)，被承栽在繞環(huán) 旋轉(zhuǎn)的織品上。在織品下方的是以相互間固定的距離設(shè)置的多個(gè)吸入單元，以在紙漿前 進(jìn)時(shí)經(jīng)由織品除去紙漿中的水。
高效的排水站可減少下游由烘干站完成的處理過程的費(fèi)用。
為了達(dá)到上述目的，市場(chǎng)上的用來控制紙漿中水的厚度的裝置，其包括一個(gè)桿，在 該桿上安裝帶有傳感器的讀出磁頭來測(cè)量水的量。這些裝置通常采用人工定位，以使傳 感器與在一個(gè)吸入裝置和另 一個(gè)吸入裝置之間的織品的底面相接觸。
所述裝置可使用各種類型的傳感器，例如采用伽瑪反向散射(GammaBack Scattering, GBS )技術(shù)來探測(cè)與其接觸的材料的一 致性的傳感器。所述技術(shù)是精確的， 但是要求在讀出磁頭中存在放射源，因此是昂貴的而且是不現(xiàn)實(shí)的。其它采用超聲波的 傳感器的成本較前面的要低，但是很難應(yīng)用于噪聲環(huán)境中，例如造紙機(jī)環(huán)境中。還有其 它采用微波的傳感器，特別是可依據(jù)材料本身的頻率響應(yīng)來判斷材料的一致性，但是它 們是笨重的而且不會(huì)得到足夠可靠的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量材料層厚度的方法和裝置，尤其是測(cè)量紙漿層中水的 厚度和制造紙的水的厚度，它克服了上述缺點(diǎn)而且同時(shí)使生產(chǎn)變得容易而便宜。
依照本發(fā)明，提供一種測(cè)量材料層厚度的方法和裝置，所述方法和裝置根據(jù)所附的 獨(dú)立權(quán)利要求，并且優(yōu)選依據(jù)任一項(xiàng)直接或間接從屬于前述的獨(dú)立權(quán)利要求的權(quán)利要求。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參考所附的圖對(duì)優(yōu)選的實(shí)施例(純粹作為非限制性的 例子)進(jìn)行描述，其中
圖1A和圖IB示出了根據(jù)本發(fā)明的用來測(cè)量材料層厚度的裝置的優(yōu)選實(shí)施例；
圖2示出了圖1中所示的裝置的控制單元的方框圖3-8從整體上示出了根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量材料層厚度的方法的流程圖9-14示出了圖1中的多個(gè)材料樣本的頻率響應(yīng)曲線和相應(yīng)設(shè)置以及校準(zhǔn)曲線的 例子，是根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量材料層厚度的方法而荻得的；以及
圖15-16示出了根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量材料層厚度的方法獲得并處理的材料層的頻 率響應(yīng)的例子。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式
在圖1A中，參考數(shù)字1從整體上代表控制材料厚度的裝置，所述裝置1包括控 制單元2;讀出磁頭3，將該讀出磁頭3與材料層(未示出)尤其與紙漿層和水接觸以 測(cè)量其厚度；以及支撐桿4，在其第一端5安裝讀出磁頭3，并且在第二端6安裝連接 器7,所述連接器7配有電纜8以將讀出磁頭3連接到控制單元2。
控制單元2包括具有用于顯示測(cè)量信息的顯示器10的前控制面板9和小鍵盤11, 其中，例如顯示器10可為分辨率為128x128像素的背光液晶型顯示器，操作員可通過 小鍵盤11將命令傳送給控制單元2?？刂茊卧?還包括多個(gè)連接器12以將其連接到讀 出磁頭3并與更多的外部控制裝置(未示出，例如個(gè)人計(jì)算機(jī))相連接。
讀出磁頭3包含微波傳感器13和溫度傳感器14。特別地，微波傳感器13例如為于 2006年10月19日提交的意大利專利申請(qǐng)第FI2006A000019號(hào)名稱為"先進(jìn)的微波工程" (ADVANCED MICROWAVE ENGINEERING )中所描述的類型，并且包含微波發(fā)送器 和用于探測(cè)發(fā)送器產(chǎn)生的經(jīng)由材料的信號(hào)的相應(yīng)的微波接收器。特別地，傳感器13的 特征是其頻率響應(yīng)曲線基本上以諧振頻率為中心，諧振頻率有最小振幅值。在傳感器13 鄰域存在材料會(huì)改變響應(yīng)曲線，對(duì)于諧振頻率發(fā)生偏移和最小振幅發(fā)生變化，它們?cè)谀?種程度上取決于材料自身的物理特性。
支撐桿4具有信號(hào)元件15 (例如可為光學(xué)型或聲學(xué)型)用來表示測(cè)量在進(jìn)行中，并 且具有一個(gè)小的水平儀16,用于檢驗(yàn)支撐桿4的定位是否合適從而檢驗(yàn)讀出磁頭3的定位是否合適。更詳細(xì)地，如圖1B所示，支撐桿4包含伸縮臂17,伸縮臂17在其第一 端5處可延伸且被安裝有讀出磁頭3。
參考圖2，控制單元2除了包含前述的顯示器IO和小鍵盤11外，還包含儲(chǔ)存單元 18，例如可移動(dòng)的閃存，也可稱為"SM卡"，用來存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)；接口單元19,用來與 外部控制裝置進(jìn)行通信；接口單元20，用來與傳感器13， 14進(jìn)行通信；處理單元21(例 如為包含微控制器的類型)，用于與顯示器IO、鍵盤11和所有以上提到的其他單元進(jìn) 行通信連接；以及供電單元22，用來為以上提到的所有單元供電。
更詳細(xì)地，顯示器IO用于顯示傳感器13， 14的狀態(tài)、有關(guān)測(cè)量過程中的數(shù)據(jù)和有 關(guān)以前測(cè)量的統(tǒng)計(jì)。在可由小鍵盤11輸入的這些命令中，包含有例如將通過裝置1獲 得的測(cè)量樣本的個(gè)數(shù)。
供電單元22包含電池(未示出)，優(yōu)選為可再充電型的；以及監(jiān)控與信號(hào)電路(也 未示出)，用于監(jiān)控電池的剩余電荷值，所述電荷值用與其相關(guān)聯(lián)的適合的指示器表示， 例如通過報(bào)警燈或顯示器IO上所顯示的圖標(biāo)表示。
例如通過RS232串行端口或USB型端口構(gòu)成每一個(gè)接口單元19， 20。
圖3-7分別示出了根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量材料層的厚度的方法的流程圖的各個(gè)部 分，所述方法是在被裝載入處理單元21的微控制器的控制程序(固件)中實(shí)現(xiàn)的。
用于測(cè)量材料層厚度的方法所基于的原理在于在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)已知物理?xiàng)l件下的已 知材料的樣本進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)微波傳感器13的設(shè)定值來獲得參考數(shù)據(jù)；根據(jù)受驗(yàn)材料 (即待測(cè)量的材料層)的導(dǎo)電率來校準(zhǔn)傳感器13,利用例如所述材料的樣本；才艮據(jù)材料 層的頻率響應(yīng)來確定厚度的測(cè)量值，所述材料層的頻率響應(yīng)通過傳感器13獲得并且為 傳感器14所測(cè)得的材料層的溫度Tm的函數(shù)。
參考圖3,該測(cè)量材料層厚度的方法包括以下步驟根據(jù)對(duì)確定的溫度值具有相應(yīng) 的導(dǎo)電率給定值的材料樣本，設(shè)置傳感器13,以這種方式來獲得參考數(shù)據(jù)(方框30); 將傳感器13校準(zhǔn)為受試材料(即待測(cè)量的材料層)的導(dǎo)電率的函數(shù)(方框31)，利用 參考數(shù)據(jù)來確定校準(zhǔn)參數(shù)；測(cè)量受試材料層的溫度Tm (方框32);利用校準(zhǔn)參數(shù)根 據(jù)所述層自身的頻率響應(yīng)來確定材料層的測(cè)量參數(shù)(方框33 );用測(cè)量參數(shù)和溫度Tm 對(duì)參考數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以確定所述層自身的厚度的測(cè)量值Sm (方框34)。
需要時(shí)，可重復(fù)方框32、 33和34所顯示的步驟，以獲得厚度的測(cè)量值；否則，控 制程序返回到校準(zhǔn)步驟(方框35 )。設(shè)置傳感器13的步驟(圖3中的方框30)是在實(shí)驗(yàn)室中一次性完成，所有的子步 驟將在圖4和下文中進(jìn)行描述。
設(shè)置傳感器13的步驟包括首先，對(duì)于給定的溫度值T1，T2,T3，獲得由材料的厚 度數(shù)據(jù)S組成的參考數(shù)據(jù)，厚度由傳感器13的工作頻率F決定，工作頻率F在頻帶FB 中變化，其最小值為Fmin,最大值為Fmax。
作為頻率f的函數(shù)的所述厚度數(shù)據(jù)S由如下的步驟獲得對(duì)于每一個(gè)溫度值Tl、 T2、 T3,通過傳感器13獲得樣本具有導(dǎo)電率值CD1的相應(yīng)的多個(gè)材料樣本所對(duì)應(yīng)的多 個(gè)頻率響應(yīng)曲線，每一個(gè)樣本具有各自的材料值或厚度S (方框40);以及使每一個(gè)厚 度值S與各個(gè)頻率值F相關(guān)聯(lián)，所述頻率值F是通過將對(duì)應(yīng)于所述厚度值的響應(yīng)曲線與 一個(gè)頻率不變的函數(shù)的交點(diǎn)來確定的，為了方便起見，在下文中，該函數(shù)被稱為"截距 直線(intercept straight line )"(方框41)。
圖9示出了任一溫度值Tl 、 T2、 T3下，隨頻率F變化如何獲得厚度數(shù)據(jù)S的例子。
圖9的頂部示出了頻率響應(yīng)曲線的例子，對(duì)于不同的厚度值S，這些曲線由隨著頻 率F在頻帶FB中的變化而形成的傳感器13的輸出信號(hào)的振幅A的多個(gè)模式構(gòu)成。只 要傳感器13的輸出對(duì)應(yīng)于傳感器13中的A/D轉(zhuǎn)換器的輸出，則振幅A是無量綱的。 截距直線的第一數(shù)值INT1假設(shè)基本上等于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出范圍的一半，優(yōu)選等于 2500。與各自厚度值S相關(guān)聯(lián)的每個(gè)頻率值F由數(shù)值為INT1的截距直線與對(duì)應(yīng)于所述 厚度值S本身的頻率響應(yīng)曲線的上升延長(zhǎng)線的交點(diǎn)來確定。
圖9的底部示出了作為頻率F的函數(shù)的厚度S的圖形的例子，是通過將所獲得的頻 率值F與厚度值S相關(guān)聯(lián)得到的。
圖IO示出了不同溫度值TI、 T2和T3下，作為頻率F的函數(shù)的厚度S的曲線的例 子；溫度T1、 T2和T3依次增大，使得T3〉T2〉T1，并且優(yōu)選分別等于10QC， 35QC和 600C。
三個(gè)溫度值Tl、 T2和T3下的作為頻率F的函數(shù)的厚度S的數(shù)值被采集在相應(yīng)的 查找表中，而該查找表被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元18中。
設(shè)置傳感器13的步驟還包括獲得其它的參考數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由導(dǎo)電率數(shù)據(jù)CD 構(gòu)成，該導(dǎo)電率凝:據(jù)CD為恒定的環(huán)境溫度值Tamb下傳感器13的輸出信號(hào)的最小振幅 Amin的函凄t。再次參考圖4，作為最小振幅Amin的函數(shù)的導(dǎo)電率數(shù)據(jù)CD由以下步驟得到通 過傳感器13獲取頻帶FB中的對(duì)應(yīng)的多個(gè)材料樣本的多個(gè)頻率響應(yīng)曲線，所述多個(gè)材料 樣本具有各自的導(dǎo)電率值CD(方框42);和將每一個(gè)導(dǎo)電率值CD與具有所述導(dǎo)電率值 的樣本的頻率響應(yīng)曲線的最小振幅值A(chǔ)min相關(guān)聯(lián)(方框43)。
圖11示出了具有不同的導(dǎo)電率值CD的材料的頻率響應(yīng)曲線的例子，并且突出顯 示每一個(gè)曲線的最小振幅值A(chǔ)min,它們分別用AG，、 Ah、 A2,、 A3、 A4和As表示。所 述最小值出現(xiàn)在相應(yīng)材料的諧振頻率處。圖12顯示導(dǎo)電率CD與由圖11中的數(shù)據(jù)獲得 的最小振幅Amin的函數(shù)關(guān)系圖。
在環(huán)境溫度Tamb下，作為最小振幅Amin的函數(shù)的導(dǎo)電率數(shù)據(jù)CD被采集在相應(yīng) 的查找表中，而該查找表被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元18中。
最后，設(shè)置傳感器13的步驟包括在恒溫下，尤其在溫度值T2下，確定在截距直 線的一般值INT與受試材料的導(dǎo)電率之間的線性函數(shù)關(guān)系。換句話說，設(shè)置步驟包括 還可確定由系數(shù)X和Y構(gòu)成的參考數(shù)據(jù)，系數(shù)X和Y確定線性函數(shù)式INT = X x CD + Y。
特別地，再次參考圖4，設(shè)置傳感器13的步驟包括通過傳感器13自身獲得三個(gè) 不同的材料參考厚度值SR,、 SR'、 SR"的三組頻率響應(yīng)曲線，其中，每一組曲線中包含 具有各自導(dǎo)電率值CD1、 CD2、 CD3的三個(gè)材料的三個(gè)頻率響應(yīng)曲線(方框44)。
導(dǎo)電率值CD1 、 CD2和CD3是漸增的，因此CD3>CD2>CD1，并且它們分別優(yōu)選 等于150(^S/cm，4000nS/cm和6500pS/cm。參考厚度值SR、 SR'和SR"是漸減的，并 且分別優(yōu)選等于25000 g/m2， 10000 g/n^和5000 g/m2 。
對(duì)于每一個(gè)所述頻率響應(yīng)曲線組，可確定如下的數(shù)據(jù)才艮據(jù)對(duì)應(yīng)于具有導(dǎo)電率CD1 的材料的曲線與第一值INT1的截距直線的交點(diǎn)獲得各個(gè)頻率值Fl, Fl', Fl"(方框45); 假設(shè)截距直線的第二值INT2、 INT2' 、 INT2"，和第三值INT3、 INT3'、 INT3"，以確 定出，對(duì)于給定的相同的參考厚度SR，SR'和SR",具有導(dǎo)電率分別為值CD2和CD3 的材料具有相同的頻率值Fl,Fl',Fr (方框46)。
在這點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)于不同的參考厚度值SR， SR'和SR"， INT1、 INT2、 INT2'、 INT2"、 INT3、 INT3'和INT3"值被取平均，以便獲得對(duì)于每一個(gè)導(dǎo)電率值CD1， CD2, CD3的截 距直線的平均值INT1、 INT2m、 INT3m(方框47)。采用任何已知的線性回歸法，根據(jù) 一系列導(dǎo)電率值CD1,CD2,CD3和對(duì)應(yīng)的一系列平均值INT1、 INT2m、 INT3m可確定 系數(shù)X和Y(方框48)。圖13示出了確定值INT2、 INT2' 、 INT2"、 INT3、 INT3'和INT3"的例子。
圖14示出了截距直線的值INT與通過線性回歸獲得的導(dǎo)電率之間的線性關(guān)系的示 例。系數(shù)X和Y也被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元18中。
校準(zhǔn)傳感器13的步驟(圖3中的方框31)的目的在于在恒定的環(huán)境溫度值Tamb 下，當(dāng)存在受試材料樣本的情況下，確定由截距直線的值INTc組成的校準(zhǔn)參數(shù)。
先前通過將讀出磁頭3浸入有意提供的包含受試材料的樣本的校準(zhǔn)杯中來完成校準(zhǔn) 過程。作為替代，校準(zhǔn)過程也可在測(cè)量材料層厚度的正常操作中由裝置1自動(dòng)完成。
通常，校準(zhǔn)步驟包括獲得受試材料在頻帶FB內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線，與圖9和圖10 中所示出的相似；找出所述曲線的最小振幅值A(chǔ)min_c;并且處理所述最小振幅值A(chǔ)min_c 以獲得截距直線的值INTc。
特別地，參考圖5，頻率響應(yīng)曲線可由如下的步驟獲得將頻率F按給定的頻率步 長(zhǎng)Fs,優(yōu)選為10 kHz (方框52),從最小值Fmin (方框50)遞增到最大值Fmax (方框51); 以及對(duì)于頻率集F中的每一個(gè)頻率值，在傳感器13的輸出端獲得信號(hào)的振幅值A(chǔ)(方框 53)。
曲線的最小振幅值A(chǔ)min一c可由如下的步驟得到初始將最小振幅值A(chǔ)min_c設(shè)定 為一個(gè)足夠大的值，優(yōu)選為傳感器13的動(dòng)態(tài)輸出范圍中的最大值A(chǔ)lim (即等于4095 ) (方框50);對(duì)于頻率集F中的每一個(gè)頻率值，將該最小振幅集Amin—c與每一個(gè)所獲得 的振幅A進(jìn)行比較(方框54);以及在后者較小的情況下，用該振幅值A(chǔ)取代該最小振 幅集(方框55)。
一旦求出最小振幅值A(chǔ)min一c,可根據(jù)以下的關(guān)系式對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償 Amin一c = (Tmc - Tamb) xKC + Amin—c，
其中，Tmc對(duì)應(yīng)于適當(dāng)?shù)臏y(cè)量步驟期間的材料的溫度，而且其可在本校準(zhǔn)步驟期 間由操作員通過鍵盤11來設(shè)定；KC為取決于讀出磁頭3的機(jī)械和電學(xué)特性的系數(shù)， 而且可在實(shí)驗(yàn)室中使用試驗(yàn)的方法有意確定(方框56)。
下一步，確定受試材料的導(dǎo)電率CDc的測(cè)量方法，借助內(nèi)插法利用最小振幅值 Amin—c從導(dǎo)電率數(shù)據(jù)CD中將它提取(方框57),和利用系數(shù)X和Y將截距直線的值 INT確定為導(dǎo)電率值CDc的函數(shù)，即利用圖14中示出的線性函數(shù)式(方框58)。
在這點(diǎn)上， 一旦設(shè)置和校準(zhǔn)傳感器13的步驟已經(jīng)完成，就執(zhí)行確定厚度測(cè)量的那 些操作。接下來，通過確定測(cè)量參數(shù)的步驟(圖3中的方框33)來測(cè)量受試材料的溫度Tm (圖3中的方框32),正如前面已經(jīng)提到的。對(duì)于由傳感器13所獲得的材料層的頻率 響應(yīng)的振幅值的范圍，所述測(cè)量參數(shù)包含已確定的截取頻率值FLm,所述范圍實(shí)質(zhì)上 以在傳感器13的校準(zhǔn)期間得到的截距直線的值INTc為中心。
更確切地講，參考圖6，確定頻率的平均值Fl—m包括以下步驟
-將傳感器13的工作頻率F的初始值設(shè)置為最大值Fmax,將頻率步長(zhǎng)Fs的初始 值設(shè)置為最大值或最大近似值Fs—g,優(yōu)選等于lMHz,將振幅A的公差的初始值設(shè)置 為可選擇的最大值，即最大值或最大近似值T—g,將計(jì)算迭代次數(shù)C的計(jì)數(shù)器的初始值 設(shè)置為已確定的迭代次數(shù)值N，將截距直線的初始值設(shè)置為在前已由校準(zhǔn)傳感器13的 步驟中確定的截距直線的值INTc，以及將截取頻率FLm的初始值設(shè)置為零值(方框60);
-將當(dāng)前頻率值F與最大值Fmax和最小值Fmin相比(方框62)以便當(dāng)超出頻率F 的設(shè)定范圍時(shí)會(huì)報(bào)警(方框63)并且從而對(duì)按照在前的由方框60表示的步驟所設(shè)的參 數(shù)重新進(jìn)行設(shè)置(方框64 );
-獲取傳感器13的輸出端的信號(hào)的振幅值A(chǔ);和
-將所獲得的振幅值A(chǔ)與截距直線的值INTc進(jìn)行比較(方框66)和將振幅值A(chǔ)和 值INTc的差值的絕對(duì)值與公差T值的集合進(jìn)行比較(方框67和68)以便區(qū)別下文中 所描述的事例。
如果滿足以下兩個(gè)條件
A<INTc;和
|A - INTc| < T，
那么，將頻率步長(zhǎng)設(shè)置為最小值或精細(xì)值Fs—f(Fs二Fs一f),和將公差T設(shè)置為最 小值或精確值T_f (T = T_f),以及將頻率F以頻率步長(zhǎng)Fs遞增(F = F + Fs)(方框69),以 及流程將進(jìn)行后續(xù)的方框71。最小公差值T一f ，例如等于截距直線的值INTc的1%。
如果滿足以下兩個(gè)條件
A < INTc;和
|A-INTc|^T,
那么，將頻率步長(zhǎng)設(shè)置為最大值Fs—g(Fs二Fs—g)，和將公差T設(shè)置為最大值T—g(T =T—g)，并且將頻率F以頻率步長(zhǎng)Fs遞增(F = F + Fs)(方框74),以及控制程序返回到 方框62。
如果滿足以下兩個(gè)條件A>INTc;和 |A - INTcl < T，
那么，將頻率步長(zhǎng)設(shè)置為最小值Fs—f(Fs-FS-f)，和將公差T設(shè)置為最小值T—f(T = T—f)，并且將頻率F以頻率步長(zhǎng)Fs遞減(F = F - Fs)(方框70),以及流程將進(jìn)行后續(xù)的 方框71。
如果滿足以下兩個(gè)條件
A>INTc;和
|A - INTc| 2 T，
那么，將頻率步長(zhǎng)設(shè)置為最大值Fs_g (Fs = Fs_g),和將公差T設(shè)置為最大值T_g (T =T_g),并且將頻率F以頻率步長(zhǎng)Fs遞減(F = F - Fs)(方框75),以及控制程序返回到方 框62。
在將頻率F以頻率步長(zhǎng)Fs從最小值Fs_f遞增或以頻率步長(zhǎng)Fs遞減到最小值(方框
69或方框70的輸出)后，包括下列步驟
-將當(dāng)前頻率值F累加到截取頻率Fl—m (Fl_m = Fl—m + F)中且將計(jì)算迭代次數(shù)C
的計(jì)數(shù)器按1遞減(C = C - 1)(方框71);
-檢驗(yàn)計(jì)算迭代次數(shù)的計(jì)數(shù)器的剩余數(shù)值(方框72):如果所述數(shù)值為0(C = 0),
那么流程將進(jìn)行下一方框73;否則控制程序返回到方框62;和
-計(jì)算被視為所累計(jì)的值的平均值的截取頻率值Fl—m (方框73)。
圖15示出了確定截取頻率值F1—m的例子。如已提過，可通過將傳感器13的工作
頻率F從最大值Fmax遞減到與振幅值A(chǔ)對(duì)應(yīng)的頻率值來獲得頻率響應(yīng)，振幅值A(chǔ)在以
值INTc為中心的范圍DT內(nèi)且其延伸部分等于公差T的最小值T—f的兩倍。換句話說，
所獲得的頻率響應(yīng)由某一范圍的振幅值A(chǔ)構(gòu)成，振幅A隨著頻率的增大而增大而且分
布在值INTc的周圍。
利用受試材料層的測(cè)量參數(shù)和溫度來處理參考數(shù)據(jù)，以確定所述層自身的厚度測(cè)量 值的步驟(圖3中的方框34)初始包括對(duì)于三個(gè)不同溫度T1、 T2和T3，利用截取^ 頻率Fl一m,從作為頻率F的函數(shù)的厚度數(shù)據(jù)S中提取三個(gè)第一近似厚度值Sl、 S2,、 S3。
關(guān)于這一點(diǎn)，圖IO示出了例子對(duì)于三個(gè)溫度T1、 T2和T3，由表示厚度數(shù)據(jù)S 的曲線提取第一近似厚度值Sl、 S2、 S3 ,厚度數(shù)據(jù)S為頻率F的函數(shù)，所述數(shù)據(jù)是在 校準(zhǔn)傳感器13的步驟中獲得的。所求得的厚度測(cè)量值，在下文中用Sm表示，是利用材料溫度Tm通過內(nèi)插三個(gè)第 一近似厚度值S1、 S2、 S3來獲得的。更詳細(xì)地，如圖7中所示，內(nèi)插包含以下步驟
-將材料的溫度值Tm與溫度T2相比較(方框107):如果這兩個(gè)溫度相等(Tm = T2),那么厚度的測(cè)量值Sm等于S2 (方框108);否則，流程將進(jìn)行下一方框(方框109);
-將材料的溫度值Tm與溫度T2相比較(方框109):如果溫度T2小于溫度Tm (T2 < Tm)，那么厚度的測(cè)量值Sm由第一插值給定(方框IIO),
Sm = [(S3 - S2) / (T3 - T2) ] x Tm + S2;
否則，厚度的測(cè)量值Sm由不同的插值給定(方框lll)，
Sm = [ ( S2 - Sl) / (T2 - Tl) ] x Tm + Sl 。
根據(jù)本發(fā)明的另 一實(shí)施例，待定的測(cè)量參數(shù)包括第二截取頻率值F2—m和材料層的 頻率響應(yīng)的最小振幅Amin_m的平均值。
第二截取頻率值F2jn的確定方法與第一截取頻率值Fl一m的確定方法相似，即實(shí) 質(zhì)上根據(jù)圖6中所示的流程圖來確定，但是存在以下的不同
-用方框60所示的步驟包括將傳感器13的工作頻率F的初始值設(shè)置為在前獲得 的F1—m，減去可編程的足夠大的頻移值DF1 (例如，15 MHz);和，
-如果由方框66所示的所獲得的振幅A與截距直線的值INTc的比較關(guān)系是相反 的；那么將用條件A〉INTc代替條件A<INTc 。
參考圖8，確定材料層的頻率響應(yīng)的最小振幅Amin一m的平均值包括如下步驟
-將傳感器13的工作頻率F的初始值設(shè)置等于為(F1—m + F2—m) /2 - DF2的值Finf , 其中，值DF2是可編程的，例如等于1.25MHz，而且將最小振幅Amin_m的初始值設(shè) 置為零(方框100);
-在傳感器13的輸出端獲得信號(hào)的振幅值A(chǔ)(方框101);
-將所獲得的振幅值A(chǔ)累加到最小振幅Amin_m (Amin_m = Amin_m + A)中(方框
103) ;
-以給定的頻率步長(zhǎng)值Fs遞增頻率F , Fs優(yōu)選等于10kHz(F = F+lOkHz)(方框
104) ;
-比較頻率F與值Sup =Fl_m + F2—m)/2 + DF2 (方框105):如果頻率F = Sup,那么 流程將進(jìn)行下一方框106;否則控制程序返回到方框101;和
-計(jì)算最小振幅Amin_m的平均值，其被視為在前所累加的值的平均數(shù)(方框 106)。圖16示出了確定截取頻率值F2—m和最小振幅值A(chǔ)min_m的例子。如所提到的， 頻移DF1被選取以加速搜尋第二截取頻率值F2一m，它基本上位于相對(duì)于此頻率與第一 截取頻率值F1—m相對(duì)稱的位置，以便獲得最小值A(chǔ)min—m ，也就是說，在由某一范 圍的振幅值A(chǔ)限定的 一段頻率響應(yīng)上，振幅A隨頻率F的增大而減小而且分布在值INTc 的周圍。
根據(jù)本發(fā)明的所述另一實(shí)施例，利用測(cè)量參數(shù)來處理一部分參考數(shù)據(jù)(圖3中的模 塊34)包括借助由可被裝載入處理單元21的微控制器中的另 一控制程序執(zhí)行的人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來處理第一截取頻率F^m和第二截取頻率F2—m和最小振幅值A(chǔ)min_m, 以便提高厚度Sm測(cè)量的精確度。
權(quán)利要求
1. 一種測(cè)量第一材料層的厚度的方法，該方法包括步驟通過微波傳感器(13)獲得所述第一材料層的至少一個(gè)頻率響應(yīng)，并且其特征在于，還包括以下步驟在不同溫度值(Tamb，T1，T2，T3)下，為多個(gè)第二材料樣本設(shè)置(30)所述微波傳感器(13)，以便獲得參考數(shù)據(jù)(CD，X，Y，S)；利用所述參考數(shù)據(jù)(CD，X，Y，S)將所述微波傳感器(13)作為所述第一材料的導(dǎo)電率的函數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)(31)；通過溫度傳感器(14)測(cè)量(32)所述第一材料層的溫度(Tm)；根據(jù)所述頻率響應(yīng)確定(33)所述第一材料層的測(cè)量參數(shù)(F1_m，F(xiàn)2_m，Amin_m)；以及利用所述測(cè)量參數(shù)(F1_m，F(xiàn)2_m，Amin_m)和所測(cè)得的溫度(Tm)來處理(34)所述參考數(shù)據(jù)(CD，X，Y，S)，以獲得所述第一材料層的所述厚度的測(cè)量值(Sm)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在校準(zhǔn)(31)所述微波傳感器(13)的所述步 驟中包括以下步驟將校準(zhǔn)參數(shù)(INTc)作為所述第 一材料的導(dǎo)電率和所述參考數(shù)據(jù)中的 第一組數(shù)據(jù)(CD, X, Y)的函數(shù)而確定(58 )。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第一材料層的所述測(cè)量參數(shù)(F1—m, F2—m, Amin—m)是通過控制(66-68)所述頻率響應(yīng)的采集來確定的，所述頻率響應(yīng)是所述校準(zhǔn)參 數(shù)(INTc)的函數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，所述第一參考數(shù)據(jù)(CD, X, Y)包含所述 第二材料樣本的導(dǎo)電率數(shù)據(jù)(CD),所述導(dǎo)電率數(shù)據(jù)是所述樣本自身的頻率響應(yīng)的最小振 幅(Amin)的函數(shù)；所述導(dǎo)電率數(shù)據(jù)(CD)是在給定的恒定環(huán)境溫度值(Tamb)和同 一個(gè)樣本 厚度值條件下得到的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，校準(zhǔn)(31)所述微波傳感器(13) 的所述步驟中包括以下步驟通過所述微波傳感器(13 )獲得(50， 51, 52, 53)所述第一材料的樣本的頻率響應(yīng)； 確定(54, 55)所述頻率響應(yīng)的最小振幅值(Amin—c);以及利用所述導(dǎo)電率數(shù)據(jù)(CD)，來確定(57)作為所述最小振幅值(Aminj)的函數(shù)的所述 第 一材料的導(dǎo)電率(CDc)的測(cè)量值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，校準(zhǔn)(31)所述微波傳感器(13)包括步驟 補(bǔ)償(56)所述最小振幅值(Amin—c),所述最小振幅值(Amii^c)為所述環(huán)境溫度(Tamb)和 所述測(cè)量溫度值(Tmc)之間的差值的函數(shù)，所述測(cè)量溫度值(Tmc)可由操作員設(shè)定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一參考數(shù)據(jù)(CD，X,Y)包含限定線性函數(shù)的系數(shù)(X,Y),所述線性函數(shù)用來提供所述校準(zhǔn)參數(shù)(INTc),所述校準(zhǔn) 參數(shù)(INTc)為所述第一材料的導(dǎo)電率的測(cè)量值(CDc)的函數(shù)。
8. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，處理(34)所述參考數(shù)據(jù)(CD,X，Y, S)的所述步驟可包括處理所述參考數(shù)據(jù)中的第二參考數(shù)據(jù)(S )。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述第二參考數(shù)據(jù)包括多個(gè)給定溫度值(Tl, T2, T3)下的、具有同 一個(gè)導(dǎo)電率的所述第二材料樣本的厚度數(shù)據(jù)(S)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，隨著所述微波傳感器(13)的工作頻率(F)對(duì) 于所述多個(gè)溫度值(T1， T2, T3)中的每一個(gè)發(fā)生變化而獲得所述厚度數(shù)據(jù)(S)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，所述測(cè)量參數(shù)(F1—m， F2—m, Amin_m) 包含第一截取頻率(F1—m),所述第一截取頻率通過處理(73)所述微波傳感器(13)的第 一范圍的工作頻率值(F)確定，所述^t波傳感器(l3)的第一范圍的工作頻率值(F)對(duì)應(yīng)于所 述第一材料層的所述頻率響應(yīng)的第一范圍的振幅值(A),其中，所述范圍具有給定的延 伸值(DT)并且以等于所述校準(zhǔn)參數(shù)(INTc)的振幅值為中心。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，處理所述厚度數(shù)據(jù)(S)包括以下步驟利用所述第 一截取頻率(F1—m)從所述厚度數(shù)據(jù)(S)提取多個(gè)第 一近似厚度值(Sl, S2, S3),所述第一近似厚度值(S1,S2,S3)與所述多個(gè)溫度值(T1,T2,T3)相對(duì)應(yīng)；以及 利用所述測(cè)量得到的溫度(Tm)內(nèi)插(107, 108, 109)所述第一近似厚度值(S1, S2，S3)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求4-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述導(dǎo)電率數(shù)據(jù)(CD)由以下步 驟確定在所述環(huán)境溫度(Tamb)下通過所述微波傳感器(13)獲取(42)具有各自導(dǎo)電率 值的所述第二材料的各個(gè)第 一多個(gè)樣本的第一多個(gè)頻率響應(yīng)曲線；和將每一個(gè)導(dǎo)電率值 與具有所述導(dǎo)電率值的樣本的頻率響應(yīng)曲線的最小振幅值(Amin)相關(guān)聯(lián)(43)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求7-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述系數(shù)(X， Y)由以下的步驟 確定在恒溫下通過所述微波傳感器(13)獲取(44)所述第二材料的各個(gè)第二多個(gè)樣本 的第二多個(gè)頻率響應(yīng)曲線，每一個(gè)所述第二材料樣本的相應(yīng)導(dǎo)電率從多個(gè)導(dǎo)電率值(CDl, CD2, CD3)中選擇，每一個(gè)所述第二材料樣本的厚度從多個(gè)參考厚度值(SR, SR', SR") 中選擇；確定(45， 46, 47)多個(gè)振幅平均值(INT1, INT2m, INT3m )，隨著所述導(dǎo)電率值(CDl, CD2, CD3)的變化，假設(shè)所述響應(yīng)曲線為對(duì)于每一個(gè)厚度參考值(SR, SR'， SR"),所述 曲線可檢測(cè)出相應(yīng)的給定頻率值(Fl, Fl', Fl");以及對(duì)通過所述導(dǎo)電率值(CDl, CD2, CD3) 和通過所述相應(yīng)的振幅平均值(INTl, INT2m, INT3m)所確定的點(diǎn)進(jìn)行(48 )線性回歸。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10-14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述厚度數(shù)據(jù)(S)由以下步驟 確定對(duì)于所述多個(gè)溫度值(Tl, T2, T3)中的每一個(gè)值，獲取(40)具有各自厚度值(S)的相 應(yīng)多個(gè)樣本的第三多個(gè)頻率響應(yīng)曲線；以及對(duì)于已確定的同一個(gè)振幅值(INT1)，將每一 個(gè)厚度值(S)與通過相應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線確定的所述工作頻率(F)的相應(yīng)值相關(guān)聯(lián)(41)。
16. 根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的方法，包括步驟存儲(chǔ)所述參考數(shù)據(jù)(CD, X, Y, S)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11-16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述測(cè)量參數(shù)(F1—m, F2—m， Amin—m)包括第二截取頻率(F2—m),其通過處理從所述第一范圍的工作頻率值(F)中分 離出來的而且與所述第一范圍的振幅值(A)相對(duì)應(yīng)的第二范圍的工作頻率值(F)確定；和 所述同一頻率響應(yīng)的最小振幅值(Amin—m),所述最小振幅值(Aminjn)通過處理(73)與第 三范圍的工作頻率值(F)相對(duì)應(yīng)的第二范圍的振幅值(A)確定，所述第三范圍的工作頻率 值(F)包含所述第 一截取頻率(F1—m)與所述第二截取頻率(F2—m)之間的頻率。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17中所述的方法，其中，所述用所述測(cè)量參數(shù)(FLm, F2—m, Amii^m)來處理(34)所述參考數(shù)據(jù)(S, CD, X, Y)的步驟包括借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理所 述第一和第二截取頻率(Fl一m, F2_m)和所述第一材料層的所述最小振幅值(Amin—m)， 以便提高所述厚度(Sm)測(cè)量的精確度。
19. 一種測(cè)量第一材料層的厚度的裝置，所述裝置(1)包括控制裝置(2),和讀取裝置 (3),所述讀取裝置(3)與所述控制裝置(2)相連接而且被設(shè)置為與所述第一材料層相接觸； 所述控制裝置(2)包括存儲(chǔ)單元(18)、接口單元(20)和處理單元(21),所述接口單元(20)與 所述讀取裝置(3)進(jìn)行通信，所述處理單元(21)被連接來與所述存儲(chǔ)單元(18)和所述接口 單元(20)進(jìn)行通信；所述讀取裝置(3)包括微波傳感器(13)和溫度傳感器(14);所述處理單 元(21 )裝載有控制程序，當(dāng)所述程序運(yùn)行時(shí)，用于執(zhí)行根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述 的方法。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種通過微波傳感器(13)測(cè)量第一材料層的厚度的方法，所述方法包括通過微波傳感器(13)獲得第一材料層的至少一個(gè)頻率響應(yīng)；為不同溫度值(Tamb，T1，T2，T3)下的第二材料樣本設(shè)置(30)微波傳感器(13)，以獲得參考數(shù)據(jù)(CD，X，Y，S)；利用參考數(shù)據(jù)(CD，X，Y，S)，作為第一材料電導(dǎo)率的函數(shù)來校準(zhǔn)(31)微波傳感器(13)；通過溫度傳感器(14)測(cè)量(32)第一材料層的溫度(Tm)；根據(jù)頻率響應(yīng)確定(33)測(cè)量參數(shù)(F1_m，F(xiàn)2_m，Amin_m)；以及利用測(cè)量參數(shù)(F1_m，F(xiàn)2_m，Amin_m)來處理(33)參考數(shù)據(jù)(CD，X，Y，S)以獲得第一材料層的厚度的測(cè)量值(Sm)。
文檔編號(hào)G01B15/02GK101421583SQ200680053923
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2006年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者喬維尼·克里斯蒂尼 申請(qǐng)人:S.A.朱塞佩克里斯蒂尼有限公司