本發明涉及基于物質對紅外光吸收原理的非接觸膜厚高精度測量領域，特別是涉及汽車車身沖壓加工過程中表面油膜厚度高精度測量系統及方法。

背景技術：

1、沖壓是現代工業中普遍采用的一種零件加工方法，加工精度和生產效率比傳統的方法更高。沖壓模具通常形狀復雜，在沖壓加工過程中需要在沖壓件的表面涂敷一層極薄的潤滑油膜，對于沖壓過程中變形力的消耗、金屬工件的表面質量、內部質量、使用壽命、加工精度以及模具的損耗都有著重要的影響和作用。

2、沖壓件表面的油膜厚度是影響產品質量和加工精度的主要因素。油膜過薄會造成表面拉傷，使金屬在拉伸過程中開裂，還會影響產品的耐腐蝕性，嚴重影響產品外觀和質量。油膜過厚會導致局部起皺等情況的發生，過多的油液聚集在沖壓過程中會在表面產生起鼓現象形成油包。其次會增加沖壓過程中的真空效應，影響模具的空氣排出，導致零件抱上?，F象加劇。以汽車車身沖壓成型為例，據不完全統計每天因油膜厚度不滿足要求造成的板材沖傷達1300次以上，沖壓件表面油膜厚度在線高精度測量是急需解決的痛點問題。在沖壓件表面油膜厚度高精度測量的前提下，對不滿足要求的沖壓件及時進行生產工藝及流程調整可以很大程度上降低成本和缺陷產品外溢的概率。

3、目前實際生產中沖壓件表面的涂敷油膜厚度在μm級別，對測量精度的要求很高，且生產車間環境復雜干擾較大。如何在強干擾環境下實現沖壓件表面超薄油膜厚度快速在線高精度測量，是目前亟待解決的關鍵問題和技術難題。

4、許多方法可以實現油膜厚度的測量，但各自的局限性阻礙了它們的現場應用。接觸式測量會破壞油膜，油膜厚度主要采用非接觸測量方法。在非接觸測量方法中，根據電阻、電容或電渦流原理的電氣方法容易受到油特性和電磁干擾的噪聲的影響，同時電學方法的測量原理也限制了在流水線工業現場長距離測量的應用。

5、近幾十年來，基于超聲的無損測量得到很好的發展，在油膜厚度測量中也有廣泛應用，但是測量精度會受到聲學特性和傳感器的熱效應的顯著影響，在工業生產線上更容易受到機械振動產生超聲波的干擾。相比而言光學方法不受測量距離的限制和電磁干擾影響，在工業生產現場金屬板帶表面油膜厚度測量具有很大優勢。目前，常用的光學檢測方法主要有光學干涉、激光誘導熒光、紅外吸收法等，均具有很高的測量精度和分辨率。其中，光學干涉和激光誘導熒光測量原理和數據處理過程比較復雜。紅外吸收檢測方法主要包括分光光度法和雙波長檢測法。雙波長檢測法需要通過不同中心波長的窄帶濾光片，作為測量通道和參考通道，中紅外波段符合要求的窄帶濾光片不容易獲取成本較高。其中，分光光度法光路結構和數據處理過程相對簡單，但是通用的方法需要測量暗噪聲和被測物空白情況下的光強作為參考，測量流程復雜容易引入不必要誤差。

技術實現思路

1、本發明的目的是為了克服現有技術在工業現場板帶表面油膜厚度測量應用的不足，提供一種基于紅外光多點差分吸收的板帶表面油膜厚度測量系統及方法，該測量系統和方法基于待測油膜對紅外光的選擇性吸收的特性和朗伯比爾定律，設計了雙光源共光路反射吸收的測量光路結構，以待測油膜和指定厚度油膜對紅外光的共同吸收作為測量信號，采集測量信號進行差分運算求解部分未知參數的值，通過標定得到其余未知的參數的值，求解獲得待測油膜的厚度值，實現復雜工業環境下待沖壓板帶表面超薄油膜厚度在線測量。

2、本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

3、一種基于紅外光多點差分吸收的板帶表面油膜厚度測量系統，用于測量涂敷在待沖壓板帶上的待測油膜的厚度，包括紅外光源、測量光路窗口片、聚焦透鏡、電機、濾光輪盤、探測器；

4、所述待沖壓板帶的上方兩側分別設有紅外光源，紅外光源上均設有光源窗口片；待沖壓板帶的正上方的測量光路從下到上依次設有測量光路窗口片、聚焦透鏡和探測器；所述測量光路一側設有電機，電機輸出軸與濾光輪盤中心連接以帶動濾光輪盤轉動，濾光輪盤上均勻分布有六個圓形參考信號窗口，六個所述圓形參考信號窗口內分別通過2片透明窗口片密封了厚度依次增大的待測油液樣品，濾光輪盤轉動時，六個圓形參考信號窗口能夠依次經過位于聚焦透鏡和探測器之間的測量光路。

5、進一步的，所述聚焦透鏡包括在測量光路從下到上依次設置的第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡，第二聚焦透鏡位于第一聚焦透鏡的共軛像面上。

6、本發明還提供一種基于紅外光多點差分吸收的板帶表面油膜厚度測量方法，包括：

7、s1.利用傅里葉紅外光譜儀測定待測油液樣品的紅外吸收光譜，確定待測油液樣品的最大吸收波段范圍及最大吸收波段范圍內的光被完全吸收所需的最小油液厚度理論值dmin；

8、s2.依據最小油膜厚度理論值dmin，確定六個圓形參考信號窗口內密封的待測油液樣品厚度d1-d6<dmin，且d1-d6的厚度依次遞增；

9、s3.使待沖壓板帶的表面空白，即待測油膜的厚度為零，將紅外光源發出的光通過光源窗口片照射到待沖壓板帶，待沖壓板帶反射的光依次經過測量光路上的測量光路窗口片、聚焦透鏡、濾光輪盤進入到探測器；通過電機帶動濾光輪盤轉動，探測器接收到6組d1-d6不同厚度的待測油液樣品的參考光強信號；

10、s4.基于不同厚度的待測油液樣品吸收后的參考光強信號，利用差分算法和線性最小二乘法擬合標定得到測量系統的常數參數；

11、s5.根據標定的測量系統的常數參數，對待測油膜厚度進行實時在線測量，通過計算得到待測油膜的厚度值。

12、進一步的，步驟s3中，采用朗伯比爾定律計算待測油膜對紅外光的吸收，公式為：

13、

14、式中，iab為經待測油膜吸收后透過的光強，id為入射到待測油膜表面漫反射后的光強，ε為待測油液樣品在紅外光波段的吸光系數，c為待測油液樣品的濃度，noil為待測油液樣品的折射率，dx為待測油膜厚度，θ為光源與測量系統水平方向的夾角；對于確定的測量系統和待測油液樣品，εcnoil和θ為常數，q亦為常數。

15、進一步的，由朗伯比爾定律得，探測器接收到的透過六個圓形參考信號窗口的光強表示為

16、

17、式中，imean為探測器接收到的透過n個圓形參考信號窗口的光強，dn為圓形參考信號窗口內部封裝待測油液樣品厚度；

18、進入測量光路的光在到達探測器感光面之前的損耗，除了油膜正常吸收外，還包括測量系統、光學器件以及空氣的吸收和散射，未經圓形參考信號窗口內封裝的待測油液樣品吸收的光強ioil與被測油膜反射吸收后的光強iab之間的關系表示為

19、ioil＝iabβ(1-ρ0)(1-ρ1)(1-ρ2)(1-ρ3)(1-ρ4)

20、式中，β為紅外光經待測油膜反射吸收后進入測量光路的比例系數，ρ0為測量系統結構產生的損失率，包括測量系統零部件的吸收、反射、散射；ρ1是測量系統中光學元件本身產生的損失率，包括光路窗口片和聚焦透鏡的吸收和反射；ρ2為光學器件表面灰塵、油污的吸收和散射產生的損失率；ρ3為測量系統環境產生的損失率，包括空氣及空氣中懸浮顆粒物的吸收和散射；ρ4為待沖壓板帶因吸收、反射產生的損失率；

21、綜合上式探測器接收到的圓形參考信號窗口的光強表示為

22、

23、其中，k＝β(1-ρ0)(1-ρ1)(1-ρ2)(1-ρ3)(1-ρ4)，表示測量系統整體透過率；

24、根據菲涅爾反射定律知光在不同介質表面反射只與折射率有關，非理想條件下探測器接收的光強表示為

25、

26、式中，δd為反射、折射損失等效的吸收油液厚度；

27、對于所有通道都存在相同的反射，等效為測量系統誤差，上式等效為

28、

29、得到對于固定的測量系統，k和id均為常數，ik1亦為常數。

30、進一步的，步驟s4具體步驟如下：

31、待沖壓板帶表面空白，待測油膜厚度dx＝0時，探測器接收到的六個圓形參考信號窗口的光強imea1-imea6表示為：

32、

33、式中，d1-d6分別為六個圓形參考信號窗口內密封的待測油液樣品的厚度，q和ik1為測量系統的常數參數；由上式得到常數q的值與ik1無關，避免擬合過程中ik1的值影響q，對q直接進行求解；聯立上述方程組得：

34、

35、qi表示若干個計算結果，其中m和n共有種組合形式，能夠計算得到個值，求取平均值即得到最終的q值如下所示：

36、

37、在求得q值的基礎上，將作為變量組合，利用線性最小二乘擬合得到ik1的值。

38、進一步的，步驟s5具體步驟如下：

39、在測量過程中在待沖壓板帶表面涂敷油膜，利用標定得到的測量系統的常數參數，根據探測器接收到的透過圓形參考信號窗口的光強的值，六個待測油膜厚度dxi的計算式如下所示：

40、

41、在測量系統中探測器將接收到的紅外光轉化為電壓輸出，最終得到的是電壓值并非光強量值；光強表示為單位面積的光功率，單位為w/m2，電壓與光強的轉化關系表示為：

42、v＝r·po＝r·i·s

43、式中，r為探測器的光響應度，i為探測器接收到的光強，s為探測器感光面積；則dxi表示為：

44、

45、式中，vmean為探測器輸出的圓形參考信號窗口光強信號對應的電壓值，vk1為常數參數ik1對應的電壓值；dn為第n個圓形參考信號窗口內密封的待測油液樣品的厚度；n＝1.2…6；

46、將上式計算所得六個厚度值取平均，所得最終的待測油膜厚度dx如下所示，相比于單個計算值具有更高的精度和可信度；

47、

48、進一步的，六個圓形參考信號窗口內密封的待測油液樣品的厚度范圍為50-100μm。

49、與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：

50、1.測量精度高，抗干擾能力強：本發明基于待測油膜對特定波段紅外光吸收特性的光學測量方法，結合朗伯比爾定律，通過多點差分吸收算法減少了電學測量方法的電磁干擾問題及超聲測量方法的機械振動影響，顯著提高了測量精度和環境適應性。

51、2.多點差分算法簡化標定流程：通過在濾光輪盤中封裝多個已知厚度的參考油膜樣品，測量系統可以同時完成標定和測量，避免了額外建立標定標準源的需求。多點差分算法直接計算部分待求解參數，將非線性擬合轉化為線性擬合，減少了標定參數數量，簡化了標定流程并提高了擬合精度。

52、3.雙光源共光路設計統一系統誤差：測量系統采用雙光源共光路反射吸收結構，將多點測量結構集成在測量系統內部，使得測量系統誤差、器件及環境干擾引起的所有誤差統一為公共誤差，通過單次標定即可獲取測量系統參數，避免了對參考信號的單獨測量，從而簡化了測量流程并減少了因參考信號測量產生的誤差。

53、4.基于相關濾波的信號調制提高信噪比：濾光輪盤通過將光信號調制為固定頻率，便于后續濾波及信號采集。結合相關濾波設計，有效降低了工業現場環境噪聲對信號采集的影響，顯著提高了測量系統的信噪比。

54、5.實時在線測量，適應多種環境：系統通過標定獲取的關鍵常數參數，實現了待測油膜厚度的實時在線測量，可在工業流水線環境中穩定運行，滿足高精度和快速測量需求。系統還適用于其他薄膜厚度的測量場景。

55、6.測量結果穩定且精度高：本發明通過差分算法計算多個厚度值，并取平均值作為最終結果，消除了單次測量中的隨機誤差，驗證過程簡單，易于實現，測量精度高，進一步提高了測量結果的穩定性和可靠性。

56、7.應用前景廣泛：本發明設計的測量方法不僅適用于汽車車身沖壓加工過程中板帶表面油膜厚度的高精度測量，同時可擴展應用于其他工業薄膜厚度的非接觸測量，為不同領域提供可靠的技術支持?？梢詽M足任何面積較大的沖壓件表面油膜厚度測量的需求，在除油膜外其他薄膜厚度測量需求中也有很好的應用前景。