基于双窄带近红外透射的薄膜厚度与含水率检测方法与流程

本发明属于近红外光谱检测与信号处理，具体涉及基于双窄带近红外透射的薄膜厚度与含水率检测方法。

背景技术：

1、近红外光谱技术具有非接触、快速、无损及适于在线应用等优点，在材料组分分析与水分检测中得到广泛应用。对于透射式近红外检测，测量信号通常为透过样品后的光强，受样品厚度、材料本体吸收、水分吸收以及微结构散射等多因素耦合影响。尤其对于微孔薄膜、涂布膜或表面纹理明显的材料，散射与走带工况变化会使透射信号产生显著波动，从而对水分敏感波段的吸收特征造成叠加干扰，导致含水率估计出现偏差。

2、从物理机理上看，对于材料与水分混合且近似均匀的薄膜，在波长处透射强度可近似满足beer-lambert定律形式：

3、；

4、其中，为参考光强，为材料线性吸收系数，为水分吸收系数，为薄膜厚度，为水分含量（质量分数），在工程实现中，通常以对数形式定义吸光度，以减弱光源漂移对结果的影响，为便于标定和差分处理，以下对数表达式中的吸收系数由上述自然指数式中的对应系数除以ln(10)后重新定义，为简化记号仍沿用原符号，均采用十进制吸光度系数：

5、；

6、然而在工业现场，除吸收项外，透射信号还常受到散射损耗、界面反射及微孔导致的等效光程变化影响。工程上可将其等效并入吸光度表达式：

7、；

8、其中为散射等效衰减系数（与孔结构/纹理、接收视场与对准状态有关），为界面反射及系统基线项（可随污染、褶皱或入射角变化而漂移），因此在透射检测中，厚度变化与散射/基线变化会引入水分敏感波段的“伪水分变化”，而水分变化也会反过来影响厚度通道吸光度，使厚度输出存在残差误差；若缺少解耦补偿机制，将导致含水率与厚度输出不稳定、难以满足高速高精度检测需求。

9、现有解决方式通常包括：

10、（1）依赖外部厚度测量（激光位移、白光干涉、接触测厚等）以分离厚度与水分影响，但系统成本高、装配维护复杂且在线对准困难；

11、（2）通过机械限厚或夹持结构缩小厚度变化范围，但会引入接触污染、张力扰动或无法适配多规格薄膜；

12、（3）采用全谱光谱仪并通过多变量建模“吸收散射一体拟合”，但数据量大、计算延时高、对模型迁移与现场漂移敏感，不利于高频实时输出与低维护运行。

13、基于此，本方案提供了基于双窄带近红外透射的薄膜厚度与含水率检测方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于双窄带近红外透射的薄膜厚度与含水率检测方法，能够实现薄膜厚度与含水率两个参数的同步在线检测。

2、本发明采取的技术方案具体如下：

3、基于双窄带近红外透射的薄膜厚度与含水率检测方法，包括：

4、在薄膜的走带方向上同步获取两个中心波长不同的近红外窄带透射信号，其中一个波段为水分弱吸收基准波段，另一个波段为水分强吸收波段；

5、对水分弱吸收基准波段和水分强吸收波段的透射信号分别进行暗电流扣除与空载归一化处理，得到透射率，并基于透射率转换得到吸光度特征；

6、提取水分弱吸收基准波段的吸光度特征作为厚度相关参数，并通过干膜标定建立厚度相关参数与薄膜几何厚度的映射关系，输出薄膜厚度值；

7、提取水分强吸收波段的吸光度特征，并将厚度相关参数作为补偿变量引入水分计算中，通过双波长差分消除材料厚度变化及散射干扰对水分吸收特征的耦合影响，解耦输出薄膜的含水率；

8、输出同步检测得到的薄膜厚度值与含水率值，并结合双通道信号的一致性及波动状态对异常工况进行识别与标识。

9、在一种优选方案中，所述获取两个中心波长不同的近红外窄带透射信号的步骤，包括：

10、采用双路近红外光源分别透过对应的窄带滤光片，输出对应中心波长的近红外光；

11、照射到正在运动的待检测薄膜后，由薄膜另一侧对应的光电探测器同步接收透射光能量，将光信号转换为电信号输出，得到两个中心波长对应的近红外窄带透射信号。

12、在一种优选方案中，所述吸光度特征的输出过程，包括：

13、在无样品空气条件下采集得到参考光强，在遮光条件下采集得到暗电流信号；

14、将对应波段的实测透射信号与暗电流信号进行差分处理，得到消除暗电流影响的净透射光强；

15、对参考光强与暗电流信号进行差分处理，得到消除暗电流影响的净参考光强；

16、对净透射光强与净参考光强进行比对，输出对应波段的标准化透射率；

17、对标准化透射率取对数的相反数，得到各波段的吸光度特征。

18、在一种优选方案中，所述提取水分强吸收波段的吸光度特征，还包括构造水分相关特征的可选形式：

19、水分相关特征直接设置为强吸收波段吸光度幅值；

20、取强吸收波段吸光度与基准波段吸光度的差值为水分相关特征；

21、取水分弱吸收基准波段和水分强吸收波段的透射信号的比值为水分相关特征。

22、在一种优选方案中，所述通过干膜标定建立厚度相关参数与薄膜几何厚度的映射关系，输出薄膜厚度值的步骤，包括：

23、准备覆盖测量范围的多个不同厚度的干膜样品，采用接触式测厚仪获取各个干膜样品的参考厚度值；

24、以水分弱吸收基准波段的吸光度为自变量、以参考厚度为因变量进行拟合，获得拟合系数；

25、在线运行时将基准波段吸光度代入拟合关系输出薄膜厚度值。

26、在一种优选方案中，所述含水率的输出步骤，包括：

27、将厚度相关参数作为补偿项，从水分强吸收波段提取的水分相关特征中扣除厚度相关参数的线性加权值，并输出为水分特征；

28、将水分特征与标定含水率进行拟合，建立厚度补偿后的水分特征与实际含水率的映射关系；

29、在线运行时代入提取的水分特征直接输出对应的薄膜的含水率。

30、在一种优选方案中，所述含水率的输出步骤，还包括：

31、利用不同厚度的干膜样品，以水分强吸收波段吸光度为横轴、水分弱吸收基准波段吸光度为纵轴进行线性拟合，获得材料非水成分在两波段的吸收系数之比；

32、将吸收系数之比与强吸收波段吸光度进行乘积运算，得到基准波段吸光度对强吸收波段吸光度的贡献值；

33、将贡献值从基准波段吸光度中进行扣除，得到对应水分吸收的净吸光度；

34、将净吸收光度通过标定系数映射为水分面密度，并结合薄膜厚度值与材料密度换算得到含水率。

35、在一种优选方案中，所述薄膜厚度值和含水率的输出过程，还包括适用范围判定与迭代解耦，通过预设含水率上限值，当在线测得含水率超过含水率上限值时输出告警，并启用迭代解耦流程，具体包括：

36、由基准波段吸光度得到初始厚度值；

37、由净吸收光度得到水分面密度并换算得到初始含水率；

38、从基准波段吸光度中扣除水分贡献得到校正吸光度，更新薄膜厚度值；

39、重复由校正更新后的薄膜厚度值重新计算水分贡献，更新水分面密度与含水率结果，直至薄膜厚度值与含水率收敛，输出最终的薄膜厚度值与含水率。

40、在一种优选方案中，所述结合双通道信号的一致性及波动状态对异常工况进行识别与标识，具体包括以下判据：

41、任一波段的透射率超出预设的饱和或欠量程范围；

42、透射率的短时方差以及跳变幅值超过预设阈值；

43、双通道的比值或净吸收光度与历史统计特性偏离；

44、连续多个采样点出现异常触发报警；

45、对判定为异常的数据执行降权、剔除或标记无效处理，并记录事件用于维护诊断。

46、本发明还提供了，基于双窄带近红外透射的薄膜厚度与含水率检测系统，使用上述的基于双窄带近红外透射的薄膜厚度与含水率检测方法，包括：

47、信号分类模块，用于在薄膜的走带方向上同步获取两个中心波长不同的近红外窄带透射信号，其中一个波段为水分弱吸收基准波段，另一个波段为水分强吸收波段；

48、特征提取模块，用于对水分弱吸收基准波段和水分强吸收波段的透射信号分别进行暗电流扣除与空载归一化处理，得到透射率，并基于透射率转换得到吸光度特征；

49、厚度输出模块，用于提取水分弱吸收基准波段的吸光度特征作为厚度相关参数，并通过干膜标定建立厚度相关参数与薄膜几何厚度的映射关系，输出薄膜厚度值；

50、含水率输出模块，用于提取水分强吸收波段的吸光度特征，并将厚度相关参数作为补偿变量引入水分计算中，通过双波长差分消除材料厚度变化及散射干扰对水分吸收特征的耦合影响，解耦输出薄膜的含水率；

51、工况识别模块，用于输出同步检测得到的薄膜厚度值与含水率值，并结合双通道信号的一致性及波动状态对异常工况进行识别与标识。

52、本发明取得的技术效果为：

53、本发明无需预先测量厚度即可对含水率检测进行厚度或散射补偿，适配厚度变化范围较大的透射在线场景，单次透射测量同步输出厚度与含水率（或水分面密度），提高检测效率并降低多设备对准与耦合误差，通过材料吸收比值的双波长差分消除或厚度参数补偿，显著降低厚度变化与散射变化引起的含水率漂移，提高长期稳定性，提供参考光强重标机制、误差来源控制与适用范围判定策略，使方法可与具体材料、设备与工况边界绑定，便于工业现场部署与维护，可结合异常识别与有效性标识输出，提高走带褶皱、边缘漏光、污染等复杂工况下的可靠性。