专利名称：干涂层厚度测量方法和仪器的制作方法
干涂层厚度测量方法和仪器本发明的背景本发明涉及在基底表面上涂层的厚度的测量方法和使用这些方法的仪器。该发明特别但不仅仅应用于持续性或间歇性、基本上实时的干涂层厚度的测量，而涂层在涂装生产线上被施加在基底上。本发明的领域涂料在种类繁多的货物和产品的制造和加工中施加，这些产品包括金属板材和卷材，木地板，汽车，飞机，栅网，玻璃，包装，等等。在金属板材和卷材领域，基底通常是镀锌钢，铝，不锈钢，或锌合金涂层钢材，包括铝锌涂层钢和镁锌涂层钢。有可用来测量这些产品上的涂层厚度的设备，以避免昂贵的涂层材料的浪费，并确保成品的质量。这些设备包括磁传感器，超声波传感器，和诸如市售的DJH仪表系统(DJH 设计公司，奥克维尔，安大略�。幽么�)的机械-光学设备。该系统涉及机械地钻一个浅的弧坑穿过带涂层的表面进入位于下面的样品基底。样品然后放置在显微镜下，在高分辨率显示器上观看弧坑，以确定涂层厚度。类似地，通过从带涂层的产品切割下来的样品取断面，并在高放大倍率下观看样品来确定涂层厚度。其他方法包括使用千分尺来测量带涂层的物件厚度，剥离涂层，重新测量物件，并计算两个读数之间的差异，从而计算涂层厚度。然而，这些技术的精确度有限，或他们耗费时间和劳力。此外，他们没有在涂覆过程中测量或监控涂层厚度。在过去激光也被用于涂层厚度测量，例如，美国848785 (EP 2 031347A1)中所描述的。这涉及到在涂覆之前，使用激光传感器来测量基底的尺寸，并在施加/沉积涂层过程中监视涂层厚度，以确定涂层沉积过程的终点。类似地，美国2005/01378 介绍了利用激光位移传感器在基底表面涂上涂层前后测量距离基底表面的距离的厚度测量系统。美国5757498描述了光喷涂监控系统，其采用激光位移传感器和数据采集系统来监测喷枪操作者的涂料施加技术，并确定涂层厚度。该系统包括2个激光器，装在喷枪本身上，其中之一用于测量到基底的距离，另一个用于在涂层被施加到基底上的时候测量到湿的涂层表面的距离。美国609M19描述了采用短脉冲激光在基底上的湿或干的涂料膜中产生超声信号，并采用检测激光来检测涂料膜中感应的超声信号引起的涂料膜表面的细微运动的涂层厚度测量系统。干涉仪用来记录检测激光的激光脉冲频率调制信号，以确定薄膜的厚度，涂料膜的谐振与其厚度直接相关。美国6120833描述了一个系统，用于测量涂层厚度，其利用电感式传感器、电容式传感器来的信号测量在支撑辊上运动的基底上的涂层厚度。美国5409732描述了调节施加到网状基底上的湿涂层厚度的方法。该系统采用光密度传感器来测量网上涂层厚度的周期性变化。自动控制器分析来自传感器的信息，并调整计量杆和基底表面的间隙，以去除施加到网状基底的多余涂层。光密度传感器的替代品包括测量计和电容式测量传感器，或合并的网状基底和涂层厚度的物理测量。
发明内容
概括地说，本发明涉及测量和/或监测施加到基底的涂层厚度的仪器和方法。使用传感器装置来测量到一个涂层表面的至少一维数值，和到至少一个参考面的至少一维数值，以确定涂层厚度，涂层厚度使用测量的维度数值来计算。具体说，在本发明的一个方面，提供施加到基底表面的涂层的厚度的测量仪器，包括涂层去除装置，用于去除一些涂层，部分暴露基底表面；传感器装置，用于发射信号和检测从涂层表面和基底的暴露的表面反射的信号， 以生成一个或多个数据组，数据组包括表明涂层表面的位置和基底的表面的位置的数据， 传感器装置设置成，远离涂层与基底，适于在基底和传感器装置之间相对运动时检测从基底表面反射的信号；和处理由传感器装置生成的数据组的处理装置，以确定在基底上的涂层的厚度。在本发明的另一个方面，提供施加到基底表面的涂层的干厚度的测量方法，包括提供用于发射信号和检测从涂层的外表面和基底的表面反射的信号的传感器装置，以生成一个或多个数据组，数据组包括表明涂层表面的位置的数据和表明基底的表面的位置的另外的数据；去除一些涂层，部分暴露基底表面；在基底和传感器装置之间相对运动时，使用传感器装置来测量涂层表面和基底的暴露的表面的位置，从而生成数据组，传感器装置远离涂层与基底，并用于发射和检测信号；以及处理由传感器装置产生的数据组，以确定涂层厚度。通常，涂层表面和基底表面中的至少一个的位置是在涂层和/或基底的多个不同的地点上测定的，以确定涂层的厚度。通常，通过部分切除涂层，在涂层中形成至少一个腔，基底表面在腔中被暴露，腔内的基底表面的位置被测量。通常，邻近形成在涂层中的一个或多个腔的涂层表面的位置被测量。通常，表明涂层表面的位置和腔的底部的基底表面的位置的测量值被作为一个单一的数据收集，表明腔的底部的位置数据可以作为单独的数据获得，这些数据用于涂层厚度的计算中。尤其是，涂层的表面(如邻近各个腔)的位置可能基于一系列表明那个位置的测量，并可以处理这一系列的测量，以确定/计算基准线(也就是说，零值)。将参考线转换为具有零值的数学方法是众所周知的。数据处理可以利用任何合适的回归或其他形式的分析 (例如，线性回归分析)。可定位参考线，或向上移动或向下移动(例如，在数据生成时)，以更好地反映涂层表面的实际位置，优化涂层厚度的测定。涂层厚度的测量可以发生涂层的去除之后或大致与去除涂层同时进行。涂层厚度的测量，可以在带材生产速度最高达每分钟300米，或者15米每分钟或更低时进行。实施本发明的仪器和方法可用于监测在涂料施加工序期间(如生产运行期间)施加到基底的涂层的厚度。也就是说，干燥的涂层厚度可在基底的涂覆期间测量，而该测量值与预定的目标参考厚度相比。在测量的涂层厚度与目标厚度不同时，涂覆工序中的一个或多个参数可以被调整，以修改被施加到基底的湿的涂层的厚度，以减少干燥的厚度和目标厚度之间的差异。因此，实施本发明的方法可以进一步包括选择涂层参考厚度；比较测得的施加到基底表面的干燥的涂层厚度与参考厚度；调整施加到基底的湿的涂层的厚度，以减少测得的干燥的涂层厚度和参考的厚度之间的差异。通常，传感器装置的位置(例如，高度)相对于涂层表面和基底表面保持基本不变，以生成本发明的方法中的各自的数据组。在一些实施例中，传感器装置相对于基底移动。在其他实施例中，基底相对于传感器装置可移动。实施该发明的方法可能还包括确定从涂层和/或基底表面到传感器装置(例如，一个或多个位移传感器)的优化距离，以产生表明涂层表面位置与基底表面的位置的数据组；如果传感器装置的位置与确定的优化距离不同，移动传感器到距离涂层表面和/ 或基底表面的优化距离；在传感器装置位于到涂层表面和/或基底表面的优化距离时，生成数据组。在上述背景下，优化距离可以包括一个距离范围。在本发明的至少一些实施例中，从涂层和基底表面反射并被传感器装置检测的信号是电磁辐射信号，可以是任何合适的波长。反射信号可以是连续或脉冲信号。一般来说， 信号是光束；通常，是激光光束。通常，本发明的仪器和方法中利用的传感器装置包括或由以下构成至少一个位移传感器，以测量到基底表面和涂层表面中的至少一个的距离。也就是说，分开的位移传感器可用于测量到基底表面的距离和到涂层表面的距离，或者两个测量都可以通过相同的位移传感器测量。通常，使用一个位移传感器。位移传感器可以扫描基底，以测量横跨基底或沿基底的不同位置的涂层厚度。应当理解，在一些实施例中，表明基底表面在该表面的多个不同的地点的位置的数据可取得，由该数据计算得到单一的参考表面数值。形成各个数据组的数据可包括离散的基底表面和涂层表面的位置和/或这些表面一个或两个的平均位置的测量值。预定目标参考涂层厚度可以是一个具体的厚度值或厚度范围。应当理解，被测量的涂层厚度可通过对比表明基底表面的位置的数据和表明涂层表面位置的数据之间的差异来确定。涂层厚度可按照本发明的实施例在任何认为合适的基底上确定。虽然基底可以是任何工业涂装工序涂覆的制成品，通常，基底是板材，如金属带(如钢板)，带有或不带现有的耐腐蚀(例如，合适的金属合金)涂层。此处使用的术语“涂层”包括一个或多个涂料层组成的复合涂层。该涂料是任何按照本发明的仪器和方法可确定其厚度的涂料，并可从以下选择油漆(paint)，天然漆 (lacquer)，清漆(varnish)，塑料溶胶，水性浆料，聚合物涂层，热熔涂层，熔融的聚合物涂层，无机化工涂料，转化膜，预处理涂层，金属涂层(如锌或锌合金涂层)，和微粒涂层。当涂层是一种漆的涂层，它可以例如包括底漆，内层漆，面漆，清漆，封闭底漆，或一个或多个上述的组合。有利的是，本发明的一个或多个实施例允许在生产过程中调整施加到基底的涂层厚度，从而在涂层被施加到基底时，使涂层厚度的变化减少和/或厚度保持大致恒定，或位于预定的目标参考厚度范围内。可以理解，这不仅可以提供在基底上更均勻的涂层，而且特殊涂料的整体体积显著减少，从而相应的生产成本和能源可能节约。从下面的详细描述的本发明的典型实施例和附图中，本发明的特点和优势将进一步显现。
图1是一个示意图，显示实施本发明的测量在基底上的涂层的厚度的测量仪器；图2是一个示意图，为用于涂覆金属带的辊涂施加器；图3是一个用户界面在线图示，显示表示施加到带钢基底的油漆涂层厚度的图形。
具体实施例方式下面的描述，说明了一个按照本发明的方法的油漆涂层测量。然而，同样的原则也适用于其他类型的涂层测量。在本发明的方法中被施加涂层的基底可以是金属带材，如镀锌钢带，或锌合金涂覆的钢带，包括铝锌及锌镁合金涂层钢条。钢基底以及金属涂层的厚度都可以表现出显著的厚度变化，它可以发生在短、中期或长期的距离，从微米到米。这种底层基底的厚度变化是造成涂层过程中动态测量涂层厚度困难的多个因素之一。图1显示了激光位移传感器2的形式的传感器装置，其安装在扫描台4上，扫描台横跨基底6，基底6带有油漆涂料8。在这种情况下，涂层基底6在另一个台10上安装到位。 涂层8中的形成为槽12的腔被涂层去除装置切除，涂层去除装置包括划线器(未显示)， 其彻底去除涂层整个厚度，暴露基底表面。本实施例的基底是金属板带材。划线器(或至少划线器的切割尖)由比基底软的材料(如铜)制造，基本上没有基底材料被划线器去除。 当位移传感器2横跨涂层基底6时，位移传感器2的激光发射器/激光源发出如数字14所示的激光束，以测量位移传感器(未显示)与涂层表面8和基底6的暴露表面(即，本实施例的参考面)两者之间的距离。激光/光束反射离开涂层的表面和暴露的基底表面，产生反射束，由数字7表示，各个反射束由位移传感器2的激光传感器组件检测。可替代的，不依赖激光或者使用激光的非接触式传感器装置可以使用。激光传感器检测反射激光，生成数据组，数据组包括表明涂层表面位置的数据和表明基底表面的位置的进一步的数据。这些距离的测量值最小在对应于完整的涂层厚度的区域，最大在没有涂层厚度的凹槽12的底部上。涂层厚度然后通过处理装置计算，在无涂层区域(凹槽底部)和完整涂层(即涂层表面)区域的测量值进行比较，得出差，通常由从后者减去前者得到。处理装置可为有效处理数据组的合适的编程计算机。可以理解，确定涂层厚度的数据组可以通过相对于发出的激光移动涂层基底来获得，反之亦然。该数据组可以经过数学处理来平滑代表涂层表面和/或腔的底部的位置的数据。
涂层的沟槽，孔或坑的深度轮廓，(在不同的时间)被传感器装置测量，产生代表涂层表面和坑的轮廓的高度/位置测量值的序列数据的数据组。坑底部表示被施加涂层的表面。为了描述处理装置如何处理数据，并确定数据的零线或基准线，这种表面(依次为涂料和坑)，将被称为“轮廓”。沿轮廓的测量等距纵向沿代表轮廓的测量线的直线进行。轮廓数据组被分析，对应于坑形貌两侧的涂料表面的数据被确定，并被视为一个子集，称为油漆表面子集。这种漆表面子集将采取相当直线的形式，绕轴线有一定的分散程度。此轴线可以被用来作为临时参考平面，由已知的数学数据分析技术(如线性回归分析)，其斜率可以很容易地确定。获得的斜率用来正规化(normalize)整个的轮廓数据组， 以提供一个零平均斜率的数据组。正规化轮廓数据组可以进一步变换，使油漆表面子集的平均值为零，但是这不是涂层厚度的计算的根本。因为坑高度值落在周围的油漆表面的值以外，可确定每个坑的位置。每个坑的峰值，然后从正规化轮廓数据组提取(通过发现与周围的表面数据组偏差最大的数据值)，这个值被从正规化的油漆表面子集的平均值减去，得到该坑地点处的涂层厚度。表面子集的实际值可有选择地根据绕临时参考线的分散量调整(因为实际的涂层表面具有由于涂层表面粗糙度而引起的微小起伏，被选择作为平均表面位置的实际位置可以是主观的)。使用这种方法，可以在每个坑地点测量涂层厚度，一系列点厚度的平均值可确定。虽然在上述实施例中涂层使用划线器被去除，其他各种装置/方法可用于去除一些涂层，以暴露基底表面，如用化学方法(例如，化学或化学成分，其去除涂层，但本质上相对于基底是惰性的，如甲基乙基酮(methyl ethyl ketone，MEK)，或如二氧化碳(消融)激光束的激光。当如上所述使用划线器或其他类似的涂层清除工具去除一些涂层，通常通过弹簧加载的机构或其他合适装置被偏置而与涂层基底接触，以在划线器和涂层基底之间施加受控的压力。划线器或其他类似的工具的用来除去涂层的切割头可以有一个椭圆形的横截面，或一个部分的圆形或部分椭圆形的横截面。该横截面可以包括一个大致直线的部分。划线器/工具可以是本发明的涂层厚度测量装置的一体的组成部分。至少在一些实施例中， 涂层去除装置可以包括以受控制的速度移动划线器或其他刀具在涂层中形成凹槽的装置。在其他实施例中，凹槽(或本文所述的其他腔)可在涂层基底的生产过程中在涂层基底经过消融激光器时形成在涂层中。也就是说，涂层(如油漆)被施加到基底，通过固化或加热涂层干燥，然后在下游去除一些干燥的油漆，以基本暴露基底表面，允许对干油漆厚度的测量。当划线器或者类似的刀具用于在涂层中形成凹槽时，刷或空气流可被用来除去涂层削片。不同的材料有不同的激光烧蚀(消融)阈值。因此，使用足够功率(例如，峰值强度)的入射激光消融涂层，可以暴露下层基底的表面而无基底材料损失或损坏基底。也就是说，使用消融激光器去除涂层，而不是基底，需要利用涂层与基底的不同烧蚀阈值。可以理解，只有当涂层烧蚀阈值小于基底的烧蚀阈值时这才有用。这样暴露的基底提供了涂层厚度测量和确定的参考表面/位置。由于金属基底厚度可以有大的变化，这种方法产生可靠的结果，基本上与基底厚度变化和涂料类型无关。因此，根据本发明的干涂层厚度测量的方法和装置可不需要校准涂料或基底类型。使用激光(消融模式和/或测量涂层厚度的目的)允许在带钢板(即基底)以超过每分钟200米的高生产速度运行时进行涂层烧蚀和涂层厚度测量。激光可以是提供短能量脉冲烧蚀涂层的脉冲激光。这在涂层中产生一系列洞， 坑或腔。例如，涂层在基底上固化或者干燥后，涂层的一个小部分在小于1平方毫米的面积上通过使用二氧化碳消融激光器被去除。通常，在本发明实施例采用的CO2消融激光器的输出功率在约10瓦和100瓦之间的范围，更通常，在10瓦和60瓦之间的范围。最典型的是，一个25瓦-60W的(X)2激光器被采用。为了描述的目的，在涂层中的腔被称为一个洞 (坑)。这个洞是在基底(涂层钢带)以生产速度运行时产生的。涂层去除完全下到金属基底表面，但基本上没有去除任何基底。孔底部(即孔内基底表面)的位置和紧邻该孔的涂层表面(相当于孔上方)位置的测量是这样实现的投射激光束，使孔随金属带的运动穿过激光束，并检测从涂层表面和如上所述孔内暴露的基底表面反射的激光束。生成的数据组包括表明在孔的顶部涂层表面的位置(即到激光传感器的距离)的数据和表明孔底部的位置(裸露的基底表面)的数据，数据组被再次处理，计算涂层厚度。一个不是激光传感器的传感器可用于测量孔深/涂层厚度，例如共焦光传感器可被采用。涂层的表面和孔的测量一般在传感器的频率至少为2. 5kHz或更高，通常至少约 10千赫，30千赫或50千赫，最通常的是，在至少10千赫-IOOkHz的范围内进行，使产生高采样率(例如，高达10万次每秒或更多)。使用本文所述的消融激光器在涂层中形成的孔一般直径或宽度约300微米(即0.3毫米)，250微米或150微米或更小。通常，孔的直径或者宽度，名义上是约100微米和300微米之间，一般约为180微米。沿着和横跨移动带的涂层厚度值可利用这种方法得到，即采用处理装置获得基底上涂层厚度的特征。涂层厚度的特征数据，然后被用于控制在处理线上游的涂覆工序的一个或多个参数，以减少任何涂层厚度的测量值和目标参考涂层厚度值之间的差异。测得的厚度值也可以用来为位于油漆涂布机(例如，辊式漆施加器)上的仪器校准或提供参考数值，该仪器被设置来测量由涂布机/施加器施加到基底的湿油漆的厚度。通常，由传感器检测到的涂层表面和/或暴露基底表面反射的激光由与用于烧蚀涂层的激光器分开的单独的激光源提供。在连续涂层工序，特别是对展开的钢带的涂覆工序中，生产线可设有一个或多个蓄能器，例如，分别包括多个辊，带绕这些辊通过，其中，辊中交替的辊移动离开其他辊，在张力下拉带材，形成蛇形般的造型，带材保持这种形式，直到它从蓄能器通过，辊移动回到原来的位置，准备接收涂层基底的下一个带材。这种蓄能器系统是本技术领域众所周知的。 在一个特别的优选实施例中，该生产线可配备两个蓄能器，一个在涂覆工位前，另一个在干燥涂层的干燥/固化炉后。这使得允许新的基底卷材被加载到生产线的入口端，成品卷材 (通过再卷涂层基底得到)在生产线的出口端被移去，而基本上没有中断涂层工序。至少在一些实施例中，干涂层厚度可以在固化/干燥炉之后带材被蓄能器保持暂时静止时确定。例如，可以使用消融激光，至少在横跨带材的一部分上形成一个横沟槽或一系列腔，以暴露基底表面。表明涂层表面和基底表面位置的数据，然后可以使用位移传感器产生，如上所述。消融激光(或其他涂层去除装置)和位移传感器可以安装在托架或平台上，横跨带材，在涂层中形成槽或腔，生成数据。通过这种方式生成的数据，可确定涂层至少一部分(最好是基本上整个带材宽度)的厚度轮廓。在测量的涂层厚度不同于目标参考厚度的情况下，上游涂料施加器的运行参数可以进行调整，以校准被施加到带材的涂层厚度。
上面介绍的方法和仪器也可应用于涂料已干燥后从生产线中去除的涂层基底的样品的涂层厚度测量。也就是说，被测量的涂层厚度可以是从涂层产品切割的基底样品上的干涂料膜的厚度。在这种情况下，样品固定在位，涂层被部分去除，随后激光扫描/检测以得到涂层厚度的特征。此外，如上所述，至少在一些实施例中，激光光源(例如，消融激光)和激光传感器可以被组合成一个单元。监测和/或控制施加到例如带钢板的基底的涂料膜厚度的装置，参考图2进行描述如下。图2显示辊涂施加器22。辊涂施加器22包括精密金属漆拾取辊M (又称计量辊)，被设置从油漆托盘沈拾取油漆，将油漆转移到反向旋转的涂覆辊观，涂覆辊观的外涂覆/接触面由聚氨酯(或其他合适的塑料或橡胶类材料)形成。该涂覆辊观将涂料施加到基底上，在这种情况下， 基本平的钢带30被涂覆锌铝保护涂层，产生涂层钢板32。钢带由预卷绕的带材卷(未显示)展开，在张力下绕支持辊34馈送，使得带材30的位置基本上是恒定的，以便由涂布辊将涂料施加到带材。为了施加油漆，油漆施加器移动使得涂覆辊观接触移动的钢带，或支持辊移动，使钢带接触涂覆辊。虽然在所示的实施例中，提供了油漆托盘，其他任何合适的提供油漆到拾取辊M的方法可以利用。在涂层过程中，通过使得被涂覆的钢带部分经过位于生产线的辊施加器或者其他适合的施加涂料到基底的装置的下游的紫外线或电子束固化工位，或设置在所需的温度的加热或干燥炉，油漆(或其他涂层)可以被干燥，凝结，固化。有许多辊涂施加器结构，使用不同的辊布局。然而，这些辊涂施加器的调整以改变湿涂层厚度，在基底上提供所需的干漆厚度是本领域公知的技术。例如，减少涂覆辊观和拾取辊M之间的接触压力，将导致更高的薄膜厚度，增加或减少拾取辊M和涂布辊观相对于另一个的旋转速度。也就是说，通过拾取辊24转移到涂覆辊观的油漆层的厚度与拾取辊M和涂覆辊28的相对旋转速度成正比。特别是，一旦辊涂施加器22的辊M，26的一个上的油漆厚度确定后，辊M，26的另一个上的相应的油漆厚度(以及施加到带材30的油漆厚度)可以使用本领域已知的公式得到。在这方面，涂料通过两辊之间的夹挤点计量，这些辊之间在夹挤点出口侧的油漆涂料分开(“分裂”)。两辊之间油漆厚度的分裂与每个辊的相对旋转速度成正比，如上所述，并在某些情况下，通常只轻微地被辊表面粗糙度影响。而且，施加到带材30的湿油漆涂层厚度是带材速度/涂覆辊观的旋转速度的函数，湿油漆的施加到带材的厚度可以例如通过增加涂覆辊观的旋转速度而增加，或通过减少带材的速度而增加。用以界定这种涂层的厚度和速度的关系的公式也是公知的。因此，油漆施加器的涂层参数设置可以按需调整，以便修改拾取辊M或涂布辊28 上的湿涂料膜厚度，以对应于在基底上的目标干涂料膜厚度。例如，本发明的自动化涂层厚度测量系统中软件的逻辑会比较确定的干涂料膜厚度和所需的目标干膜厚度。如果没有什么区别(规定允许的公差范围)，不采取任何行动， 在预定的时间间隔后重复测量和比较。如果检测到与目标厚度的区别，一个或多个干涂料膜的进一步的测量要进行，并比较。如果与目标厚度的差异仍然存在，辊涂施加器的控制参数被调整，以改变施加到基底的湿油漆涂层的厚度。涂层厚度值的测量和比较的过程在整个涂层过程中反复进行。
为各个施加的涂层，干燥周期(如温度和干燥时间)和干燥方法(例如，近红外线辐射(IR)或中红外辐射，感应加热，催化剂驱动，对流或强制对流加热，等等)被选定。用于本发明实施例中的各个位移传感器可以独立地是任何认为合适的非接触传感器，并采用可见光谱内或外的(例如，红外线波长)连续或脉冲电磁波，提供反映参考表面位置和涂层表面的位置的数据。位移传感器本身可包括处理装置，处理所生成的数据或者传输数据到处理装置 (例如，电子表格或一个合适的软件程序)，以处理数据。用于有关涂层厚度测量中的各个位移传感器，可以有一个高达士5毫米和更通常的是，士2毫米或士 1毫米的测量范围。例如，具有士 1毫米的测量范围，为产生测量数据，到涂层表面或基底表面的最佳中点距离为 25毫米的位移传感器，该传感器可以定位在距离涂层或基底从M毫米至沈毫米的范围。在位移传感器距离涂层表面或基底表面的最佳距离，由传感器发出到涂层或基底的电磁辐射(例如，激光)的射束的宽度或直径至少比在涂层中形成的腔的宽度小约阳％， 如本文所述，通常小约60 %，65 %，70 %，75 %，或80 %。例如，在腔的宽度是180 μ M的实例中，从位移传感器发出到腔内暴露基底表面上的电磁辐射束的宽度希望为25微米至30微米。对于测量范围士 1毫米、到暴露的涂层表面或基底的最佳距离为25mm以生成数据的位移传感器，如本文所述，传感器的束的宽度在测量范围在M毫米-26毫米的范围内时一般较大，通�？纱镌嘉�80 μ m。因此，有效的位移传感器的“测量区域”小于腔的宽/直径。此外，腔宽度和传感器“测量点”宽度之间的差别越大，更好的测量分辨率可获得。由于各个带材卷材的金属板基底(例如)的厚度彼此不同，固定的位移传感器的高度可能会导致从基底表面或其他有关参考面到传感器的距离不是最优的测量状态。要纠正这个问题，从参考面或每个基底到位移传感器的距离可以调整，使传感器最佳定位以便生成测量数据。至少在一些实施例中，传感器的位置可以由位置调整装置自动调整，如装有传感器的机械/电气定位座。特别优选地，由传感器本身所产生的测量，可用于确定最佳的从有关表面到传感器的位置或高度。举例来说，对于具有到基底最佳测量距离为25毫米和测量范围士 1毫米的位移传感器，到涂层基底的感应器的最佳位置为25毫米减目标参考涂层厚度。因此，对于具有100微米(0.1毫米)目标参考涂层厚度的基底，生成测量数据的位移传感器到基底的最佳距离是25毫米-0. 1毫米，等于24. 9毫米。如果在各基底表面的位置开始测量时，由传感器确定从传感器到表面的位置大于或小于24. 9毫米，从基底到传感器的位置由位置调整装置调节到大致24. 9毫米内。此外，各位移传感器可沿传感器和涂层之间的相对运动方向通过传感器的位置调整装置与腔对齐，或者由实现此目的的对齐装置来实施。通常，位移传感器与腔沿基底运行的纵向方向是对齐的。例如，如本文所述，在涂层中形成一系列对准孔时，生成表明基底表面的位置的数据的位移传感器定位成与这些孔对齐，以便通过传感器和基底之间的相对运动，一个一个地扫描每个孔内基底的暴露表面。为了帮助对齐，腔不是有一个大致圆形的轮廓，他们可能会是卵形，椭圆形或线形，其长轴取向为横向于(最好垂直)基底纵轴。在这种情况下，各腔横向尺寸一般超过0. 18毫米。同样，当腔是纵向定向槽，传感器被传感器的位置调整装置或其他对齐装置对准以沿沟扫描。一旦与腔纵向对齐，位移传感器可被锁定在这个位置上。位移传感器的纵向对齐的最佳位置，例如，可由传感器通过一个预定的参考角度扫描基底，而基底在纵向方向移动来确定。如上所述，在参考角上由位移传感器所产生的到基底表面的距离的测量可以被用于自动确定纵向对齐的最佳位置，并操作对齐装置， 以将传感器设置在该位置。至少在一些实施例中，激光传感器设置成与水平面形成一角度，以生成数据，一般，相对于水平方向从5° 20°的范围内，优选约12°。这种传感器的布局已被发现对于本文所述的在涂层中形成的腔内的反光金属基底表面和邻近腔的涂层的较少反射的表面的测量都是有用的。此外，通过这样布局位移传感器，传感器检测到更加分散的反射信号。如图3显示的电子表格图像表示施加到带钢基底的油漆涂层厚度的图形。该图是由传感器收集的数据的图像。它是通过测量涂层表面和由消融激光在涂层中形成的一系列对齐洞(坑)12内基底的外露表面的位置而获得。峰代表孔内的基底的金属表面。孔之间的涂层测量代表涂层表面。孔之间的值取平均数，以形成表明孔之间的涂层表面的平均位置的数据。代表油漆表面的数据通过使用数据的线性回归分析被变换以与零值参考线对齐。其他形式的数据处理/分析可以用来实现相同的结果。对于任何单孔，孔内的最大值(峰值位置)使用简单的逻辑来确定。特别是，一个坑也可以通过一个简单的算术测试确认。例如，在这种情况下，任何大于15微米的名义阈值的数值的数据点表示涂层中的孔。基于已知的目标涂层厚度可以选择名义阈值。大于15 微米的任何数据被认为是洞，洞中的最大值被确定和记录。预期的阈值坑宽度是已知的，或可对于任何给定的激光消融设置进行测量。代表孔的每侧上的涂层表面的位置平均值被确定。代表孔之间的涂层表面的数据的位置可以很容易地确定，因为孔的位置(间距)和宽度(直径)是已知的，或可以从数据来确定。孔之间的涂层表面的平均值可以设置为“零”， 或在目前的例子中作为参考数值。可以通过从每孔的最大孔深度值减去参考值(在这个例子中是“零”)为每个孔计算孔的深度。在沿涂层的测量点孔的深度等于涂层厚度。在每个孔处单个涂层厚度的值，然后可以沿涂层基底的截面平均。在这个例子中，平均涂层厚度被确定为5微米，标准偏差为士 2.2微米。为了计算的目的，代表基底表面的平均位置的基线，可由生成的数据得到，并用于涂层厚度的计算。然后，这个过程可以重复，以确定由消融激光产生的涂层中另一系列的下游孔的深度，以在带材或其他基底移动通过位移传感器时产生涂层深度的移动平均。通常，在本发明的方法中采用的位移传感器测量到参考面和/或涂层表面的距离，如本文所述，容差在士 1微米以内，更通常，公差在士0. 1微米内。通常，在获得确定被施加的涂层的厚度的数据组时，基底(即金属带材)以相对于位移传感器从每分钟大约10米到每分钟220米的范围内的速度移动，最通常，在约20米每分钟到每分钟200米之间的范围内。通常，油漆涂料被施加到基底的厚度在干燥时，为约40微米或更�。ǔＴ谠�20 微米至40微米的范围内，更通常约25微米。然而，油漆的厚度取决于油漆类型和最终产品的使用。例如，塑料溶胶，通常被施加到厚度大于80 μ m,而背层通常的厚度从约5至约12 微米。此外，干漆厚度测量的实施例中，本文所述，没有必要如用划线器形成沿整个涂料的连续沟来生成表明基底表面的数据。相反，如上所述，通过消融激光在涂层的预定长度上脉冲烧蚀，可以在涂层中形成一个或一系列短凹槽，或可在涂层中形成一系列对准孔。因此，在腔之间的空间中的涂层表面的位置和连续腔内暴露的基底表面的位置可以随基底的移动被测量，以确定涂层厚度。可以沿着在最终涂层基底的产品的使用中成为叠层重叠区域、或者视觉上不明显、或者在产品中不暴露、或者在终端产品的使用中不暴露的基底(例如，钢带)的侧边界形成涂层的腔(例如，沟槽，孔或坑)。通常，孔和随后的测量是在一个区域内进行的，在那里带材基本在一个稳定的位置，如在一个固定的处理/支持辊上，具有极小的偏心和支撑公差。理想的情况下，支持辊的偏心率将小于500微米，通常小于350微米。在一些实施例中，支持辊的偏心率可能低到250微米，150微米或50微米或更低。然而，在许多情况下，基底有一些基本的运动(例如，由于辊偏心，基底“反弹”，和 /或其他原因)，这不是涂层厚度的变化的反映，或涂层表面由于棱纹均勻性变化的反映。 这个基底的运动的特征是可发现的，并在生成的用于计算涂层厚度的数据的处理过程中计算在内，一般通过建立补偿基底表面的运动的基线或参考数值来实现。至少在一些实施例中，可通过处理生成的表明基底表面的数据获取基底表面在预定的参考期或距离上的平均位置，来确定基准线或参考数值。为了最大限度地减少这种基本动作，基底(例如展开的钢带)可保持在高张力下， 而确定涂层厚度的数据在基底支撑在一个或多个支撑辊上时生成，基底在支撑辊上或绕支撑辊运动。位移传感器也可以被固定安装在耐振动/冲击的平台或底座上，以保持传感器相对于涂层和衬底的设定的(例如相对于水平的)距离和角度。传感器和/或基底运动中的任何误差最小化。通常，关于位移传感器底座的坚固性和振动延迟水平使得任何意外和不希望的传感器运动基本上可以忽略不计，最好为1微米或以下，更好，约0. 3微米或更少。一般来说，本发明的方法中，在计算整个涂层厚度中使用的数据是在连续涂层工序中获得的基底给定长度上的平均值。使用平均数据，提高了数据的弹性和完整性。虽然本发明的实施例中描述，施加涂层到金属(例如，展开的钢铁)的带材，用于例如轧成屋顶或栅栏板(fencing panel)，具有波形截面轮廓(例如，瓦楞纸或锯齿轮廓)， 钢或铝带或类似的物品也可以涂覆具有受控厚度的油漆，以制造其他产品，如百叶窗板条， WMBW^^M^ii. (cool room panel) ,MTSfeiC^l (white goods and appliances) ,H 车零件的制造的板材，和无数的其他物品。此外，本发明的方法和工具/仪器可用于测量除油漆以外的涂层厚度，本发明不仅限于此。装置，如油漆/涂装生产线或辊式施加器用于施加有关的涂层到基底，包括实施本发明的仪器，或结合了本文所述的仪器，这也明确地被包括在本发明中。虽然已描述了多个实施例，本领域的技术人员应当认识到，无数的变化和/或修改可以做出而不会脱离本发明广泛描述的精神和范围。因此，本发明的实施例从各方面说都只是说明性的，而不是限制性的。
权利要求
1.一种施加到基底表面的涂层的干燥厚度的测量仪器，包括 涂层去除装置，去除一些涂层，部分暴露基底表面；传感器装置，用于发射信号并检测从涂层表面和基底的暴露表面反射的信号，以生成一个或多个数据组，数据组包括表明涂层表面的位置和基底表面的位置的数据，传感器装置设置成，远离涂层与基底，适于在基底和传感器装置之间相对运动时检测从基底表面反射的信号；和处理由所述传感器装置生成的数据组的处理装置，以确定在所述基底上的涂层的厚度。
2.根据权利要求1所述的测量仪器，其中，所述测量仪器适于在涂层和/或基底的多个不同的地点上测量涂层表面和基底表面中的至少一个表面的位置，以生成所述数据组。
3.根据权利要求1或2所述的测量仪器，其中，所述涂层去除装置适于在涂层中形成至少一个腔，传感器装置设置成检测所述腔内暴露的基底表面反射的信号，以生成所述数据组。
4.根据权利要求3所述的测量仪器，其中，所述涂层去除装置包括用于在涂层中形成所述至少一个腔的消融激光器。
5.根据权利要求4所述的测量仪器，其中，消融激光器适于在涂层中形成多个腔，所述腔形成为涂层内对齐的一系列孔或坑的形式。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的测量仪器，其中，所述数据组包括表明涂层表面位置和/或基底表面的位置的平均值。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的测量仪器，其中，所述传感器装置包括位移传感器，该位移传感器具有调整装置，用于调整位移传感器相对于涂层和/或基底表面的高度， 以便优化位移传感器的高度，以测量各所述表面的位置。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的测量仪器，其中，所述传感器装置包括至少一个发射和检测信号的位移传感器。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的测量仪器，其中，所述位移传感器设置成相对于水平面的角度在5° 20°的范围内，以发射和检测信号。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的测量仪器，其中，所述位移传感器是激光位移传感器。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的测量仪器，其中，所述传感器装置适于在基底以10米每分钟或更大的速度运行时检测从基底表面反射的信号，以生成所述数据组。
12.根据权利要求11所述的测量仪器，其中，所述传感器装置适于在基底以15米每分钟到220米每分钟范围内的速度运行时检测从基底表面反射的信号。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的测量仪器，其中，所述基底是金属带。
14.测量仪器，其中，所述金属带是钢带和铝带。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的测量仪器，其中，所述涂层是油漆涂层。
16.一种施加到基底表面的涂层的厚度的测量的方法，包括提供用于发射信号和检测从涂层的外表面和基底的表面反射的信号的传感器装置，以生成一个或多个数据组，所述数据组包括表明涂层表面的位置的数据和表明基底的表面的位置的另外的数据；去除一些涂层，部分暴露基底表面；在基底和传感器装置之间相对运动时，使用传感器装置来测量涂层表面和基底的暴露的表面的位置，从而生成所述数据组，传感器装置远离涂层与基底；以及处理由传感器装置产生的数据组，以确定涂层的干厚度。
17.本发明的方法，还包括确定从涂层和/或基底表面到传感器装置的优化距离，以产生表明涂层表面位置与基底表面的位置的数据组；如果传感器装置的位置与确定的优化距离不同，移动传感器装置到距离涂层表面和/ 或基底表面的该优化距离；在传感器装置位于到涂层表面和/或基底表面的优化距离时，生成所述数据组。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，至少有一个腔通过部分切除涂层而在涂层中形成，所述基底表面被暴露在腔内，腔内的基底表面的位置被测量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，使用消融激光器在涂层内形成腔。
20.根据权利要求16-19中任一项所述的方法，其中，涂层表面和基底表面中的至少一个表面的位置是在涂层和/或基底上的多个不同地点测量，以确定涂层厚度。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述数据组包括表明涂层表面位置和/或基底表面的位置的平均值。
22.根据权利要求16-21中任一项所述的方法，其中，所述传感器装置包括至少一个发射信号和检测从涂层表面和基底表面反射的信号的位移传感器。
23.根据权利要求16-22中任一项所述的方法，其中，在由传感器装置生成所述数据组的过程中，基底运行速度为每分钟10米或更大。
24.根据权利要求16-23中任一项所述的方法，其中，所述基底是金属板材。
25.根据权利要求16-24中任一项所述的方法，其中，所述涂层是油漆涂层。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述油漆涂层从以下构成的组中选择底漆， 内层漆，面漆，清漆，封闭底漆中的一个或多个的组合。
全文摘要
本发明提供施加到基底的涂层的厚度的测量和/或控制的仪器。实施本发明的仪器包括涂层去除装置，去除一些涂层，部分暴露基底表面。该仪器还包括传感器装置，用于发射信号并检测从涂层表面和基底的暴露表面反射的信号，以生成一个或多个数据组，数据组包括表明涂层表面的位置和基底表面的位置的数据。传感器装置设置成远离涂层与基底，适于在基底和传感器装置之间相对运动时检测从基底表面反射的信号。仪器的处理装置处理由传感器装置生成的数据组，以确定在基底上的涂层的干燥厚度。本发明还提供使用本发明的仪器测量涂层的干燥厚度的方法。
文档编号G01B15/02GK102449430SQ201080023246
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月25日 优先权日2009年5月26日
发明者乌多·W·布赫 申请人:乌多·W·布赫
专业数控铣床产品供应商
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