專利名稱：干涂層厚度測量方法和儀器的制作方法
干涂層厚度測量方法和儀器本發(fā)明的背景本發(fā)明涉及在基底表面上涂層的厚度的測量方法和使用這些方法的儀器。該發(fā)明特別但不僅僅應用于持續(xù)性或間歇性、基本上實時的干涂層厚度的測量，而涂層在涂裝生產(chǎn)線上被施加在基底上。本發(fā)明的領域涂料在種類繁多的貨物和產(chǎn)品的制造和加工中施加，這些產(chǎn)品包括金屬板材和卷材，木地板，汽車，飛機，柵網(wǎng)，玻璃，包裝，等等。在金屬板材和卷材領域，基底通常是鍍鋅鋼，鋁，不銹鋼，或鋅合金涂層鋼材，包括鋁鋅涂層鋼和鎂鋅涂層鋼。有可用來測量這些產(chǎn)品上的涂層厚度的設備，以避免昂貴的涂層材料的浪費，并確保成品的質(zhì)量。這些設備包括磁傳感器，超聲波傳感器，和諸如市售的DJH儀表系統(tǒng)(DJH 設計公司，奧克維爾，安大略省，加拿大)的機械-光學設備。該系統(tǒng)涉及機械地鉆一個淺的弧坑穿過帶涂層的表面進入位于下面的樣品基底。樣品然后放置在顯微鏡下，在高分辨率顯示器上觀看弧坑，以確定涂層厚度。類似地，通過從帶涂層的產(chǎn)品切割下來的樣品取斷面，并在高放大倍率下觀看樣品來確定涂層厚度。其他方法包括使用千分尺來測量帶涂層的物件厚度，剝離涂層，重新測量物件，并計算兩個讀數(shù)之間的差異，從而計算涂層厚度。然而，這些技術的精確度有限，或他們耗費時間和勞力。此外，他們沒有在涂覆過程中測量或監(jiān)控涂層厚度。在過去激光也被用于涂層厚度測量，例如，美國848785 (EP 2 031347A1)中所描述的。這涉及到在涂覆之前，使用激光傳感器來測量基底的尺寸，并在施加/沉積涂層過程中監(jiān)視涂層厚度，以確定涂層沉積過程的終點。類似地，美國2005/01378 介紹了利用激光位移傳感器在基底表面涂上涂層前后測量距離基底表面的距離的厚度測量系統(tǒng)。美國5757498描述了光噴涂監(jiān)控系統(tǒng)，其采用激光位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來監(jiān)測噴槍操作者的涂料施加技術，并確定涂層厚度。該系統(tǒng)包括2個激光器，裝在噴槍本身上，其中之一用于測量到基底的距離，另一個用于在涂層被施加到基底上的時候測量到濕的涂層表面的距離。美國609M19描述了采用短脈沖激光在基底上的濕或干的涂料膜中產(chǎn)生超聲信號，并采用檢測激光來檢測涂料膜中感應的超聲信號引起的涂料膜表面的細微運動的涂層厚度測量系統(tǒng)。干涉儀用來記錄檢測激光的激光脈沖頻率調(diào)制信號，以確定薄膜的厚度，涂料膜的諧振與其厚度直接相關。美國6120833描述了一個系統(tǒng)，用于測量涂層厚度，其利用電感式傳感器、電容式傳感器來的信號測量在支撐輥上運動的基底上的涂層厚度。美國5409732描述了調(diào)節(jié)施加到網(wǎng)狀基底上的濕涂層厚度的方法。該系統(tǒng)采用光密度傳感器來測量網(wǎng)上涂層厚度的周期性變化。自動控制器分析來自傳感器的信息，并調(diào)整計量桿和基底表面的間隙，以去除施加到網(wǎng)狀基底的多余涂層。光密度傳感器的替代品包括測量計和電容式測量傳感器，或合并的網(wǎng)狀基底和涂層厚度的物理測量。

發(fā)明內(nèi)容
概括地說，本發(fā)明涉及測量和/或監(jiān)測施加到基底的涂層厚度的儀器和方法。使用傳感器裝置來測量到一個涂層表面的至少一維數(shù)值，和到至少一個參考面的至少一維數(shù)值，以確定涂層厚度，涂層厚度使用測量的維度數(shù)值來計算。具體說，在本發(fā)明的一個方面，提供施加到基底表面的涂層的厚度的測量儀器，包括涂層去除裝置，用于去除一些涂層，部分暴露基底表面；傳感器裝置，用于發(fā)射信號和檢測從涂層表面和基底的暴露的表面反射的信號， 以生成一個或多個數(shù)據(jù)組，數(shù)據(jù)組包括表明涂層表面的位置和基底的表面的位置的數(shù)據(jù)， 傳感器裝置設置成，遠離涂層與基底，適于在基底和傳感器裝置之間相對運動時檢測從基底表面反射的信號；和處理由傳感器裝置生成的數(shù)據(jù)組的處理裝置，以確定在基底上的涂層的厚度。在本發(fā)明的另一個方面，提供施加到基底表面的涂層的干厚度的測量方法，包括提供用于發(fā)射信號和檢測從涂層的外表面和基底的表面反射的信號的傳感器裝置，以生成一個或多個數(shù)據(jù)組，數(shù)據(jù)組包括表明涂層表面的位置的數(shù)據(jù)和表明基底的表面的位置的另外的數(shù)據(jù)；去除一些涂層，部分暴露基底表面；在基底和傳感器裝置之間相對運動時，使用傳感器裝置來測量涂層表面和基底的暴露的表面的位置，從而生成數(shù)據(jù)組，傳感器裝置遠離涂層與基底，并用于發(fā)射和檢測信號；以及處理由傳感器裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)組，以確定涂層厚度。通常，涂層表面和基底表面中的至少一個的位置是在涂層和/或基底的多個不同的地點上測定的，以確定涂層的厚度。通常，通過部分切除涂層，在涂層中形成至少一個腔，基底表面在腔中被暴露，腔內(nèi)的基底表面的位置被測量。通常，鄰近形成在涂層中的一個或多個腔的涂層表面的位置被測量。通常，表明涂層表面的位置和腔的底部的基底表面的位置的測量值被作為一個單一的數(shù)據(jù)收集，表明腔的底部的位置數(shù)據(jù)可以作為單獨的數(shù)據(jù)獲得，這些數(shù)據(jù)用于涂層厚度的計算中。尤其是，涂層的表面(如鄰近各個腔)的位置可能基于一系列表明那個位置的測量，并可以處理這一系列的測量，以確定/計算基準線(也就是說，零值)。將參考線轉換為具有零值的數(shù)學方法是眾所周知的。數(shù)據(jù)處理可以利用任何合適的回歸或其他形式的分析 (例如，線性回歸分析)。可定位參考線，或向上移動或向下移動(例如，在數(shù)據(jù)生成時)，以更好地反映涂層表面的實際位置，優(yōu)化涂層厚度的測定。涂層厚度的測量可以發(fā)生涂層的去除之后或大致與去除涂層同時進行。涂層厚度的測量，可以在帶材生產(chǎn)速度最高達每分鐘300米，或者15米每分鐘或更低時進行。實施本發(fā)明的儀器和方法可用于監(jiān)測在涂料施加工序期間(如生產(chǎn)運行期間)施加到基底的涂層的厚度。也就是說，干燥的涂層厚度可在基底的涂覆期間測量，而該測量值與預定的目標參考厚度相比。在測量的涂層厚度與目標厚度不同時，涂覆工序中的一個或多個參數(shù)可以被調(diào)整，以修改被施加到基底的濕的涂層的厚度，以減少干燥的厚度和目標厚度之間的差異。因此，實施本發(fā)明的方法可以進一步包括選擇涂層參考厚度；比較測得的施加到基底表面的干燥的涂層厚度與參考厚度；調(diào)整施加到基底的濕的涂層的厚度，以減少測得的干燥的涂層厚度和參考的厚度之間的差異。通常，傳感器裝置的位置(例如，高度)相對于涂層表面和基底表面保持基本不變，以生成本發(fā)明的方法中的各自的數(shù)據(jù)組。在一些實施例中，傳感器裝置相對于基底移動。在其他實施例中，基底相對于傳感器裝置可移動。實施該發(fā)明的方法可能還包括確定從涂層和/或基底表面到傳感器裝置(例如，一個或多個位移傳感器)的優(yōu)化距離，以產(chǎn)生表明涂層表面位置與基底表面的位置的數(shù)據(jù)組；如果傳感器裝置的位置與確定的優(yōu)化距離不同，移動傳感器到距離涂層表面和/ 或基底表面的優(yōu)化距離；在傳感器裝置位于到涂層表面和/或基底表面的優(yōu)化距離時，生成數(shù)據(jù)組。在上述背景下，優(yōu)化距離可以包括一個距離范圍。在本發(fā)明的至少一些實施例中，從涂層和基底表面反射并被傳感器裝置檢測的信號是電磁輻射信號，可以是任何合適的波長。反射信號可以是連續(xù)或脈沖信號。一般來說， 信號是光束；通常，是激光光束。通常，本發(fā)明的儀器和方法中利用的傳感器裝置包括或由以下構成至少一個位移傳感器，以測量到基底表面和涂層表面中的至少一個的距離。也就是說，分開的位移傳感器可用于測量到基底表面的距離和到涂層表面的距離，或者兩個測量都可以通過相同的位移傳感器測量。通常，使用一個位移傳感器。位移傳感器可以掃描基底，以測量橫跨基底或沿基底的不同位置的涂層厚度。應當理解，在一些實施例中，表明基底表面在該表面的多個不同的地點的位置的數(shù)據(jù)可取得，由該數(shù)據(jù)計算得到單一的參考表面數(shù)值。形成各個數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)可包括離散的基底表面和涂層表面的位置和/或這些表面一個或兩個的平均位置的測量值。預定目標參考涂層厚度可以是一個具體的厚度值或厚度范圍。應當理解，被測量的涂層厚度可通過對比表明基底表面的位置的數(shù)據(jù)和表明涂層表面位置的數(shù)據(jù)之間的差異來確定。涂層厚度可按照本發(fā)明的實施例在任何認為合適的基底上確定。雖然基底可以是任何工業(yè)涂裝工序涂覆的制成品，通常，基底是板材，如金屬帶(如鋼板)，帶有或不帶現(xiàn)有的耐腐蝕(例如，合適的金屬合金)涂層。此處使用的術語“涂層”包括一個或多個涂料層組成的復合涂層。該涂料是任何按照本發(fā)明的儀器和方法可確定其厚度的涂料，并可從以下選擇油漆(paint)，天然漆 (lacquer)，清漆(varnish)，塑料溶膠，水性漿料，聚合物涂層，熱熔涂層，熔融的聚合物涂層，無機化工涂料，轉化膜，預處理涂層，金屬涂層(如鋅或鋅合金涂層)，和微粒涂層。當涂層是一種漆的涂層，它可以例如包括底漆，內(nèi)層漆，面漆，清漆，封閉底漆，或一個或多個上述的組合。有利的是，本發(fā)明的一個或多個實施例允許在生產(chǎn)過程中調(diào)整施加到基底的涂層厚度，從而在涂層被施加到基底時，使涂層厚度的變化減少和/或厚度保持大致恒定，或位于預定的目標參考厚度范圍內(nèi)?？梢岳斫猓@不僅可以提供在基底上更均勻的涂層，而且特殊涂料的整體體積顯著減少，從而相應的生產(chǎn)成本和能源可能節(jié)約。從下面的詳細描述的本發(fā)明的典型實施例和附圖中，本發(fā)明的特點和優(yōu)勢將進一步顯現(xiàn)。


圖1是一個示意圖，顯示實施本發(fā)明的測量在基底上的涂層的厚度的測量儀器；圖2是一個示意圖，為用于涂覆金屬帶的輥涂施加器；圖3是一個用戶界面在線圖示，顯示表示施加到帶鋼基底的油漆涂層厚度的圖形。
具體實施例方式下面的描述，說明了一個按照本發(fā)明的方法的油漆涂層測量。然而，同樣的原則也適用于其他類型的涂層測量。在本發(fā)明的方法中被施加涂層的基底可以是金屬帶材，如鍍鋅鋼帶，或鋅合金涂覆的鋼帶，包括鋁鋅及鋅鎂合金涂層鋼條。鋼基底以及金屬涂層的厚度都可以表現(xiàn)出顯著的厚度變化，它可以發(fā)生在短、中期或長期的距離，從微米到米。這種底層基底的厚度變化是造成涂層過程中動態(tài)測量涂層厚度困難的多個因素之一。圖1顯示了激光位移傳感器2的形式的傳感器裝置，其安裝在掃描臺4上，掃描臺橫跨基底6，基底6帶有油漆涂料8。在這種情況下，涂層基底6在另一個臺10上安裝到位。 涂層8中的形成為槽12的腔被涂層去除裝置切除，涂層去除裝置包括劃線器(未顯示)， 其徹底去除涂層整個厚度，暴露基底表面。本實施例的基底是金屬板帶材。劃線器(或至少劃線器的切割尖)由比基底軟的材料(如銅)制造，基本上沒有基底材料被劃線器去除。 當位移傳感器2橫跨涂層基底6時，位移傳感器2的激光發(fā)射器/激光源發(fā)出如數(shù)字14所示的激光束，以測量位移傳感器(未顯示)與涂層表面8和基底6的暴露表面(即，本實施例的參考面)兩者之間的距離。激光/光束反射離開涂層的表面和暴露的基底表面，產(chǎn)生反射束，由數(shù)字7表示，各個反射束由位移傳感器2的激光傳感器組件檢測?？商娲模灰蕾嚰す饣蛘呤褂眉す獾姆墙佑|式傳感器裝置可以使用。激光傳感器檢測反射激光，生成數(shù)據(jù)組，數(shù)據(jù)組包括表明涂層表面位置的數(shù)據(jù)和表明基底表面的位置的進一步的數(shù)據(jù)。這些距離的測量值最小在對應于完整的涂層厚度的區(qū)域，最大在沒有涂層厚度的凹槽12的底部上。涂層厚度然后通過處理裝置計算，在無涂層區(qū)域(凹槽底部)和完整涂層(即涂層表面)區(qū)域的測量值進行比較，得出差，通常由從后者減去前者得到。處理裝置可為有效處理數(shù)據(jù)組的合適的編程計算機?？梢岳斫猓_定涂層厚度的數(shù)據(jù)組可以通過相對于發(fā)出的激光移動涂層基底來獲得，反之亦然。該數(shù)據(jù)組可以經(jīng)過數(shù)學處理來平滑代表涂層表面和/或腔的底部的位置的數(shù)據(jù)。
涂層的溝槽，孔或坑的深度輪廓，(在不同的時間)被傳感器裝置測量，產(chǎn)生代表涂層表面和坑的輪廓的高度/位置測量值的序列數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組?？拥撞勘硎颈皇┘油繉拥谋砻?。為了描述處理裝置如何處理數(shù)據(jù)，并確定數(shù)據(jù)的零線或基準線，這種表面(依次為涂料和坑)，將被稱為“輪廓”。沿輪廓的測量等距縱向沿代表輪廓的測量線的直線進行。輪廓數(shù)據(jù)組被分析，對應于坑形貌兩側的涂料表面的數(shù)據(jù)被確定，并被視為一個子集，稱為油漆表面子集。這種漆表面子集將采取相當直線的形式，繞軸線有一定的分散程度。此軸線可以被用來作為臨時參考平面，由已知的數(shù)學數(shù)據(jù)分析技術(如線性回歸分析)，其斜率可以很容易地確定。獲得的斜率用來正規(guī)化(normalize)整個的輪廓數(shù)據(jù)組， 以提供一個零平均斜率的數(shù)據(jù)組。正規(guī)化輪廓數(shù)據(jù)組可以進一步變換，使油漆表面子集的平均值為零，但是這不是涂層厚度的計算的根本。因為坑高度值落在周圍的油漆表面的值以外，可確定每個坑的位置。每個坑的峰值，然后從正規(guī)化輪廓數(shù)據(jù)組提取(通過發(fā)現(xiàn)與周圍的表面數(shù)據(jù)組偏差最大的數(shù)據(jù)值)，這個值被從正規(guī)化的油漆表面子集的平均值減去，得到該坑地點處的涂層厚度。表面子集的實際值可有選擇地根據(jù)繞臨時參考線的分散量調(diào)整(因為實際的涂層表面具有由于涂層表面粗糙度而引起的微小起伏，被選擇作為平均表面位置的實際位置可以是主觀的)。使用這種方法，可以在每個坑地點測量涂層厚度，一系列點厚度的平均值可確定。雖然在上述實施例中涂層使用劃線器被去除，其他各種裝置/方法可用于去除一些涂層，以暴露基底表面，如用化學方法(例如，化學或化學成分，其去除涂層，但本質(zhì)上相對于基底是惰性的，如甲基乙基酮(methyl ethyl ketone，MEK)，或如二氧化碳(消融)激光束的激光。當如上所述使用劃線器或其他類似的涂層清除工具去除一些涂層，通常通過彈簧加載的機構或其他合適裝置被偏置而與涂層基底接觸，以在劃線器和涂層基底之間施加受控的壓力。劃線器或其他類似的工具的用來除去涂層的切割頭可以有一個橢圓形的橫截面，或一個部分的圓形或部分橢圓形的橫截面。該橫截面可以包括一個大致直線的部分。劃線器/工具可以是本發(fā)明的涂層厚度測量裝置的一體的組成部分。至少在一些實施例中， 涂層去除裝置可以包括以受控制的速度移動劃線器或其他刀具在涂層中形成凹槽的裝置。在其他實施例中，凹槽(或本文所述的其他腔)可在涂層基底的生產(chǎn)過程中在涂層基底經(jīng)過消融激光器時形成在涂層中。也就是說，涂層(如油漆)被施加到基底，通過固化或加熱涂層干燥，然后在下游去除一些干燥的油漆，以基本暴露基底表面，允許對干油漆厚度的測量。當劃線器或者類似的刀具用于在涂層中形成凹槽時，刷或空氣流可被用來除去涂層削片。不同的材料有不同的激光燒蝕(消融)閾值。因此，使用足夠功率(例如，峰值強度)的入射激光消融涂層，可以暴露下層基底的表面而無基底材料損失或損壞基底。也就是說，使用消融激光器去除涂層，而不是基底，需要利用涂層與基底的不同燒蝕閾值。可以理解，只有當涂層燒蝕閾值小于基底的燒蝕閾值時這才有用。這樣暴露的基底提供了涂層厚度測量和確定的參考表面/位置。由于金屬基底厚度可以有大的變化，這種方法產(chǎn)生可靠的結果，基本上與基底厚度變化和涂料類型無關。因此，根據(jù)本發(fā)明的干涂層厚度測量的方法和裝置可不需要校準涂料或基底類型。使用激光(消融模式和/或測量涂層厚度的目的)允許在帶鋼板(即基底)以超過每分鐘200米的高生產(chǎn)速度運行時進行涂層燒蝕和涂層厚度測量。激光可以是提供短能量脈沖燒蝕涂層的脈沖激光。這在涂層中產(chǎn)生一系列洞， 坑或腔。例如，涂層在基底上固化或者干燥后，涂層的一個小部分在小于1平方毫米的面積上通過使用二氧化碳消融激光器被去除。通常，在本發(fā)明實施例采用的CO2消融激光器的輸出功率在約10瓦和100瓦之間的范圍，更通常，在10瓦和60瓦之間的范圍。最典型的是，一個25瓦-60W的(X)2激光器被采用。為了描述的目的，在涂層中的腔被稱為一個洞 (坑)。這個洞是在基底(涂層鋼帶)以生產(chǎn)速度運行時產(chǎn)生的。涂層去除完全下到金屬基底表面，但基本上沒有去除任何基底?？椎撞?即孔內(nèi)基底表面)的位置和緊鄰該孔的涂層表面(相當于孔上方)位置的測量是這樣實現(xiàn)的投射激光束，使孔隨金屬帶的運動穿過激光束，并檢測從涂層表面和如上所述孔內(nèi)暴露的基底表面反射的激光束。生成的數(shù)據(jù)組包括表明在孔的頂部涂層表面的位置(即到激光傳感器的距離)的數(shù)據(jù)和表明孔底部的位置(裸露的基底表面)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)組被再次處理，計算涂層厚度。一個不是激光傳感器的傳感器可用于測量孔深/涂層厚度，例如共焦光傳感器可被采用。涂層的表面和孔的測量一般在傳感器的頻率至少為2. 5kHz或更高，通常至少約 10千赫，30千赫或50千赫，最通常的是，在至少10千赫-IOOkHz的范圍內(nèi)進行，使產(chǎn)生高采樣率(例如，高達10萬次每秒或更多)。使用本文所述的消融激光器在涂層中形成的孔一般直徑或?qū)挾燃s300微米(即0.3毫米)，250微米或150微米或更小。通常，孔的直徑或者寬度，名義上是約100微米和300微米之間，一般約為180微米。沿著和橫跨移動帶的涂層厚度值可利用這種方法得到，即采用處理裝置獲得基底上涂層厚度的特征。涂層厚度的特征數(shù)據(jù)，然后被用于控制在處理線上游的涂覆工序的一個或多個參數(shù)，以減少任何涂層厚度的測量值和目標參考涂層厚度值之間的差異。測得的厚度值也可以用來為位于油漆涂布機(例如，輥式漆施加器)上的儀器校準或提供參考數(shù)值，該儀器被設置來測量由涂布機/施加器施加到基底的濕油漆的厚度。通常，由傳感器檢測到的涂層表面和/或暴露基底表面反射的激光由與用于燒蝕涂層的激光器分開的單獨的激光源提供。在連續(xù)涂層工序，特別是對展開的鋼帶的涂覆工序中，生產(chǎn)線可設有一個或多個蓄能器，例如，分別包括多個輥，帶繞這些輥通過，其中，輥中交替的輥移動離開其他輥，在張力下拉帶材，形成蛇形般的造型，帶材保持這種形式，直到它從蓄能器通過，輥移動回到原來的位置，準備接收涂層基底的下一個帶材。這種蓄能器系統(tǒng)是本技術領域眾所周知的。 在一個特別的優(yōu)選實施例中，該生產(chǎn)線可配備兩個蓄能器，一個在涂覆工位前，另一個在干燥涂層的干燥/固化爐后。這使得允許新的基底卷材被加載到生產(chǎn)線的入口端，成品卷材 (通過再卷涂層基底得到)在生產(chǎn)線的出口端被移去，而基本上沒有中斷涂層工序。至少在一些實施例中，干涂層厚度可以在固化/干燥爐之后帶材被蓄能器保持暫時靜止時確定。例如，可以使用消融激光，至少在橫跨帶材的一部分上形成一個橫溝槽或一系列腔，以暴露基底表面。表明涂層表面和基底表面位置的數(shù)據(jù)，然后可以使用位移傳感器產(chǎn)生，如上所述。消融激光(或其他涂層去除裝置)和位移傳感器可以安裝在托架或平臺上，橫跨帶材，在涂層中形成槽或腔，生成數(shù)據(jù)。通過這種方式生成的數(shù)據(jù)，可確定涂層至少一部分(最好是基本上整個帶材寬度)的厚度輪廓。在測量的涂層厚度不同于目標參考厚度的情況下，上游涂料施加器的運行參數(shù)可以進行調(diào)整，以校準被施加到帶材的涂層厚度。
上面介紹的方法和儀器也可應用于涂料已干燥后從生產(chǎn)線中去除的涂層基底的樣品的涂層厚度測量。也就是說，被測量的涂層厚度可以是從涂層產(chǎn)品切割的基底樣品上的干涂料膜的厚度。在這種情況下，樣品固定在位，涂層被部分去除，隨后激光掃描/檢測以得到涂層厚度的特征。此外，如上所述，至少在一些實施例中，激光光源(例如，消融激光)和激光傳感器可以被組合成一個單元。監(jiān)測和/或控制施加到例如帶鋼板的基底的涂料膜厚度的裝置，參考圖2進行描述如下。圖2顯示輥涂施加器22。輥涂施加器22包括精密金屬漆拾取輥M (又稱計量輥)，被設置從油漆托盤沈拾取油漆，將油漆轉移到反向旋轉的涂覆輥觀，涂覆輥觀的外涂覆/接觸面由聚氨酯(或其他合適的塑料或橡膠類材料)形成。該涂覆輥觀將涂料施加到基底上，在這種情況下， 基本平的鋼帶30被涂覆鋅鋁保護涂層，產(chǎn)生涂層鋼板32。鋼帶由預卷繞的帶材卷(未顯示)展開，在張力下繞支持輥34饋送，使得帶材30的位置基本上是恒定的，以便由涂布輥將涂料施加到帶材。為了施加油漆，油漆施加器移動使得涂覆輥觀接觸移動的鋼帶，或支持輥移動，使鋼帶接觸涂覆輥。雖然在所示的實施例中，提供了油漆托盤，其他任何合適的提供油漆到拾取輥M的方法可以利用。在涂層過程中，通過使得被涂覆的鋼帶部分經(jīng)過位于生產(chǎn)線的輥施加器或者其他適合的施加涂料到基底的裝置的下游的紫外線或電子束固化工位，或設置在所需的溫度的加熱或干燥爐，油漆(或其他涂層)可以被干燥，凝結，固化。有許多輥涂施加器結構，使用不同的輥布局。然而，這些輥涂施加器的調(diào)整以改變濕涂層厚度，在基底上提供所需的干漆厚度是本領域公知的技術。例如，減少涂覆輥觀和拾取輥M之間的接觸壓力，將導致更高的薄膜厚度，增加或減少拾取輥M和涂布輥觀相對于另一個的旋轉速度。也就是說，通過拾取輥24轉移到涂覆輥觀的油漆層的厚度與拾取輥M和涂覆輥28的相對旋轉速度成正比。特別是，一旦輥涂施加器22的輥M，26的一個上的油漆厚度確定后，輥M，26的另一個上的相應的油漆厚度(以及施加到帶材30的油漆厚度)可以使用本領域已知的公式得到。在這方面，涂料通過兩輥之間的夾擠點計量，這些輥之間在夾擠點出口側的油漆涂料分開(“分裂”)。兩輥之間油漆厚度的分裂與每個輥的相對旋轉速度成正比，如上所述，并在某些情況下，通常只輕微地被輥表面粗糙度影響。而且，施加到帶材30的濕油漆涂層厚度是帶材速度/涂覆輥觀的旋轉速度的函數(shù)，濕油漆的施加到帶材的厚度可以例如通過增加涂覆輥觀的旋轉速度而增加，或通過減少帶材的速度而增加。用以界定這種涂層的厚度和速度的關系的公式也是公知的。因此，油漆施加器的涂層參數(shù)設置可以按需調(diào)整，以便修改拾取輥M或涂布輥28 上的濕涂料膜厚度，以對應于在基底上的目標干涂料膜厚度。例如，本發(fā)明的自動化涂層厚度測量系統(tǒng)中軟件的邏輯會比較確定的干涂料膜厚度和所需的目標干膜厚度。如果沒有什么區(qū)別(規(guī)定允許的公差范圍)，不采取任何行動， 在預定的時間間隔后重復測量和比較。如果檢測到與目標厚度的區(qū)別，一個或多個干涂料膜的進一步的測量要進行，并比較。如果與目標厚度的差異仍然存在，輥涂施加器的控制參數(shù)被調(diào)整，以改變施加到基底的濕油漆涂層的厚度。涂層厚度值的測量和比較的過程在整個涂層過程中反復進行。
為各個施加的涂層，干燥周期(如溫度和干燥時間)和干燥方法(例如，近紅外線輻射(IR)或中紅外輻射，感應加熱，催化劑驅(qū)動，對流或強制對流加熱，等等)被選定。用于本發(fā)明實施例中的各個位移傳感器可以獨立地是任何認為合適的非接觸傳感器，并采用可見光譜內(nèi)或外的(例如，紅外線波長)連續(xù)或脈沖電磁波，提供反映參考表面位置和涂層表面的位置的數(shù)據(jù)。位移傳感器本身可包括處理裝置，處理所生成的數(shù)據(jù)或者傳輸數(shù)據(jù)到處理裝置 (例如，電子表格或一個合適的軟件程序)，以處理數(shù)據(jù)。用于有關涂層厚度測量中的各個位移傳感器，可以有一個高達士5毫米和更通常的是，士2毫米或士 1毫米的測量范圍。例如，具有士 1毫米的測量范圍，為產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)，到涂層表面或基底表面的最佳中點距離為 25毫米的位移傳感器，該傳感器可以定位在距離涂層或基底從M毫米至沈毫米的范圍。在位移傳感器距離涂層表面或基底表面的最佳距離，由傳感器發(fā)出到涂層或基底的電磁輻射(例如，激光)的射束的寬度或直徑至少比在涂層中形成的腔的寬度小約陽％， 如本文所述，通常小約60 %，65 %，70 %，75 %，或80 %。例如，在腔的寬度是180 μ M的實例中，從位移傳感器發(fā)出到腔內(nèi)暴露基底表面上的電磁輻射束的寬度希望為25微米至30微米。對于測量范圍士 1毫米、到暴露的涂層表面或基底的最佳距離為25mm以生成數(shù)據(jù)的位移傳感器，如本文所述，傳感器的束的寬度在測量范圍在M毫米-26毫米的范圍內(nèi)時一般較大，通?？蛇_約為80 μ m。因此，有效的位移傳感器的“測量區(qū)域”小于腔的寬/直徑。此外，腔寬度和傳感器“測量點”寬度之間的差別越大，更好的測量分辨率可獲得。由于各個帶材卷材的金屬板基底(例如)的厚度彼此不同，固定的位移傳感器的高度可能會導致從基底表面或其他有關參考面到傳感器的距離不是最優(yōu)的測量狀態(tài)。要糾正這個問題，從參考面或每個基底到位移傳感器的距離可以調(diào)整，使傳感器最佳定位以便生成測量數(shù)據(jù)。至少在一些實施例中，傳感器的位置可以由位置調(diào)整裝置自動調(diào)整，如裝有傳感器的機械/電氣定位座。特別優(yōu)選地，由傳感器本身所產(chǎn)生的測量，可用于確定最佳的從有關表面到傳感器的位置或高度。舉例來說，對于具有到基底最佳測量距離為25毫米和測量范圍士 1毫米的位移傳感器，到涂層基底的感應器的最佳位置為25毫米減目標參考涂層厚度。因此，對于具有100微米(0.1毫米)目標參考涂層厚度的基底，生成測量數(shù)據(jù)的位移傳感器到基底的最佳距離是25毫米-0. 1毫米，等于24. 9毫米。如果在各基底表面的位置開始測量時，由傳感器確定從傳感器到表面的位置大于或小于24. 9毫米，從基底到傳感器的位置由位置調(diào)整裝置調(diào)節(jié)到大致24. 9毫米內(nèi)。此外，各位移傳感器可沿傳感器和涂層之間的相對運動方向通過傳感器的位置調(diào)整裝置與腔對齊，或者由實現(xiàn)此目的的對齊裝置來實施。通常，位移傳感器與腔沿基底運行的縱向方向是對齊的。例如，如本文所述，在涂層中形成一系列對準孔時，生成表明基底表面的位置的數(shù)據(jù)的位移傳感器定位成與這些孔對齊，以便通過傳感器和基底之間的相對運動，一個一個地掃描每個孔內(nèi)基底的暴露表面。為了幫助對齊，腔不是有一個大致圓形的輪廓，他們可能會是卵形，橢圓形或線形，其長軸取向為橫向于(最好垂直)基底縱軸。在這種情況下，各腔橫向尺寸一般超過0. 18毫米。同樣，當腔是縱向定向槽，傳感器被傳感器的位置調(diào)整裝置或其他對齊裝置對準以沿溝掃描。一旦與腔縱向?qū)R，位移傳感器可被鎖定在這個位置上。位移傳感器的縱向?qū)R的最佳位置，例如，可由傳感器通過一個預定的參考角度掃描基底，而基底在縱向方向移動來確定。如上所述，在參考角上由位移傳感器所產(chǎn)生的到基底表面的距離的測量可以被用于自動確定縱向?qū)R的最佳位置，并操作對齊裝置， 以將傳感器設置在該位置。至少在一些實施例中，激光傳感器設置成與水平面形成一角度，以生成數(shù)據(jù)，一般，相對于水平方向從5° 20°的范圍內(nèi)，優(yōu)選約12°。這種傳感器的布局已被發(fā)現(xiàn)對于本文所述的在涂層中形成的腔內(nèi)的反光金屬基底表面和鄰近腔的涂層的較少反射的表面的測量都是有用的。此外，通過這樣布局位移傳感器，傳感器檢測到更加分散的反射信號。如圖3顯示的電子表格圖像表示施加到帶鋼基底的油漆涂層厚度的圖形。該圖是由傳感器收集的數(shù)據(jù)的圖像。它是通過測量涂層表面和由消融激光在涂層中形成的一系列對齊洞(坑)12內(nèi)基底的外露表面的位置而獲得。峰代表孔內(nèi)的基底的金屬表面?？字g的涂層測量代表涂層表面?？字g的值取平均數(shù)，以形成表明孔之間的涂層表面的平均位置的數(shù)據(jù)。代表油漆表面的數(shù)據(jù)通過使用數(shù)據(jù)的線性回歸分析被變換以與零值參考線對齊。其他形式的數(shù)據(jù)處理/分析可以用來實現(xiàn)相同的結果。對于任何單孔，孔內(nèi)的最大值(峰值位置)使用簡單的邏輯來確定。特別是，一個坑也可以通過一個簡單的算術測試確認。例如，在這種情況下，任何大于15微米的名義閾值的數(shù)值的數(shù)據(jù)點表示涂層中的孔?；谝阎哪繕送繉雍穸瓤梢赃x擇名義閾值。大于15 微米的任何數(shù)據(jù)被認為是洞，洞中的最大值被確定和記錄。預期的閾值坑寬度是已知的，或可對于任何給定的激光消融設置進行測量。代表孔的每側上的涂層表面的位置平均值被確定。代表孔之間的涂層表面的數(shù)據(jù)的位置可以很容易地確定，因為孔的位置(間距)和寬度(直徑)是已知的，或可以從數(shù)據(jù)來確定?？字g的涂層表面的平均值可以設置為“零”， 或在目前的例子中作為參考數(shù)值?？梢酝ㄟ^從每孔的最大孔深度值減去參考值(在這個例子中是“零”)為每個孔計算孔的深度。在沿涂層的測量點孔的深度等于涂層厚度。在每個孔處單個涂層厚度的值，然后可以沿涂層基底的截面平均。在這個例子中，平均涂層厚度被確定為5微米，標準偏差為士 2.2微米。為了計算的目的，代表基底表面的平均位置的基線，可由生成的數(shù)據(jù)得到，并用于涂層厚度的計算。然后，這個過程可以重復，以確定由消融激光產(chǎn)生的涂層中另一系列的下游孔的深度，以在帶材或其他基底移動通過位移傳感器時產(chǎn)生涂層深度的移動平均。通常，在本發(fā)明的方法中采用的位移傳感器測量到參考面和/或涂層表面的距離，如本文所述，容差在士 1微米以內(nèi)，更通常，公差在士0. 1微米內(nèi)。通常，在獲得確定被施加的涂層的厚度的數(shù)據(jù)組時，基底(即金屬帶材)以相對于位移傳感器從每分鐘大約10米到每分鐘220米的范圍內(nèi)的速度移動，最通常，在約20米每分鐘到每分鐘200米之間的范圍內(nèi)。通常，油漆涂料被施加到基底的厚度在干燥時，為約40微米或更小，通常在約20 微米至40微米的范圍內(nèi)，更通常約25微米。然而，油漆的厚度取決于油漆類型和最終產(chǎn)品的使用。例如，塑料溶膠，通常被施加到厚度大于80 μ m,而背層通常的厚度從約5至約12 微米。此外，干漆厚度測量的實施例中，本文所述，沒有必要如用劃線器形成沿整個涂料的連續(xù)溝來生成表明基底表面的數(shù)據(jù)。相反，如上所述，通過消融激光在涂層的預定長度上脈沖燒蝕，可以在涂層中形成一個或一系列短凹槽，或可在涂層中形成一系列對準孔。因此，在腔之間的空間中的涂層表面的位置和連續(xù)腔內(nèi)暴露的基底表面的位置可以隨基底的移動被測量，以確定涂層厚度?？梢匝刂谧罱K涂層基底的產(chǎn)品的使用中成為疊層重疊區(qū)域、或者視覺上不明顯、或者在產(chǎn)品中不暴露、或者在終端產(chǎn)品的使用中不暴露的基底(例如，鋼帶)的側邊界形成涂層的腔(例如，溝槽，孔或坑)。通常，孔和隨后的測量是在一個區(qū)域內(nèi)進行的，在那里帶材基本在一個穩(wěn)定的位置，如在一個固定的處理/支持輥上，具有極小的偏心和支撐公差。理想的情況下，支持輥的偏心率將小于500微米，通常小于350微米。在一些實施例中，支持輥的偏心率可能低到250微米，150微米或50微米或更低。然而，在許多情況下，基底有一些基本的運動(例如，由于輥偏心，基底“反彈”，和 /或其他原因)，這不是涂層厚度的變化的反映，或涂層表面由于棱紋均勻性變化的反映。 這個基底的運動的特征是可發(fā)現(xiàn)的，并在生成的用于計算涂層厚度的數(shù)據(jù)的處理過程中計算在內(nèi)，一般通過建立補償基底表面的運動的基線或參考數(shù)值來實現(xiàn)。至少在一些實施例中，可通過處理生成的表明基底表面的數(shù)據(jù)獲取基底表面在預定的參考期或距離上的平均位置，來確定基準線或參考數(shù)值。為了最大限度地減少這種基本動作，基底(例如展開的鋼帶)可保持在高張力下， 而確定涂層厚度的數(shù)據(jù)在基底支撐在一個或多個支撐輥上時生成，基底在支撐輥上或繞支撐輥運動。位移傳感器也可以被固定安裝在耐振動/沖擊的平臺或底座上，以保持傳感器相對于涂層和襯底的設定的(例如相對于水平的)距離和角度。傳感器和/或基底運動中的任何誤差最小化。通常，關于位移傳感器底座的堅固性和振動延遲水平使得任何意外和不希望的傳感器運動基本上可以忽略不計，最好為1微米或以下，更好，約0. 3微米或更少。一般來說，本發(fā)明的方法中，在計算整個涂層厚度中使用的數(shù)據(jù)是在連續(xù)涂層工序中獲得的基底給定長度上的平均值。使用平均數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的彈性和完整性。雖然本發(fā)明的實施例中描述，施加涂層到金屬(例如，展開的鋼鐵)的帶材，用于例如軋成屋頂或柵欄板(fencing panel)，具有波形截面輪廓(例如，瓦楞紙或鋸齒輪廓)， 鋼或鋁帶或類似的物品也可以涂覆具有受控厚度的油漆，以制造其他產(chǎn)品，如百葉窗板條， WMBW^^M^ii. (cool room panel) ,MTSfeiC^l (white goods and appliances) ,H 車零件的制造的板材，和無數(shù)的其他物品。此外，本發(fā)明的方法和工具/儀器可用于測量除油漆以外的涂層厚度，本發(fā)明不僅限于此。裝置，如油漆/涂裝生產(chǎn)線或輥式施加器用于施加有關的涂層到基底，包括實施本發(fā)明的儀器，或結合了本文所述的儀器，這也明確地被包括在本發(fā)明中。雖然已描述了多個實施例，本領域的技術人員應當認識到，無數(shù)的變化和/或修改可以做出而不會脫離本發(fā)明廣泛描述的精神和范圍。因此，本發(fā)明的實施例從各方面說都只是說明性的，而不是限制性的。
權利要求
1.一種施加到基底表面的涂層的干燥厚度的測量儀器，包括 涂層去除裝置，去除一些涂層，部分暴露基底表面；傳感器裝置，用于發(fā)射信號并檢測從涂層表面和基底的暴露表面反射的信號，以生成一個或多個數(shù)據(jù)組，數(shù)據(jù)組包括表明涂層表面的位置和基底表面的位置的數(shù)據(jù)，傳感器裝置設置成，遠離涂層與基底，適于在基底和傳感器裝置之間相對運動時檢測從基底表面反射的信號；和處理由所述傳感器裝置生成的數(shù)據(jù)組的處理裝置，以確定在所述基底上的涂層的厚度。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量儀器，其中，所述測量儀器適于在涂層和/或基底的多個不同的地點上測量涂層表面和基底表面中的至少一個表面的位置，以生成所述數(shù)據(jù)組。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的測量儀器，其中，所述涂層去除裝置適于在涂層中形成至少一個腔，傳感器裝置設置成檢測所述腔內(nèi)暴露的基底表面反射的信號，以生成所述數(shù)據(jù)組。
4.根據(jù)權利要求3所述的測量儀器，其中，所述涂層去除裝置包括用于在涂層中形成所述至少一個腔的消融激光器。
5.根據(jù)權利要求4所述的測量儀器，其中，消融激光器適于在涂層中形成多個腔，所述腔形成為涂層內(nèi)對齊的一系列孔或坑的形式。
6.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的測量儀器，其中，所述數(shù)據(jù)組包括表明涂層表面位置和/或基底表面的位置的平均值。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的測量儀器，其中，所述傳感器裝置包括位移傳感器，該位移傳感器具有調(diào)整裝置，用于調(diào)整位移傳感器相對于涂層和/或基底表面的高度， 以便優(yōu)化位移傳感器的高度，以測量各所述表面的位置。
8.根據(jù)權利要求1-7中任一項所述的測量儀器，其中，所述傳感器裝置包括至少一個發(fā)射和檢測信號的位移傳感器。
9.根據(jù)權利要求1-8中任一項所述的測量儀器，其中，所述位移傳感器設置成相對于水平面的角度在5° 20°的范圍內(nèi)，以發(fā)射和檢測信號。
10.根據(jù)權利要求1-9中任一項所述的測量儀器，其中，所述位移傳感器是激光位移傳感器。
11.根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的測量儀器，其中，所述傳感器裝置適于在基底以10米每分鐘或更大的速度運行時檢測從基底表面反射的信號，以生成所述數(shù)據(jù)組。
12.根據(jù)權利要求11所述的測量儀器，其中，所述傳感器裝置適于在基底以15米每分鐘到220米每分鐘范圍內(nèi)的速度運行時檢測從基底表面反射的信號。
13.根據(jù)權利要求1-12中任一項所述的測量儀器，其中，所述基底是金屬帶。
14.測量儀器，其中，所述金屬帶是鋼帶和鋁帶。
15.根據(jù)權利要求1-14中任一項所述的測量儀器，其中，所述涂層是油漆涂層。
16.一種施加到基底表面的涂層的厚度的測量的方法，包括提供用于發(fā)射信號和檢測從涂層的外表面和基底的表面反射的信號的傳感器裝置，以生成一個或多個數(shù)據(jù)組，所述數(shù)據(jù)組包括表明涂層表面的位置的數(shù)據(jù)和表明基底的表面的位置的另外的數(shù)據(jù)；去除一些涂層，部分暴露基底表面；在基底和傳感器裝置之間相對運動時，使用傳感器裝置來測量涂層表面和基底的暴露的表面的位置，從而生成所述數(shù)據(jù)組，傳感器裝置遠離涂層與基底；以及處理由傳感器裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)組，以確定涂層的干厚度。
17.本發(fā)明的方法，還包括確定從涂層和/或基底表面到傳感器裝置的優(yōu)化距離，以產(chǎn)生表明涂層表面位置與基底表面的位置的數(shù)據(jù)組；如果傳感器裝置的位置與確定的優(yōu)化距離不同，移動傳感器裝置到距離涂層表面和/ 或基底表面的該優(yōu)化距離；在傳感器裝置位于到涂層表面和/或基底表面的優(yōu)化距離時，生成所述數(shù)據(jù)組。
18.根據(jù)權利要求16或17所述的方法，其中，至少有一個腔通過部分切除涂層而在涂層中形成，所述基底表面被暴露在腔內(nèi)，腔內(nèi)的基底表面的位置被測量。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，使用消融激光器在涂層內(nèi)形成腔。
20.根據(jù)權利要求16-19中任一項所述的方法，其中，涂層表面和基底表面中的至少一個表面的位置是在涂層和/或基底上的多個不同地點測量，以確定涂層厚度。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)組包括表明涂層表面位置和/或基底表面的位置的平均值。
22.根據(jù)權利要求16-21中任一項所述的方法，其中，所述傳感器裝置包括至少一個發(fā)射信號和檢測從涂層表面和基底表面反射的信號的位移傳感器。
23.根據(jù)權利要求16-22中任一項所述的方法，其中，在由傳感器裝置生成所述數(shù)據(jù)組的過程中，基底運行速度為每分鐘10米或更大。
24.根據(jù)權利要求16-23中任一項所述的方法，其中，所述基底是金屬板材。
25.根據(jù)權利要求16-24中任一項所述的方法，其中，所述涂層是油漆涂層。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述油漆涂層從以下構成的組中選擇底漆， 內(nèi)層漆，面漆，清漆，封閉底漆中的一個或多個的組合。
全文摘要
本發(fā)明提供施加到基底的涂層的厚度的測量和/或控制的儀器。實施本發(fā)明的儀器包括涂層去除裝置，去除一些涂層，部分暴露基底表面。該儀器還包括傳感器裝置，用于發(fā)射信號并檢測從涂層表面和基底的暴露表面反射的信號，以生成一個或多個數(shù)據(jù)組，數(shù)據(jù)組包括表明涂層表面的位置和基底表面的位置的數(shù)據(jù)。傳感器裝置設置成遠離涂層與基底，適于在基底和傳感器裝置之間相對運動時檢測從基底表面反射的信號。儀器的處理裝置處理由傳感器裝置生成的數(shù)據(jù)組，以確定在基底上的涂層的干燥厚度。本發(fā)明還提供使用本發(fā)明的儀器測量涂層的干燥厚度的方法。
文檔編號G01B15/02GK102449430SQ201080023246
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權日2009年5月26日
發(fā)明者烏多·W·布赫 申請人:烏多·W·布赫