高精度測厚儀在包裝材料中的應用

1、包裝材料的種類

    目前市場中包裝材料種類很多，有金屬的、非金屬的，帶光澤的、亞光的，單層的、復合的、共擠的等等。有些材料的成本較高（如：鋁箔、EVOH等），在滿足要求的情況下，高成本材料的厚度越小越能節約生產成本，厚度過大不但會造成原料的浪費，還會降低生產效益。很顯然，材料的厚度控制只能靠測厚儀來檢測。

2、機械式測厚儀

    從測試原理上講，常用的測厚儀有激光測厚儀、電容式測厚儀、電渦流測厚儀、機械式測試儀等。非接觸式測厚設備對測試試樣都有一定的選擇性，例如激光式測厚儀在適合的領域中能達到較高的測量精度，但用於檢測表面有著不同光澤度的試樣時會有較大的測試誤差，同樣該方法的測厚儀對試樣是否透明也有著比 較強的選擇性。電容或電渦流式的測厚儀對金屬及非金屬的測試有著較大的誤差。總之，非接觸式測厚設備都有著自己擅長的檢測領域，可用戶無法購買多類測厚設備來檢測材質可能不同的多種試樣。機械式測厚儀是一種接觸式測厚設備，多采用高精度傳感器，因為它的測試只和微小位移有關，所以對試樣沒有選擇性。機械式測厚儀的測試精度主要取決於位移傳感器的精度，環境溫度和風速會影響傳感器的精度，因此必須在實驗室環境內使用。

    Labthink蘭光的CHY-C1（見圖1）是我國自主研發的第一款高精度機械式測厚儀，分辨率高達0.1μm。自2004年投放市場已取得了不俗的銷售業績，市場反應很好。

圖 1. Labthink CHY-C1

3、機械式測厚儀的設計難點以及解決方法

    通過分析標准，可以看出機械式測厚儀具有 2大設計難點：首先是測量頭壓強大小的控制；其次是如何實現上下兩測量面的高平行度。

3.1 測量頭壓強大小的控制

    軟包材在受壓時會出現不可忽視的壓縮形變，因此，測試時一定要嚴格遵守標准對試樣接觸面積及壓強的要求。不同的標准對於測試面積、所施壓強有不同的要求，例如同樣是檢測紙張的厚度， ASTM D 645中要求所施加的壓強是50kPa，但是ISO 534中要求優選100kPa的壓強。因此，在測試結果比對時，一定要注意測試標准及測試條件。

    同種原理的機械式測厚儀檢測同一試樣產生的不同測試結果，其主要原因就是測量過程中對試樣所施加的壓強不同所造成的，因為設備的開發是遵照標准進行的。常用的簡易測厚儀就是螺旋測微器，但是它所施加在試樣上的壓力不易量化，而且測薄膜和測紙張時施力都一樣，這明顯不符合相關測試標准的要求。因此僅比較試驗結果，而未把測厚儀所施加的測試條件列入是很片面的。

3.2 對測量頭和測量底座的平行度要求

    對測量頭和測量底座有兩個基本要求：測量頭和測量座的兩測量面相互平行，而且測量頭的運動方向應該與測量座的測量面相垂直。在 ASTM D 645中有相關描述如下：The surface of the presser foot shall be parallel to the surface of the anvil to within 0.001mm. The presser foot movement shall be on an axis that is perpendicular to the anvil surface.（測量頭的表面應該與碪板的表面平行，相差保持在0.001mm之內。測量頭應在與碪板表面相垂直的軸向上運動。）其實保證測量頭的運動方向與測量底座的測量面垂直也是為了確保在測量過程中上下兩測量面的平行，保證設備的測試精度。

    常見測量薄膜厚度的測量頭有兩種：平面型測量頭和球面型測量頭。前者可以使試樣的被測區域均勻受力，而後者易於實現上測量點與下測量面的平行，但測量面積和壓強無法控制和量化。多數機械式測厚儀選擇平面型測量頭，這樣測試數據更具有代表性。

    對於測量頭和底座間的平行處理， Labthink CHY-C1采用一套自動“找平”結構，一旦標定結束後，用戶不必再動了。當然，要保證兩測量面的平行，不但要保證兩測量面的清潔無污物，而且還要盡可能的避免觸碰測量頭。如果私自拆卸測試裝置會使設備完全失去精度。

圖 2. CHY-C1的測量頭和測量底座的局部圖

4、展望

    由於軟包材自身結構的可壓縮性，使得各類非接觸式測厚設備的應用都受到了一定的限制，機械式測厚儀一直是各類軟包材厚度檢測的首選。當然，同一種軟包材在不同壓強下得到的厚度值一般不同，根據軟包材的材質在指定標准的測試壓強下檢測是軟包材測厚的一大特點。