本发明涉及基于物质对红外光吸收原理的非接触膜厚高精度测量领域，特别是涉及汽车车身冲压加工过程中表面油膜厚度高精度测量系统及方法。
背景技术：
1、冲压是现代工业中普遍采用的一种零件加工方法，加工精度和生产效率比传统的方法更高。冲压模具通常形状复杂，在冲压加工过程中需要在冲压件的表面涂敷一层极薄的润滑油膜，对于冲压过程中变形力的消耗、金属工件的表面质量、内部质量、使用寿命、加工精度以及模具的损耗都有着重要的影响和作用。
2、冲压件表面的油膜厚度是影响产品质量和加工精度的主要因素。油膜过薄会造成表面拉伤，使金属在拉伸过程中开裂，还会影响产品的耐腐蚀性，严重影响产品外观和质量。油膜过厚会导致局部起皱等情况的发生，过多的油液聚集在冲压过程中会在表面产生起鼓现象形成油包。其次会增加冲压过程中的真空效应，影响模具的空气排出，导致零件抱上模现象加剧。以汽车车身冲压成型为例，据不完全统计每天因油膜厚度不满足要求造成的板材冲伤达1300次以上，冲压件表面油膜厚度在线高精度测量是急需解决的痛点问题。在冲压件表面油膜厚度高精度测量的前提下，对不满足要求的冲压件及时进行生产工艺及流程调整可以很大程度上降低成本和缺陷产品外溢的概率。
3、目前实际生产中冲压件表面的涂敷油膜厚度在μm级别，对测量精度的要求很高，且生产车间环境复杂干扰较大。如何在强干扰环境下实现冲压件表面超薄油膜厚度快速在线高精度测量，是目前亟待解决的关键问题和技术难题。
4、许多方法可以实现油膜厚度的测量，但各自的局限性阻碍了它们的现场应用。接触式测量会破坏油膜，油膜厚度主要采用非接触测量方法。在非接触测量方法中，根据电阻、电容或电涡流原理的电气方法容易受到油特性和电磁干扰的噪声的影响，同时电学方法的测量原理也限制了在流水线工业现场长距离测量的应用。
5、近几十年来，基于超声的无损测量得到很好的发展，在油膜厚度测量中也有广泛应用，但是测量精度会受到声学特性和传感器的热效应的显著影响，在工业生产线上更容易受到机械振动产生超声波的干扰。相比而言光学方法不受测量距离的限制和电磁干扰影响，在工业生产现场金属板带表面油膜厚度测量具有很大优势。目前，常用的光学检测方法主要有光学干涉、激光诱导荧光、红外吸收法等，均具有很高的测量精度和分辨率。其中，光学干涉和激光诱导荧光测量原理和数据处理过程比较复杂。红外吸收检测方法主要包括分光光度法和双波长检测法。双波长检测法需要通过不同中心波长的窄带滤光片，作为测量通道和参考通道，中红外波段符合要求的窄带滤光片不容易获取成本较高。其中，分光光度法光路结构和数据处理过程相对简单，但是通用的方法需要测量暗噪声和被测物空白情况下的光强作为参考，测量流程复杂容易引入不必要误差。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有技术在工业现场板带表面油膜厚度测量应用的不足，提供一种基于红外光多点差分吸收的板带表面油膜厚度测量系统及方法，该测量系统和方法基于待测油膜对红外光的选择性吸收的特性和朗伯比尔定律，设计了双光源共光路反射吸收的测量光路结构，以待测油膜和指定厚度油膜对红外光的共同吸收作为测量信号，采集测量信号进行差分运算求解部分未知参数的值，通过标定得到其余未知的参数的值，求解获得待测油膜的厚度值，实现复杂工业环境下待冲压板带表面超薄油膜厚度在线测量。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种基于红外光多点差分吸收的板带表面油膜厚度测量系统，用于测量涂敷在待冲压板带上的待测油膜的厚度，包括红外光源、测量光路窗口片、聚焦透镜、电机、滤光轮盘、探测器；
4、所述待冲压板带的上方两侧分别设有红外光源，红外光源上均设有光源窗口片；待冲压板带的正上方的测量光路从下到上依次设有测量光路窗口片、聚焦透镜和探测器；所述测量光路一侧设有电机，电机输出轴与滤光轮盘中心连接以带动滤光轮盘转动，滤光轮盘上均匀分布有六个圆形参考信号窗口，六个所述圆形参考信号窗口内分别通过2片透明窗口片密封了厚度依次增大的待测油液样品，滤光轮盘转动时，六个圆形参考信号窗口能够依次经过位于聚焦透镜和探测器之间的测量光路。
5、进一步的，所述聚焦透镜包括在测量光路从下到上依次设置的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，第二聚焦透镜位于第一聚焦透镜的共轭像面上。
6、本发明还提供一种基于红外光多点差分吸收的板带表面油膜厚度测量方法，包括：
7、s1.利用傅里叶红外光谱仪测定待测油液样品的红外吸收光谱，确定待测油液样品的最大吸收波段范围及最大吸收波段范围内的光被完全吸收所需的最小油液厚度理论值dmin；
8、s2.依据最小油膜厚度理论值dmin，确定六个圆形参考信号窗口内密封的待测油液样品厚度d1-d6<dmin，且d1-d6的厚度依次递增；
9、s3.使待冲压板带的表面空白，即待测油膜的厚度为零，将红外光源发出的光通过光源窗口片照射到待冲压板带，待冲压板带反射的光依次经过测量光路上的测量光路窗口片、聚焦透镜、滤光轮盘进入到探测器；通过电机带动滤光轮盘转动，探测器接收到6组d1-d6不同厚度的待测油液样品的参考光强信号；
10、s4.基于不同厚度的待测油液样品吸收后的参考光强信号，利用差分算法和线性最小二乘法拟合标定得到测量系统的常数参数；
11、s5.根据标定的测量系统的常数参数，对待测油膜厚度进行实时在线测量，通过计算得到待测油膜的厚度值。
12、进一步的，步骤s3中，采用朗伯比尔定律计算待测油膜对红外光的吸收，公式为：
13、
14、式中，iab为经待测油膜吸收后透过的光强，id为入射到待测油膜表面漫反射后的光强，ε为待测油液样品在红外光波段的吸光系数，c为待测油液样品的浓度，noil为待测油液样品的折射率，dx为待测油膜厚度，θ为光源与测量系统水平方向的夹角；对于确定的测量系统和待测油液样品，εcnoil和θ为常数，q亦为常数。
15、进一步的，由朗伯比尔定律得，探测器接收到的透过六个圆形参考信号窗口的光强表示为
16、
17、式中，imean为探测器接收到的透过n个圆形参考信号窗口的光强，dn为圆形参考信号窗口内部封装待测油液样品厚度；
18、进入测量光路的光在到达探测器感光面之前的损耗，除了油膜正常吸收外，还包括测量系统、光学器件以及空气的吸收和散射，未经圆形参考信号窗口内封装的待测油液样品吸收的光强ioil与被测油膜反射吸收后的光强iab之间的关系表示为
19、ioil＝iabβ(1-ρ0)(1-ρ1)(1-ρ2)(1-ρ3)(1-ρ4)
20、式中，β为红外光经待测油膜反射吸收后进入测量光路的比例系数，ρ0为测量系统结构产生的损失率，包括测量系统零部件的吸收、反射、散射；ρ1是测量系统中光学元件本身产生的损失率，包括光路窗口片和聚焦透镜的吸收和反射；ρ2为光学器件表面灰尘、油污的吸收和散射产生的损失率；ρ3为测量系统环境产生的损失率，包括空气及空气中悬浮颗粒物的吸收和散射；ρ4为待冲压板带因吸收、反射产生的损失率；
21、综合上式探测器接收到的圆形参考信号窗口的光强表示为
22、
23、其中，k＝β(1-ρ0)(1-ρ1)(1-ρ2)(1-ρ3)(1-ρ4)，表示测量系统整体透过率；
24、根据菲涅尔反射定律知光在不同介质表面反射只与折射率有关，非理想条件下探测器接收的光强表示为
25、
26、式中，δd为反射、折射损失等效的吸收油液厚度；
27、对于所有通道都存在相同的反射，等效为测量系统误差，上式等效为
28、
29、得到对于固定的测量系统，k和id均为常数，ik1亦为常数。
30、进一步的，步骤s4具体步骤如下：
31、待冲压板带表面空白，待测油膜厚度dx＝0时，探测器接收到的六个圆形参考信号窗口的光强imea1-imea6表示为：
32、
33、式中，d1-d6分别为六个圆形参考信号窗口内密封的待测油液样品的厚度，q和ik1为测量系统的常数参数；由上式得到常数q的值与ik1无关，避免拟合过程中ik1的值影响q，对q直接进行求解；联立上述方程组得：
34、
35、qi表示若干个计算结果，其中m和n共有种组合形式，能够计算得到个值，求取平均值即得到最终的q值如下所示：
36、
37、在求得q值的基础上，将作为变量组合，利用线性最小二乘拟合得到ik1的值。
38、进一步的，步骤s5具体步骤如下：
39、在测量过程中在待冲压板带表面涂敷油膜，利用标定得到的测量系统的常数参数，根据探测器接收到的透过圆形参考信号窗口的光强的值，六个待测油膜厚度dxi的计算式如下所示：
40、
41、在测量系统中探测器将接收到的红外光转化为电压输出，最终得到的是电压值并非光强量值；光强表示为单位面积的光功率，单位为w/m2，电压与光强的转化关系表示为：
42、v＝r·po＝r·i·s
43、式中，r为探测器的光响应度，i为探测器接收到的光强，s为探测器感光面积；则dxi表示为：
44、
45、式中，vmean为探测器输出的圆形参考信号窗口光强信号对应的电压值，vk1为常数参数ik1对应的电压值；dn为第n个圆形参考信号窗口内密封的待测油液样品的厚度；n＝1.2…6；
46、将上式计算所得六个厚度值取平均，所得最终的待测油膜厚度dx如下所示，相比于单个计算值具有更高的精度和可信度；
47、
48、进一步的，六个圆形参考信号窗口内密封的待测油液样品的厚度范围为50-100μm。
49、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
50、1.测量精度高，抗干扰能力强：本发明基于待测油膜对特定波段红外光吸收特性的光学测量方法，结合朗伯比尔定律，通过多点差分吸收算法减少了电学测量方法的电磁干扰问题及超声测量方法的机械振动影响，显著提高了测量精度和环境适应性。
51、2.多点差分算法简化标定流程：通过在滤光轮盘中封装多个已知厚度的参考油膜样品，测量系统可以同时完成标定和测量，避免了额外建立标定标准源的需求。多点差分算法直接计算部分待求解参数，将非线性拟合转化为线性拟合，减少了标定参数数量，简化了标定流程并提高了拟合精度。
52、3.双光源共光路设计统一系统误差：测量系统采用双光源共光路反射吸收结构，将多点测量结构集成在测量系统内部，使得测量系统误差、器件及环境干扰引起的所有误差统一为公共误差，通过单次标定即可获取测量系统参数，避免了对参考信号的单独测量，从而简化了测量流程并减少了因参考信号测量产生的误差。
53、4.基于相关滤波的信号调制提高信噪比：滤光轮盘通过将光信号调制为固定频率，便于后续滤波及信号采集。结合相关滤波设计，有效降低了工业现场环境噪声对信号采集的影响，显著提高了测量系统的信噪比。
54、5.实时在线测量，适应多种环境：系统通过标定获取的关键常数参数，实现了待测油膜厚度的实时在线测量，可在工业流水线环境中稳定运行，满足高精度和快速测量需求。系统还适用于其他薄膜厚度的测量场景。
55、6.测量结果稳定且精度高：本发明通过差分算法计算多个厚度值，并取平均值作为最终结果，消除了单次测量中的随机误差，验证过程简单，易于实现，测量精度高，进一步提高了测量结果的稳定性和可靠性。
56、7.应用前景广泛：本发明设计的测量方法不仅适用于汽车车身冲压加工过程中板带表面油膜厚度的高精度测量，同时可扩展应用于其他工业薄膜厚度的非接触测量，为不同领域提供可靠的技术支持。可以满足任何面积较大的冲压件表面油膜厚度测量的需求，在除油膜外其他薄膜厚度测量需求中也有很好的应用前景。