Presentazione Tesi di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica presso il Politecnico di Milano - dicembre 2011

1. Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di
spessore di film plastici
Relatore: Michele NORGIA
Tesi di laurea di: Stefano ZANARDI
Anno accademico 2010 - 2011

2. Processo di produzione del film plastico 2
 Processo di produzione:
1. Fusione polimero;
2. Gonfiaggio tramite aria;
3. Filiera circolare;
4. Raffreddamento;
5. Calandra di traino.
 Necessità:
Controllare il processo di produzione senza
entrare in contatto con la bolla di film
plastico.
 Soluzione:
Misuratore ottico di spessore.
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

3. Interferometro di Michelson in fibra ottica 3
 A conservazione di potenza:
Circolatore ottico
Ramo di riferimento
SLED Specchio
mobile
Ricevitore Ramo di misura Film
bilanciato
plastico
Segnale
interferometrico
 Con sorgente a bassa coerenza:
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

4. Diodo superluminoso 4
 SLED:
La luce generata per emissione spontanea viene amplificata in cavità ma la bassa
riflettività delle estremità inibisce l’azione laser.
 Caratteristiche SLD1021 – Covega Corporations:
» Pout = 15 mW
» λ0 = 1310 nm
» Δλ = 70 nm
70 nm
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

5. Specchio rotatore di Faraday 5
 Variazioni dello stato di polarizzazione:
» Causate da alterazioni meccaniche e termiche della fibra.
 Soluzione:
» Ramo di riferimento: terminato con specchio di Faraday;
» Ramo di misura: rotatore di Faraday (appena prima della testa ottica).
 Rotatore di Faraday:
Polarizzatore
Specchio di
Polarizzatore
Faraday
Rotatore di
Faraday
Rotatore di
Faraday
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

6. Schema a blocchi 6
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

7. Driver SLED 7
 Generatore di corrente regolabile:
LM317:
Retroazione interna
che impone 1,25V
tra VOUT e ADJ.
1,25V
1,25V VTRIMMER 100Ω
Trimmer 100 Ω Iout
R14
500 mA
1,25V
Trimmer 0 Ω Iout 833 mA
R14
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

8. Modulo “Driver SLED” 8
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

9. Onda triangolare alta tensione 9
 Amplificatore di potenza:
PA94:
Alimentato con:
+HV=450V
-HV=-450V
tramite due
DC/DC converter.
D5 e D6:
Diodi di
protezione in
ingresso al PA94.
R4:
Resistenza di
limitazione
corrente di uscita.
 Onda triangolare a bassa tensione:
- ampiezza ±10V
- frequenza 200Hz
 Guadagno invertente dello stadio |G|= 40
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

10. Modulo “Onda triangolare alta tensione” 10
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

11. Filtro di acquisizione 11
 Filtro passa-banda e rivelatore di inviluppo:
Rivelatore di inviluppo
Filtro passa-banda
 Frange interferometriche:
- Ampiezza = ± 1.8V IN: frange interferometriche
- Frequenza = 2.7Mhz OUT: inviluppo
 BPF:
- f0=2.7Mhz
- Δf=900khz
- Q=3
- G=2
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

12. Modulo ”Filtro di acquisizione” 12
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

13. Algoritmo per il calcolo dello spessore 13
1 - Allinemento in base al primo picco e media:
Rumore, false
riflessioni e disturbi
causati dalle
vibrazioni della bolla
vengono mediati.
2 - Rilevamento primo e ultimo picco:
Rilevamento picchi
tramite la funzione
FirstPeakDetector.
3 - Calcolo dello spessore:
vt Lo spessore è proporzionale alla distanza t N Tsample
d temporale tra il primo e l’ultimo picco
n
Ingegnerizzazione di un misuratore ottico di spessore di film plastici

14. Funzione FirstPeakDetector – parte 1/2 14
 E’ in grado di rilevare la posizione in campioni del primo picco
» Ingresso:
- Array della scansione di andata (ritorno) oppure array della media delle
scansioni di andata (ritorno);
- Parametro che indica se eseguire un flip orizzontale dell’array. In questo modo
è possibile ricavare l’ultimo picco.
» Uscita:
- Posizione in campioni del picco;
- Parametro che indica se è stato rilevato il picco.
 Questa funzione è utilizzata per:
 Allineare le scansioni di andata/ritorno in base al primo picco;
 Rilevare il primo picco della scansione di andata/ritorno mediata;
 Rilevare l’ultimo picco della scansione di andata/ritorno mediata.
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15. Funzione FirstPeakDetector – parte 2/2 15
 Come funziona?
1. Rileva picco grezzo:
Il picco grezzo è quel campione preceduto da quattro derivate positive e seguito da quattro
derivate negative o nulle
2. Costruisce arrayToFit:
Viene costruita un’array composta dai quattro campioni precedenti al picco grezzo, il picco
grezzo e i quattro campioni successivi al picco grezzo.
3. Esegue curve fitting con una parabola:
 Se il curve fitting riesce, il picco si trova in corrispondenza del massimo della parabola;
x Se il curve fitting non riesce, approssima il picco con il picco grezzo.
Picco grezzo
Campioni vicini
al picco grezzo
Picco parabolico Picco nascosto
(ultimo picco di ritorno film multistrato)
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16. Misurazione film trasparente 16
 Spessore nominale: 100 μm
Ampiezza [ V ]
Campioni
vt v
d [µm] N Tsample 106
n n
 Spessore misurato: 100,4 µm
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17. Misurazione film a doppia colorazione 17
 Colore: bianco e nero
 Spessore nominale: 40 μm
Ampiezza [ V ]
Campioni
 Spessore misurato: 37,1 µm
La nostra misura, molto probabilmente, si avvicina di più alla realtà!
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18. Riassunto e conclusioni 18
E’ stata realizzata una versione ingegnerizzata del prototipo del
misuratore ottico di spessore di film plastici.
 Punti di forza rispetto al prototipo:
 Aumento velocità di scansione;
 SLED ad elevata potenza e con bassa lunghezza di coerenza;
 Generazione tramite FPGA del segnale a bassa tensione di comando del fiber
stretcher;
 Rotatore e specchio di Faraday;
 Risparmio economico;
 Affidabilità.
 Grazie al nostro strumento è possibile misurare durante la produzione lo
spessore di:
» Film plastici trasparenti di spessore compreso tra 10µm e 300µm;
» Film plastici colorati e a doppia colorazione (attenzione ai colori scuri).
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19. Fine presentazione 19
Vi ringrazio per la
cortese attenzione…
Stefano Zanardi
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