基于數(shù)字濾波技術(shù)的薄膜厚度在線檢測

曹勝梅，何 平，李 岐，華 楠

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

1 引言

如今，塑料薄膜的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和人類生活中起著舉足輕重的作用，已被廣泛應(yīng)用于包裝、醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，給人們生活帶來了極大便利。薄膜以及以薄膜為主要輔助材料的其它產(chǎn)品的生產(chǎn)性能和生產(chǎn)成本等均與其厚度密切相關(guān)，因此如何實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的高精度檢測已成為現(xiàn)今不可回避的話題［1］。

在市場需求的推動下，薄膜測厚技術(shù)取得突破性進(jìn)展，各種新設(shè)備、新工藝不斷涌現(xiàn)。其中紅外測厚儀無論在測量精度還是抗干擾能力等方面都表現(xiàn)出突出的競爭力?；诩t外技術(shù)的薄膜厚度在線檢測系統(tǒng)是利用光學(xué)吸收原理來設(shè)計(jì)的，薄膜對紅外光的吸收程度與薄膜厚度成一定的數(shù)學(xué)關(guān)系［2］。本文旨在研究檢測系統(tǒng)在生產(chǎn)檢測過程中測試信號的產(chǎn)生和調(diào)理。由于系統(tǒng)對測量精度的要求很高，在數(shù)據(jù)處理過程中要采用大量的軟件濾波算法，因此系統(tǒng)采用高性能處理器TMS320F2812作為主控芯片，提高數(shù)據(jù)處理效率，實(shí)現(xiàn)對薄膜厚度的實(shí)時(shí)檢測。

2 薄膜厚度檢測方案

薄膜對紅外光的吸收程度隨波長的變化而變化，系統(tǒng)選擇容易被薄膜吸收的光為測量光，不易被薄膜吸收的為參照光，并使兩路紅外光交替照射薄膜。光照模式如圖1所示。

圖1 光照模式示意圖

如圖1所示，兩路紅外光以180°相位差工作在方波模式，并擁有相同的調(diào)制頻率。加載薄膜后，測量光被薄膜吸收的程度遠(yuǎn)大于參考光，合成的信號是具有一定偏置的方波信號，信號幅值與兩路光的幅值差有關(guān)，即為最終所需的薄膜敏感信號［3］。由于信號中混有環(huán)境光造成的直流量或低頻量，要將獲得的敏感信號送入信號調(diào)理電路進(jìn)行隔直、濾波、放大等處理，最終通過采樣將數(shù)據(jù)送入TMS320F2812進(jìn)行數(shù)字濾波、歸一化處理，求取薄膜厚度。

3 調(diào)制信號的產(chǎn)生

系統(tǒng)工作時(shí)，需要一個(gè)頻率為2KHz的方波信號來驅(qū)動兩路發(fā)光管交替發(fā)光。系統(tǒng)采用能夠產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器NE555，通過調(diào)整外圍電路的電阻和電容大小來產(chǎn)生特定頻率和占空比的方波信號［4］。實(shí)驗(yàn)測得NE555的輸出電流最高可達(dá)200mA，但是單個(gè)發(fā)光管的驅(qū)動電流就需要200mA，因此要通過后續(xù)放大電路來增大其驅(qū)動能力。最后選用穩(wěn)壓芯片LM317為核心芯片設(shè)計(jì)穩(wěn)流電路使流經(jīng)發(fā)光管的電流穩(wěn)定在200mA［5］。調(diào)制信號的產(chǎn)生電路原理圖如圖2所示。

方波的周期和占空比分別如公式(1)、(2)所示。

其中T為方波周期，R1、R2為電阻阻值，Q為占空比，C5為電容大小，根據(jù)系統(tǒng)要求取 R1、R2為3K，C5為 0.1uF。

4 待測數(shù)據(jù)的采集與處理

4.1 數(shù)據(jù)采集前的處理

兩路紅外光透射后由高精度傳感器硒化鉛紅外光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，獲得的電信號含有環(huán)境光引起的直流量或低頻量，因此要先經(jīng)過隔直處理然后送入模擬濾波器進(jìn)行模擬濾波。

圖2 調(diào)制信號產(chǎn)生電路原理圖

模擬濾波器采用MAX275作為核心芯片，該芯片集成了兩個(gè)獨(dú)立的二階濾波器，頻率誤差為，總諧波失真低于－89dB。系統(tǒng)將兩個(gè)二階濾波器級聯(lián)成四階濾波器，借助MAX275參數(shù)設(shè)置軟件，通過調(diào)節(jié)外圍電路的電阻大小設(shè)計(jì)成切比雪夫型濾波器。經(jīng)過模擬濾波的信號為正弦信號，信噪比大大提高。

4.2 待測數(shù)據(jù)的采集

進(jìn)行待測數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以通過TMS320F2812內(nèi)部自帶的AD模塊直接對電壓信號進(jìn)行采集。但是此AD模塊只有12位，為了提高轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)采用16位的AD轉(zhuǎn)換芯片AD976進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換［6］。已知待采樣的信號頻率為2KHz，為了保證高準(zhǔn)確度的捕獲信號峰值，將AD轉(zhuǎn)換頻率設(shè)置為125KHz，并利用TMS320F2812的內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)啟動采樣。具體流程圖如圖3所示。

4.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

經(jīng)過模擬濾波后的正弦信號信噪比雖有明顯提高，但是由于受到模、數(shù)處理電路間的干擾或AD采樣芯片的條件限制，仍然存在一定的干擾信號。為了提高測量精度，需要加入數(shù)字濾波器對信號作進(jìn)一步濾波處理［7］。

圖3 AD采樣流程圖

數(shù)字濾波器分為無限長數(shù)字濾波器IIR和有限長數(shù)字濾波器FIR兩類。無限長數(shù)字濾波器的幅頻特性精度很高，但不是線性相位，當(dāng)系統(tǒng)對相位要求較高時(shí)，需要加入相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。有限長數(shù)字濾波器的幅頻特性精度比無限長濾波器略低，但是具有嚴(yán)格的線性相頻特性，用于計(jì)算的時(shí)延也小，對于信號的實(shí)時(shí)處理尤為重要?；诜€(wěn)定性和運(yùn)算精度要求，系統(tǒng)選用有限長數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波［8］。

4.3.1 濾波算法的實(shí)現(xiàn)

FIR卷積型濾波器的時(shí)域差分方程為:

其中，h(m)為濾波系數(shù)，x(n－m)為正弦序列，N為濾波器階數(shù)。考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和多數(shù)據(jù)性，系統(tǒng)選用80階的kaiser濾波，編寫的濾波函數(shù)如下:

4.3.2 濾波結(jié)果分析

數(shù)字濾波前，正弦信號的波形圖如圖4所示。

圖4 濾波前正弦信號波形圖

由圖4可以看出，模擬濾波的效果已經(jīng)很好，波形較為規(guī)范，但是波峰與波谷的絕對值不一致，這是由于信號中存在一定的干擾。將兩路發(fā)光管關(guān)閉，在無紅外光照射下，采集到的干擾信號波形如圖5所示。

圖5 濾波前干擾信號波形圖

經(jīng)過數(shù)字濾波處理，干擾信號基本被濾除，所得有效信號波形如圖6所示。雖然存在一些相位延遲，但是系統(tǒng)只需要檢測信號峰值，所以對信號的相位要求不高。信號在幾個(gè)周期后進(jìn)入穩(wěn)定階段，其峰值將作為薄膜厚度的直接相關(guān)信號，用于標(biāo)定薄膜厚度。

5 結(jié) 束 語

設(shè)計(jì)的薄膜測厚系統(tǒng)，運(yùn)用DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了薄膜厚度的在線非接觸式測量。測試信號的產(chǎn)生模塊，可以輸出穩(wěn)定的電流來驅(qū)動發(fā)光管工作。系統(tǒng)通過采樣芯片 AD976采集待測信號，然后送入TMS320F2812內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字濾波處理，提高了系統(tǒng)測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測試效率高，測試結(jié)果誤差小，完全滿足生產(chǎn)檢測要求。

圖6 濾波后正弦信號波形圖

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