金屬面涂層厚度高精度測量關鍵技術應用研究

饒增仁，趙　潔，牛兵剛，馬　騫（.蘭州大學信息科學與工程學院，甘肅蘭州70000；.蘭州城市學院數(shù)學學院，甘肅　蘭州70000；.蘭州蘭大小精靈新技術有限責任公司，甘肅　蘭州70000）

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金屬面涂層厚度高精度測量關鍵技術應用研究

饒增仁1，趙潔2，牛兵剛3，馬騫1
（1.蘭州大學信息科學與工程學院，甘肅蘭州730000；2.蘭州城市學院數(shù)學學院，甘肅蘭州730000；3.蘭州蘭大小精靈新技術有限責任公司，甘肅蘭州730000）

摘要：針對高精度金屬面涂層厚度測量設備的設計基本原理入手，首先分析了影響其測量精度的關鍵因素，并逐一闡述所采取的關鍵技術措施，從而為從事該行業(yè)設計與應用領域廣大工程技術人員提供一定參考價值。

關鍵詞：電磁感應；渦流；恒溫晶體振蕩器；數(shù)字濾波

1　概述

金屬基板涂層厚度測量基本原理，是根據(jù)電磁感應定律［1］，探頭線圈通以交變電流i1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生交變磁場H1，處于該磁場中的被測金屬導體表面產(chǎn)生感應電流，即電渦流，如圖1所示［2］。電渦流i2產(chǎn)生新的交變磁場H2；H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導致探頭線圈的等效阻抗相應地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測金屬導體的電阻率ρ，磁導率μ，線圈與金屬導體的距離x，以及線圈激勵電流的頻率f等參數(shù)。如果只改變上述參數(shù)中的距離x，而其余參數(shù)保持不變，則阻抗Z就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而可以確定該參數(shù)x的大小。

圖1　通電線圈接近金屬時的電磁感應示意圖

通常有兩種測量方法，調幅法和調頻法［3］，無論選用那一種測量方法，都需要通過不斷測量調試，以便確定在不同測量精度范圍內最佳的激勵源頻率，以及對應的本振電感L0和電容C0，最終通過測量互感應因素而反推出距離x值。一般對于鐵磁基板覆膜非磁性涂層厚度的測量采用調幅法進行，而對于非鐵磁金屬基板覆膜非導電涂層厚度采用調頻方法進行測量。

對于高精度測厚儀的應用設計，特別是測量范圍在500μm以內精度要求±（2μm+2%）范圍，則要考慮影響精度的一切因素，并采取必要措施保障測量滿足高精度要求。

2　關鍵技術

影響精度的關鍵因素主要包括不同測量環(huán)境下不同溫度的影響、外部電磁干擾噪聲因素、電路自身元器件的精度與穩(wěn)定性、感應探測觸頭電參數(shù)的精度與穩(wěn)定性、感應探測觸頭機械參數(shù)的精度與穩(wěn)定性等因素。針對這些影響檢測精度關鍵因素采取的技術措施，以下逐一說明。

2.1硬件電路的關鍵技術措施

無論對于調幅檢測方法電路還是調頻檢測方法電路，必須考慮硬件電路設計方面的關鍵技術。其中包括微處理器芯片需要采用高可靠性低功耗的芯片，晶振采取恒溫OCXO［4］高精度振蕩器，比如選取不超過10ppm（百萬分之五頻率誤差）范圍的晶振。所有電路元器件采用高可靠性高精度參數(shù)器件。激勵振蕩電路采取高穩(wěn)定性的帶有溫度補償?shù)碾娐?。另外，還要考慮電源工作穩(wěn)定性，除了并接濾波電容外，還要考慮增加線路串接小線圈電感，進一步穩(wěn)定電路的供電電壓。

2.2感應探測觸頭電參數(shù)的關鍵技術措施

選擇具有高品質因數(shù)Q的線圈，饋線連接要短且增加屏蔽措施。若使用鐵芯，則需要選擇剩磁小的鐵芯，選擇矯頑力小的磁芯，比如選擇軟磁鐵氧體、非晶合金和坡莫合金材料。如果可能，可以將激勵源電路尺寸縮小一起放置在感應探測觸頭內，以增加震蕩頻率穩(wěn)定性，減少由于機械位移而影響電路L、C分布參數(shù)，從而影響振蕩頻率的穩(wěn)定性。

2.3感應探測觸頭機械參數(shù)的關鍵技術措施

感應探測觸頭機械材料要選取彈性形變小、溫度膨脹系數(shù)小的材料，選擇高分子聚合材料PET［5］，這種材料具有良好力學特性，抗沖擊強度高，耐壓耐折。該材料的壓縮模量和伸縮模量幾乎相等，其彈性模量達3450MPa。當然校準片一定要保持厚薄均勻的PET樹脂材料，同時，校準環(huán)境要干凈整潔，以免存在灰塵或凸凹不平而影響校準測量點數(shù)值。

另外，必須仔細考慮感應探測頭的物理尺寸及形狀，以保障感應探測頭觸點穩(wěn)定垂直接觸到實測物體。為此，可考慮采用一定曲率半徑的較小接觸面。

2.4軟件編程方面的關鍵技術措施

高精度測厚儀內部運行的程序設計方面，即在軟件編程方面，首先采取較好的擬合算法，可以采用MATLAB工具［6］，針對不同溫度范圍和不同厚度校準片，結合靜態(tài)高精度位移校準儀，將量測的離散點，進行曲線擬合形成單一標準曲線或一組多個曲線（因溫度差）。

另外，針對環(huán)境溫度適應性，逐一選取不同溫度環(huán)境，比如在恒溫箱或者熱老化試驗箱內進行不同厚度校準片的測量，測量出的多組離散數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采用數(shù)學處理辦法，采取折中處理算法進行補償處理，擬合轉化出的一組或單個標準曲線，裝載入內部存儲器內，同時與補償算法及補償參數(shù)一起存儲。實際測量環(huán)境中，通過校準片校準后，實測數(shù)值能夠自動校準，自動尋找到補償處理過的標準曲線值。

同時，在實際測量過程中，軟件程序還需對實際環(huán)境中測量的數(shù)值進行快速的數(shù)字濾波處理［7～8］，去除噪聲干擾以得到真實的測量數(shù)值。常見的數(shù)字濾波算法有限幅限頻去抖算法等。以下是對一種數(shù)字濾波算法的改進示意圖，如圖2所示。

根據(jù)實際測量經(jīng)驗首先選定濾波計數(shù)器I，最大不超過N。采樣數(shù)字逐個存入一位數(shù)組A（I）內。

注意，在實際程序設計中需要同時運用多種濾波算法的結合方式進行編程處理，最終版本程序確定之前需要進行大量反復實際測量數(shù)據(jù)作支撐，以便最終選取適合的濾波算法。

圖2　去除超范圍的濾波算法框

3　結束語

針對高精度金屬面涂層厚度測量設備，從其內部的軟件編程設計，到其硬件電路設計，包括關鍵部件的機械性能多個方面，每個環(huán)節(jié)中涉及到的關鍵影響因素到逐一對應所采取的補償措施，在我們所設計的測厚設備樣機中都得到了具體應用體現(xiàn)，從而可為從事該行業(yè)設計與應用領域廣大工程技術人員提供參考。

參考文獻：

［1］趙凱華.電磁學（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2010，317-353.

［2］趙潔，鄭平.最小二乘法在電磁感應測距中的應用［J］.甘肅高師學報，2014，19（2）：12-13.

［3］余偉.現(xiàn)代檢測技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2012，71-78.

［4］伍曉芳，劉剛等.新型VCOCXO控溫原理及實現(xiàn)方法研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2004，32（2）:46-48.

［5］呂金旗.臥式光學計在電渦流測厚儀期間核查中的應用［J］.儀器測量，2011，21（6）:53-54.

［6］康家德.基于MATLAB的非線性曲線擬合［J］.計算機與現(xiàn)代化，2008（6）：16-19.

［7］楊明，狄衛(wèi)國.智能微機系統(tǒng)中的數(shù)字濾波算法研究［J］.儀表技術，2004（5）:34-35.

［8］朱恒軍，王發(fā)智.基于單片機的數(shù)字濾波算法與實現(xiàn)［J］.齊齊哈爾大學學報，2008，24（6）:53-57.

中圖分類號：TH71