基于STM32F103的涂鍍層測(cè)厚儀

華國(guó)環(huán)，張文鋒，邱立爭(zhēng)

(南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210044)

0 引言

表面工程作為一種節(jié)能、降低經(jīng)濟(jì)損失的有效手段，它的提出延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命[1]，但涂鍍層的厚薄均勻程度對(duì)材料的性能有著很大的影響，所以在使用涂鍍技術(shù)處理材料表面時(shí)，涂鍍層應(yīng)恰到好處[2]。

在工業(yè)生產(chǎn)中研制出高精度的涂鍍層測(cè)厚儀是研究的熱點(diǎn)。涂鍍層測(cè)厚技術(shù)在國(guó)外發(fā)展迅速，其測(cè)量方法多、測(cè)量精度高、應(yīng)用范圍廣，但國(guó)內(nèi)涂層測(cè)厚儀的研制起步較晚，存在制造成本高、應(yīng)用范圍窄、可靠性不高等問題，急需研制高精度高可靠性的涂鍍層測(cè)量?jī)x。

文中設(shè)計(jì)的高精度涂鍍層測(cè)厚儀用于測(cè)量金屬表面的電鍍層或涂層的厚度[3]，采用電磁感應(yīng)和電渦流效應(yīng)的高精度一體化探頭，能自動(dòng)識(shí)別并測(cè)量鋼/鐵等磁性材料表面的非磁性涂鍍層厚度(如鉻/油漆/陶瓷等)，也可以自動(dòng)識(shí)別并測(cè)量銅/鋁等非磁性材料表面的涂層厚度(如油漆等)[4]。

1 工作原理及硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

涂鍍層測(cè)厚技術(shù)按有無(wú)損壞劃分,分為有損測(cè)量和無(wú)損測(cè)量?jī)煞N[5]。本文主要針對(duì)磁感應(yīng)測(cè)厚和電渦流測(cè)厚兩種無(wú)損測(cè)量的原理來(lái)進(jìn)行研究。

圖1是測(cè)厚儀所用傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，該探頭將電渦流線圈與磁感應(yīng)線圈集成在一個(gè)測(cè)量探頭中。

圖1 探頭結(jié)構(gòu)示意圖

磁感應(yīng)測(cè)厚的原理是探頭部分用兩組線圈測(cè)量鐵基表面涂鍍層厚度，這兩組線圈等同于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈；初級(jí)線圈1用于產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，次級(jí)線圈2利用磁感應(yīng)耦合出穩(wěn)定振蕩信號(hào)；由于該振蕩信號(hào)的頻率隨著探頭距離鐵基表面的距離d變化而發(fā)生變化，所以通過(guò)測(cè)試振蕩信號(hào)的頻率，可以反推出鐵基表面涂層厚度。

電渦流測(cè)厚的原理是利用髙頻振蕩信號(hào)在探頭線圈3中產(chǎn)生電磁場(chǎng)，當(dāng)探頭接觸涂鍍層時(shí)，就在金屬基體上形成電渦流[6]。電渦流會(huì)對(duì)探頭中的線圈3產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫筋^距離金屬基體愈近，反饋?zhàn)饔迷酱螅瑢?dǎo)致探頭線圈中的振蕩頻率發(fā)生變化[7]。通過(guò)測(cè)量探頭中線圈3的振蕩頻率來(lái)間接測(cè)試鋁基表面的涂鍍層厚度。

1.2 硬件組成

基于STM32F103的涂鍍層測(cè)厚儀的硬件組成主要包括主控電路模塊、電源模塊、測(cè)厚電路模塊和人機(jī)交互模塊。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 主控電路模塊

主控電路模塊主要由微處理器、存儲(chǔ)電路、復(fù)位電路等組成。主控芯片采用STM32F103，其內(nèi)核為ARM32位的Cortex-M3，優(yōu)勢(shì)在于低功耗、低成本、高性能。STM32F103具有最高72 MHz的工作頻率，內(nèi)置高達(dá)512K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的SRAM，還集成了多種外圍設(shè)備及接口電路[8]。因其性價(jià)比高，所以STM32F103系列MCU應(yīng)用范圍非常廣泛。

1.2.2 電源模塊

測(cè)厚儀的供電采用2節(jié)3.7 V鋰電池串聯(lián)提供[9]。相比1.5 V電池升壓供電的方案，鋰電池電壓經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓之后產(chǎn)生的紋波干擾很小，頻率抖動(dòng)也只有0.02 Hz。

鋰電池的電壓檢測(cè)是先通過(guò)2個(gè)串聯(lián)電阻分壓，檢測(cè)兩電阻串接點(diǎn)的電壓值[10]，將測(cè)到的電壓值送給MCU內(nèi)部12位ADC采樣，經(jīng)過(guò)計(jì)算反推出電池的當(dāng)前電壓，最后決定是否開啟“低電壓報(bào)警”功能。

1.2.3 測(cè)厚電路模塊

測(cè)厚電路模塊是利用二合一測(cè)量探頭跟各自的振蕩電路產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，通過(guò)測(cè)試振蕩信號(hào)頻率來(lái)間接得到涂鍍層厚度。磁感應(yīng)測(cè)厚的振蕩電路示意圖如圖3所示。

圖3 磁感應(yīng)測(cè)厚振蕩電路

圖3所示的振蕩電路工作原理如下：第一級(jí)運(yùn)放通過(guò)探頭線圈1以及電阻電容組成一個(gè)自反饋RLC振蕩電路；第二級(jí)運(yùn)放把第一級(jí)運(yùn)放的輸出作為輸入，經(jīng)過(guò)整形放大之后輸出給第三級(jí)運(yùn)放；第三級(jí)運(yùn)放將第二級(jí)運(yùn)放的輸出與2個(gè)電阻組成的比例電壓作比較，進(jìn)行幅度調(diào)制，產(chǎn)生幅值穩(wěn)定的信號(hào)并且返回給第一級(jí)運(yùn)放；整個(gè)振蕩電路利用三級(jí)運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)完整的回路，最終輸出一個(gè)穩(wěn)定的振蕩信號(hào)。

通過(guò)測(cè)試探頭線圈2中感應(yīng)到的振蕩信號(hào)頻率，得到不同標(biāo)準(zhǔn)厚度樣片與振蕩頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 磁感應(yīng)振蕩頻率與標(biāo)準(zhǔn)厚度樣片

利用麥夸特算法在Origin軟件中擬合得到涂層厚度和振蕩頻率函數(shù)關(guān)系如下：

d1=21.763 38+7.872 6×1024exp(-0.664 12f1)

(1)

式中：d1為標(biāo)準(zhǔn)厚度，μm；f1為振蕩頻率，Hz。

利用擬合公式(1)可以通過(guò)探頭線圈2中的振蕩信號(hào)頻率計(jì)算出被測(cè)鐵基表面的涂鍍層厚度。

電渦流測(cè)厚電路的功能是測(cè)量非磁性材料表面非導(dǎo)電覆層的厚度[11]。如圖4(a)所示，電路中電感線圈L即為電渦流模塊的探頭線圈3，當(dāng)其與被測(cè)基體接近時(shí)，會(huì)在被測(cè)基體表面產(chǎn)生渦流，該渦流的磁場(chǎng)隨著線圈L的接近而增大，并且阻礙外磁場(chǎng)的變化。電渦流等效電路如圖4(b)所示，因電渦流磁場(chǎng)阻礙外磁場(chǎng)的變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁損耗。在諧振電路中則等效為電感L1減小，所以導(dǎo)致頻率f增大；反之當(dāng)探頭遠(yuǎn)離被測(cè)物體時(shí)，探頭中磁場(chǎng)增強(qiáng)，等效為L(zhǎng)C振蕩電路的電感L1增大，導(dǎo)致振蕩頻率f減?。煌ㄟ^(guò)測(cè)試LC振蕩頻率f的大小可以間接測(cè)出被測(cè)基體上涂鍍層的厚度[12]。

(a)

(b)

與鐵基擬合方法類似，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)厚度樣片測(cè)試得到涂層厚度和振蕩頻率的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系式如下：

d2=-179.803 2+5.024 3×1014exp(-0.013 75f2)

(2)

利用擬合公式(2)可以通過(guò)測(cè)試探頭線圈3中的振蕩信號(hào)頻率來(lái)計(jì)算出被測(cè)鋁基表面的涂鍍層厚度。

1.2.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊由4個(gè)按鍵和LCD顯示屏以及蜂鳴器組成。4個(gè)按鍵分別是電源鍵、μm/mil鍵、ZERO鍵、MODE鍵，其中μm/mil鍵的功能是單位切換。ZERO鍵的功能是在連續(xù)測(cè)量模式下可以進(jìn)行較準(zhǔn)。MODE鍵的功能是進(jìn)行測(cè)量模式SNG/CON的切換，SNG顯示時(shí)表明測(cè)厚儀處于單次測(cè)量模式，CON顯示時(shí)表示此時(shí)測(cè)厚儀為連續(xù)測(cè)量模式。蜂鳴器用于電池電量檢測(cè)的低電壓報(bào)警和按鍵提示。

1.2.5 硬件實(shí)物圖

硬件實(shí)物圖如圖5和圖6所示。

圖5 測(cè)厚儀樣機(jī)

圖6 硬件電路背面圖

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于MDK Keil5開發(fā)平臺(tái)并選擇C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，程序采用模塊化思路，將不同的硬件模塊所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序放置在不同的C文件中，并構(gòu)成一個(gè)完整的工程，使軟件結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，增強(qiáng)了程序的可讀性[13]。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

從圖7可以看出，系統(tǒng)供電后先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入操作主界面并通過(guò)控制按鍵選擇功能模塊，包括單位切換、校零和測(cè)厚模式的切換。確認(rèn)測(cè)量模式后系統(tǒng)將測(cè)量的模擬電路采集輸入的頻率進(jìn)行運(yùn)算和處理得到準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)的厚度值，最終在顯示屏上輸出測(cè)量結(jié)果。

3 測(cè)量與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)測(cè)厚儀的測(cè)量精度和測(cè)試穩(wěn)定性，選取了5種不同厚度的漆膜樣板進(jìn)行測(cè)量。

3.1 測(cè)量精度測(cè)試結(jié)果

對(duì)不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)漆膜樣板測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)量精度測(cè)試結(jié)果

表2中列出了鋁基和鐵基關(guān)于5個(gè)漆膜樣板的測(cè)量結(jié)果，基于鋁基的平均誤差只有0.66%，基于鐵基的平均誤差只有0.48%。測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的測(cè)厚儀的測(cè)量精度較高，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3.2 重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

分別基于鋁基和鐵基對(duì)漆膜樣板厚度為100 μm的標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行多次測(cè)量，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 鋁基重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

表4 鐵基重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

表3和表4對(duì)單一標(biāo)準(zhǔn)樣板漆膜厚度測(cè)量的重復(fù)性誤差分別只有0.1%和0.09%，測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的涂層測(cè)厚儀穩(wěn)定性較好，可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行可靠測(cè)量。

通過(guò)對(duì)上述兩種基體測(cè)量的數(shù)據(jù)分析，可以看出本測(cè)厚儀的測(cè)量精度較高，平均誤差低于0.7%，重復(fù)性誤差很小，可用于涂鍍層厚度的高精度可靠測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于STM32F103的涂鍍層測(cè)厚儀。主要包括主控模塊、電源模塊、測(cè)厚電路模塊和人機(jī)交互模塊。測(cè)厚儀采用基于電渦流法和磁感應(yīng)法的測(cè)試探頭，方便對(duì)不同基體的涂鍍層厚度測(cè)試并且提高了測(cè)量精度。測(cè)厚儀的軟件集成了多種功能，包括校準(zhǔn)功能、恢復(fù)出廠設(shè)置功能、自動(dòng)關(guān)機(jī)功能、蜂鳴器提示操作完成功能，最大化滿足用戶的實(shí)際需求。測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的測(cè)厚儀具有很高的測(cè)量精度，平均誤差低于0.7%，重復(fù)性誤差很低，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。該測(cè)厚儀可廣泛應(yīng)用于磁性或非磁性基體的涂鍍層厚度測(cè)量。