?

基于電渦流傳感器的覆層測厚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄔少華

（仙桃市第一人民醫(yī)院設(shè)備科，湖北仙桃,433000）

摘要：提出一種基于電渦流傳感器的便攜式覆層測厚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)顯示于一體。在硬件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)采用電渦流傳感器技術(shù)和微處理器控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對金屬鍍層、板材厚度等的無損測量。在軟件的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)采用最小二乘法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差檢測和修正，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，具有靈敏度高、頻響范圍寬、及適用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：覆層測厚系統(tǒng);電渦流傳感器;控制技術(shù);無損檢測

0　引言

對材料表面保護(hù)、裝飾形成的覆蓋層，如涂層、鍍層、敷層、貼層、化學(xué)生成膜等，在有關(guān)國家和國際標(biāo)準(zhǔn)中稱為覆層。覆層厚度測量已成為加工工業(yè)、表面工程質(zhì)量檢測的重要一環(huán)，是產(chǎn)品達(dá)到優(yōu)等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的必備手段。覆層厚度的測量方法主要有：楔切法，光截法，電解法，厚度差測量法，稱重法，X射線熒光法，β射線反向散射法，電容法、磁性測量法及渦流測量法等。這些方法中前五種是有損檢測，測量手段繁瑣，速度慢，多適用于抽樣檢驗(yàn)。

隨著技術(shù)的日益進(jìn)步，特別是近年來引入微機(jī)技術(shù)后，測厚系統(tǒng)向微型、智能、多功能、高精度、實(shí)用化的方向進(jìn)了一步。因此，本文提出一種基于電渦流傳感器的便攜式覆層測厚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該測厚系統(tǒng)采用電渦流式無損檢測方法既不破壞覆層也不破壞基材，檢測速度快，能使大量的檢測工作經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行。

1　正文

1.1電渦流傳感器測量原理

金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中漩渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。渦流式傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。

要形成渦流必須具備下列兩個(gè)條件：存在交變磁場；導(dǎo)電體處于交變磁場之中。因此，渦流式傳感器主要由產(chǎn)生交變磁場的通電線圈和置于線圈附近因而處于交變磁場中的金屬導(dǎo)體兩部分組成。金屬導(dǎo)體也可以是被測對象本身。渦流式傳感器利用上述電渦流效應(yīng)，將一些非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化（或電感的變化），從而進(jìn)行非電量的測量。

如圖1所示，一個(gè)通有交變電流I1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場H1。如被測導(dǎo)體置于該磁場范圍之內(nèi)，被測導(dǎo)體內(nèi)變產(chǎn)生電渦流I2，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場H2。H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變。

一般來說，傳感器線圈的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)的變化與導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率有關(guān)。也與線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變，其余皆不變，那么就可以構(gòu)成測位移、測溫度、測硬度等的各種傳感器。

圖1　渦流式傳感器原理示意圖

1.2測厚系統(tǒng)組成和工作原理

系統(tǒng)利用電渦流探測器的高頻交變電流在線圈中產(chǎn)生一個(gè)電磁場，當(dāng)測頭與覆蓋層接觸時(shí)，金屬基體上產(chǎn)生電渦流，并對側(cè)頭中的線圈產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫ㄟ^測量反饋?zhàn)饔玫拇笮】蓪?dǎo)出覆蓋層的厚度。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，以C8051F020處理器為核心，配備高精度的電渦流探測器采集電路，控制模塊、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、鍵盤輸入、LCD顯示等。系統(tǒng)工作時(shí)，操作員可以通過鍵盤輸入設(shè)置測量參數(shù)；信號(hào)采集電路完成電渦流輸出信號(hào)的放大、濾波等；處理器內(nèi)部集成的A/D模塊完成采集信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量寫入存儲(chǔ)模塊，完成信號(hào)的采集和存儲(chǔ)，并通過LCD電路顯示數(shù)據(jù)；測厚儀同時(shí)配有標(biāo)準(zhǔn)USB接口，根據(jù)需要將存儲(chǔ)信息外傳PC機(jī)存儲(chǔ)保管，或由計(jì)算機(jī)對接收的回?fù)軘?shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步處理。

為降低開發(fā)成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及便于硬件升級(jí)，電渦流式履層測厚系統(tǒng)采用自行研發(fā)設(shè)計(jì)的微處理控制系統(tǒng)。為滿足系統(tǒng)的處理速度和控制接口數(shù)量等方面的需求，本系統(tǒng)選用C8051F020處理器作為主控芯片。 C8051F020處理器的內(nèi)部電路包括CIP-51微控制器內(nèi)核及I/ O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM、ROM、DAC、ADC、PCA和UART等部件，其靈活的控制方式使得C8051F020非常適合用于控制各種傳感器，且實(shí)時(shí)性、可靠性都很出色，綜合考慮C8051F020各項(xiàng)性能，用它作為測厚儀的主控制芯片非常合適。

電渦流探測器采用N1型渦流探頭將采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。N1探頭是渦流法測量的通用標(biāo)準(zhǔn)探頭，測量范圍0～1250um，分辨力為0.1um，被測面積的直徑大于5mm，基體的臨界厚度為0.3mm，此類探頭基本覆蓋大部分涂層厚度范圍。

電渦流探頭探測的物理信號(hào)采集輸出的信號(hào)作為初始信號(hào)，其信號(hào)大小比較微小，需要經(jīng)過差分電路進(jìn)行電壓的放大，如圖3所示，放大倍數(shù)為10～20倍，以便于微控制器中AD模塊的轉(zhuǎn)換。

圖2　測厚儀的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

USB通信接口是連接PC機(jī)和測厚系統(tǒng)內(nèi)嵌處理器通信的接口電路，當(dāng)前采用USB接口芯片來實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與設(shè)備之間的連接是一種比較好的方法，它能為設(shè)備與上位機(jī)之間提供高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。測厚系統(tǒng)的USB接口電路采用USB轉(zhuǎn)UART的芯片轉(zhuǎn)換器CP2101，其通用性強(qiáng)，開發(fā)簡便，具有最高96MB/s的瞬時(shí)傳輸速度，完全滿足系統(tǒng)通信需求。

2　測厚儀軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)處理量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，使整個(gè)系統(tǒng)軟件層次分明，邏輯清楚，便于軟件的調(diào)試和修改，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護(hù)性。

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、中斷服務(wù)程序和子程序等。主程序是系統(tǒng)軟件的指揮中心，主程序的作用是完成各模塊的初始化，使每個(gè)模塊進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，協(xié)調(diào)各模塊之間的工作流程以實(shí)現(xiàn)檢測的功能。主程序能夠?qū)⑵渌K有機(jī)的結(jié)合在一起，完成系統(tǒng)初始化、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時(shí)控制量輸出及將實(shí)時(shí)參數(shù)傳輸?shù)斤@示屏等功能。

利用軟件來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，基于電渦流傳感器的涂層厚度測量是非線性測量，需要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高其測量精度，降低由于測量誤差帶來的影響，本文提出利用最小二乘法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段線性擬合，這樣電壓值隨著覆層厚度的變化在小范圍內(nèi)基本上呈線性關(guān)系，而在較大范圍內(nèi)呈非線性關(guān)系。經(jīng)過這種校正處理后，電壓值和鍍層厚度值在平面坐標(biāo)系中呈一一對應(yīng)關(guān)系，此即是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

最小二乘法的基本思想：給定一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)往往是有序數(shù)對，根據(jù)誤差平方和最小化原則，找出這些數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。

圖3　放大電路原理圖

3　測試分析

在測試環(huán)節(jié)中，我們選取經(jīng)過標(biāo)定后的鋼板上鍍鋅層的樣品作為測試對象進(jìn)行檢測，并得到如下表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該測量系統(tǒng)的整體誤差可以分為測量誤差和計(jì)算誤差兩部分。系統(tǒng)的測量誤差主要為主控芯片的A/D模塊的轉(zhuǎn)換誤差，并且在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用了分段線性校正方法，對測量結(jié)果準(zhǔn)確度有一點(diǎn)的影響。

由測量結(jié)果分析，該系統(tǒng)可以精確測量金屬鍍層的厚度。精度≤0.5um±5%，穩(wěn)定性好，通用性強(qiáng)，為工業(yè)領(lǐng)域中金屬鍍層厚度測量的難題的解決提供了一條行之有效的途徑。

4　結(jié)束語

圖4　數(shù)據(jù)處理算法流程圖

本文提出一種基于電渦流傳感器的便攜式覆層測厚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。相比于其他測量方法，電渦流式覆層測厚系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，具有靈敏度高、頻響范圍寬、及適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以廣泛的應(yīng)用于覆層的厚度測量。

參考文獻(xiàn)

[1] 張洪潤.傳感器技術(shù)大全[M].北京航空航天大學(xué)出版社. pp1450-1472.

[2] 何文輝.一種新型電渦流傳感器的理論分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).2006年03期

[3] 林軍. 用于金屬材料性能無損檢測的渦流檢測探頭[J].無損檢測.1996年10期

[4] 孫向陽.渦流探傷在鐵路接觸線裂紋檢測中的應(yīng)用[D].西南交通大學(xué).2005

鄔少華，男，1969年生，湖北，工程師，本科，主管技師，主要研究方向：醫(yī)用電子設(shè)備

Design of Coating Thickness Measuring System Based on Eddy Current Sensor

Wu Shaohua

(Medical Equipment Department,Xiantao First Municipal People’s Hospital,Xiantao,433000,China)

Abstract：In this paper,a kind of coating thickness measuring system based on eddy current sensor was developed.The functions of data acquisition, data processing,data communication and data display are integrated in the system.In the design of hardware,the system is developed with eddy current sensor technology and microprocessor control technology to achieve nondestructive measurement on the metal plating and plate thickness.In software,the deviation of the real time data can be checked and corrected by the least square method to further improve data precision and accuracy.The system has been successfully applied to the non-contact measurement of coating thickness.Experiment results indicate that it is a sensitive, wide frequency range and highly adaptable method.

Keywords：coating thickness measuring instrument;eddy current sensor;control technology;non-destructive measurement

作者簡介

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B