饒?jiān)鋈?，趙　潔，牛兵剛，馬　騫（.蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州70000；.蘭州城市學(xué)院數(shù)學(xué)學(xué)院，甘肅　蘭州70000；.蘭州蘭大小精靈新技術(shù)有限責(zé)任公司，甘肅　蘭州70000）

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金屬面涂層厚度高精度測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

饒?jiān)鋈?，趙潔2，牛兵剛3，馬騫1
（1.蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730000；2.蘭州城市學(xué)院數(shù)學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000；3.蘭州蘭大小精靈新技術(shù)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000）

摘要：針對(duì)高精度金屬面涂層厚度測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)基本原理入手，首先分析了影響其測(cè)量精度的關(guān)鍵因素，并逐一闡述所采取的關(guān)鍵技術(shù)措施，從而為從事該行業(yè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用領(lǐng)域廣大工程技術(shù)人員提供一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；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(cè)量基本原理，是根據(jù)電磁感應(yīng)定律［1］，探頭線圈通以交變電流i1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，處于該磁場(chǎng)中的被測(cè)金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)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(chǎng)H2；H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導(dǎo)致探頭線圈的等效阻抗相應(yīng)地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電阻率ρ，磁導(dǎo)率μ，線圈與金屬導(dǎo)體的距離x，以及線圈激勵(lì)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(gè)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(shí)的電磁感應(yīng)示意圖

通常有兩種測(cè)量方法，調(diào)幅法和調(diào)頻法［3］，無(wú)論選用那一種測(cè)量方法，都需要通過不斷測(cè)量調(diào)試，以便確定在不同測(cè)量精度范圍內(nèi)最佳的激勵(lì)源頻率，以及對(duì)應(yīng)的本振電感L0和電容C0，最終通過測(cè)量互感應(yīng)因素而反推出距離x值。一般對(duì)于鐵磁基板覆膜非磁性涂層厚度的測(cè)量采用調(diào)幅法進(jìn)行，而對(duì)于非鐵磁金屬基板覆膜非導(dǎo)電涂層厚度采用調(diào)頻方法進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)于高精度測(cè)厚儀的應(yīng)用設(shè)計(jì)，特別是測(cè)量范圍在500μm以內(nèi)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(cè)量滿足高精度要求。

2　關(guān)鍵技術(shù)

影響精度的關(guān)鍵因素主要包括不同測(cè)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(yīng)探測(cè)觸頭電參數(shù)的精度與穩(wěn)定性、感應(yīng)探測(cè)觸頭機(jī)械參數(shù)的精度與穩(wěn)定性等因素。針對(duì)這些影響檢測(cè)精度關(guān)鍵因素采取的技術(shù)措施，以下逐一說明。

2.1硬件電路的關(guān)鍵技術(shù)措施

無(wú)論對(duì)于調(diào)幅檢測(cè)方法電路還是調(diào)頻檢測(cè)方法電路，必須考慮硬件電路設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵技術(shù)。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(wàn)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(lì)振蕩電路采取高穩(wěn)定性的帶有溫度補(bǔ)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(jìn)一步穩(wěn)定電路的供電電壓。

2.2感應(yīng)探測(cè)觸頭電參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)措施

選擇具有高品質(zhì)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(lì)源電路尺寸縮小一起放置在感應(yīng)探測(cè)觸頭內(nèi)，以增加震蕩頻率穩(wěn)定性，減少由于機(jī)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(yīng)探測(cè)觸頭機(jī)械參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)措施

感應(yīng)探測(cè)觸頭機(jī)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(xué)特性，抗沖擊強(qiáng)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(dá)3450MPa。當(dāng)然校準(zhǔn)片一定要保持厚薄均勻的PET樹脂材料，同時(shí)，校準(zhǔn)環(huán)境要干凈整潔，以免存在灰塵或凸凹不平而影響校準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)數(shù)值。

另外，必須仔細(xì)考慮感應(yīng)探測(cè)頭的物理尺寸及形狀，以保障感應(yīng)探測(cè)頭觸點(diǎn)穩(wěn)定垂直接觸到實(shí)測(cè)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(guān)鍵技術(shù)措施

高精度測(cè)厚儀內(nèi)部運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)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(duì)不同溫度范圍和不同厚度校準(zhǔn)片，結(jié)合靜態(tài)高精度位移校準(zhǔn)儀，將量測(cè)的離散點(diǎn)，進(jìn)行曲線擬合形成單一標(biāo)準(zhǔn)曲線或一組多個(gè)曲線（因溫度差）。

另外，針對(duì)環(huán)境溫度適應(yīng)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(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行不同厚度校準(zhǔn)片的測(cè)量，測(cè)量出的多組離散數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采用數(shù)學(xué)處理辦法，采取折中處理算法進(jìn)行補(bǔ)償處理，擬合轉(zhuǎn)化出的一組或單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線，裝載入內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)，同時(shí)與補(bǔ)償算法及補(bǔ)償參數(shù)一起存儲(chǔ)。實(shí)際測(cè)量環(huán)境中，通過校準(zhǔn)片校準(zhǔn)后，實(shí)測(cè)數(shù)值能夠自動(dòng)校準(zhǔn)，自動(dòng)尋找到補(bǔ)償處理過的標(biāo)準(zhǔn)曲線值。

同時(shí)，在實(shí)際測(cè)量過程中，軟件程序還需對(duì)實(shí)際環(huán)境中測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行快速的數(shù)字濾波處理［7～8］，去除噪聲干擾以得到真實(shí)的測(cè)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(duì)一種數(shù)字濾波算法的改進(jìn)示意圖，如圖2所示。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)首先選定濾波計(jì)數(shù)器I，最大不超過N。采樣數(shù)字逐個(gè)存入一位數(shù)組A（I）內(nèi)。

注意，在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中需要同時(shí)運(yùn)用多種濾波算法的結(jié)合方式進(jìn)行編程處理，最終版本程序確定之前需要進(jìn)行大量反復(fù)實(shí)際測(cè)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(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高精度金屬面涂層厚度測(cè)量設(shè)備，從其內(nèi)部的軟件編程設(shè)計(jì)，到其硬件電路設(shè)計(jì)，包括關(guān)鍵部件的機(jī)械性能多個(gè)方面，每個(gè)環(huán)節(jié)中涉及到的關(guān)鍵影響因素到逐一對(duì)應(yīng)所采取的補(bǔ)償措施，在我們所設(shè)計(jì)的測(cè)厚設(shè)備樣機(jī)中都得到了具體應(yīng)用體現(xiàn)，從而可為從事該行業(yè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用領(lǐng)域廣大工程技術(shù)人員提供參考。

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中圖分類號(hào)：TH71