華國環(huán)，張文鋒，邱立爭

(南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京 210044)

0 引言

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

在工業(yè)生產中研制出高精度的涂鍍層測厚儀是研究的熱點。涂鍍層測厚技術在國外發(fā)展迅速，其測量方法多、測量精度高、應用范圍廣，但國內涂層測厚儀的研制起步較晚，存在制造成本高、應用范圍窄、可靠性不高等問題，急需研制高精度高可靠性的涂鍍層測量儀。

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

1 工作原理及硬件設計

1.1 工作原理

涂鍍層測厚技術按有無損壞劃分,分為有損測量和無損測量兩種[5]。本文主要針對磁感應測厚和電渦流測厚兩種無損測量的原理來進行研究。

圖1是測厚儀所用傳感器探頭的結構示意圖，該探頭將電渦流線圈與磁感應線圈集成在一個測量探頭中。

圖1 探頭結構示意圖

磁感應測厚的原理是探頭部分用兩組線圈測量鐵基表面涂鍍層厚度，這兩組線圈等同于變壓器的初級線圈和次級線圈；初級線圈1用于產生穩(wěn)定的振蕩信號，次級線圈2利用磁感應耦合出穩(wěn)定振蕩信號；由于該振蕩信號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，所以通過測試振蕩信號的頻率，可以反推出鐵基表面涂層厚度。

電渦流測厚的原理是利用髙頻振蕩信號在探頭線圈3中產生電磁場，當探頭接觸涂鍍層時，就在金屬基體上形成電渦流[6]。電渦流會對探頭中的線圈3產生反饋作用，探頭距離金屬基體愈近，反饋作用越大，導致探頭線圈中的振蕩頻率發(fā)生變化[7]。通過測量探頭中線圈3的振蕩頻率來間接測試鋁基表面的涂鍍層厚度。

1.2 硬件組成

基于STM32F103的涂鍍層測厚儀的硬件組成主要包括主控電路模塊、電源模塊、測厚電路模塊和人機交互模塊。整體結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件整體結構框圖

1.2.1 主控電路模塊

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

1.2.2 電源模塊

測厚儀的供電采用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，鋰電池電壓經過線性穩(wěn)壓之后產生的紋波干擾很小，頻率抖動也只有0.02 Hz。

鋰電池的電壓檢測是先通過2個串聯(lián)電阻分壓，檢測兩電阻串接點的電壓值[10]，將測到的電壓值送給MCU內部12位ADC采樣，經過計算反推出電池的當前電壓，最后決定是否開啟“低電壓報警”功能。

1.2.3 測厚電路模塊

測厚電路模塊是利用二合一測量探頭跟各自的振蕩電路產生穩(wěn)定的振蕩信號，通過測試振蕩信號頻率來間接得到涂鍍層厚度。磁感應測厚的振蕩電路示意圖如圖3所示。

圖3 磁感應測厚振蕩電路

圖3所示的振蕩電路工作原理如下：第一級運放通過探頭線圈1以及電阻電容組成一個自反饋RLC振蕩電路；第二級運放把第一級運放的輸出作為輸入，經過整形放大之后輸出給第三級運放；第三級運放將第二級運放的輸出與2個電阻組成的比例電壓作比較，進行幅度調制，產生幅值穩(wěn)定的信號并且返回給第一級運放；整個振蕩電路利用三級運放構成一個完整的回路，最終輸出一個穩(wěn)定的振蕩信號。

通過測試探頭線圈2中感應到的振蕩信號頻率，得到不同標準厚度樣片與振蕩頻率對應關系，如表1所示。

表1 磁感應振蕩頻率與標準厚度樣片

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關系如下：

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

(1)

式中：d1為標準厚度，μm；f1為振蕩頻率，Hz。

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

電渦流測厚電路的功能是測量非磁性材料表面非導電覆層的厚度[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，當其與被測基體接近時，會在被測基體表面產生渦流，該渦流的磁場隨著線圈L的接近而增大，并且阻礙外磁場的變化。電渦流等效電路如圖4(b)所示，因電渦流磁場阻礙外磁場的變化時，會產生磁損耗。在諧振電路中則等效為電感L1減小，所以導致頻率f增大；反之當探頭遠離被測物體時，探頭中磁場增強，等效為LC振蕩電路的電感L1增大，導致振蕩頻率f減??；通過測試LC振蕩頻率f的大小可以間接測出被測基體上涂鍍層的厚度[12]。

(a)

(b)

與鐵基擬合方法類似，根據標準厚度樣片測試得到涂層厚度和振蕩頻率的對應函數關系式如下：

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

(2)

利用擬合公式(2)可以通過測試探頭線圈3中的振蕩信號頻率來計算出被測鋁基表面的涂鍍層厚度。

1.2.4 人機交互模塊

人機交互模塊由4個按鍵和LCD顯示屏以及蜂鳴器組成。4個按鍵分別是電源鍵、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)測量模式下可以進行較準。MODE鍵的功能是進行測量模式SNG/CON的切換，SNG顯示時表明測厚儀處于單次測量模式，CON顯示時表示此時測厚儀為連續(xù)測量模式。蜂鳴器用于電池電量檢測的低電壓報警和按鍵提示。

1.2.5 硬件實物圖

硬件實物圖如圖5和圖6所示。

圖5 測厚儀樣機

圖6 硬件電路背面圖

2 軟件設計

軟件設計基于MDK Keil5開發(fā)平臺并選擇C語言作為編程語言，程序采用模塊化思路，將不同的硬件模塊所對應的驅動程序放置在不同的C文件中，并構成一個完整的工程，使軟件結構清晰簡潔，增強了程序的可讀性[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)供電后先進行初始化，然后進入操作主界面并通過控制按鍵選擇功能模塊，包括單位切換、校零和測厚模式的切換。確認測量模式后系統(tǒng)將測量的模擬電路采集輸入的頻率進行運算和處理得到準確對應的厚度值，最終在顯示屏上輸出測量結果。

3 測量與分析

為了驗證所設計測厚儀的測量精度和測試穩(wěn)定性，選取了5種不同厚度的漆膜樣板進行測量。

3.1 測量精度測試結果

對不同厚度的標準漆膜樣板測量結果如表2所示。

表2 測量精度測試結果

表2中列出了鋁基和鐵基關于5個漆膜樣板的測量結果，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%。測試結果表明所設計的測厚儀的測量精度較高，滿足實際應用需求。

3.2 重復性測試結果

分別基于鋁基和鐵基對漆膜樣板厚度為100 μm的標準樣板進行多次測量，結果如表3、表4所示。

表3 鋁基重復性測試結果

表4 鐵基重復性測試結果

表3和表4對單一標準樣板漆膜厚度測量的重復性誤差分別只有0.1%和0.09%，測試結果表明所設計的涂層測厚儀穩(wěn)定性較好，可長時間進行可靠測量。

通過對上述兩種基體測量的數據分析，可以看出本測厚儀的測量精度較高，平均誤差低于0.7%，重復性誤差很小，可用于涂鍍層厚度的高精度可靠測量。

4 結束語

本文介紹了一種基于STM32F103的涂鍍層測厚儀。主要包括主控模塊、電源模塊、測厚電路模塊和人機交互模塊。測厚儀采用基于電渦流法和磁感應法的測試探頭，方便對不同基體的涂鍍層厚度測試并且提高了測量精度。測厚儀的軟件集成了多種功能，包括校準功能、恢復出廠設置功能、自動關機功能、蜂鳴器提示操作完成功能，最大化滿足用戶的實際需求。測試結果表明所設計的測厚儀具有很高的測量精度，平均誤差低于0.7%，重復性誤差很低，可長時間穩(wěn)定工作。該測厚儀可廣泛應用于磁性或非磁性基體的涂鍍層厚度測量。