基于數字濾波技術的薄膜厚度在線檢測

曹勝梅，何 平，李 岐，華 楠

(哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱 150001)

1 引言

如今，塑料薄膜的應用在工業生產和人類生活中起著舉足輕重的作用，已被廣泛應用于包裝、醫藥、化工、農業等領域，給人們生活帶來了極大便利。薄膜以及以薄膜為主要輔助材料的其它產品的生產性能和生產成本等均與其厚度密切相關，因此如何實現薄膜厚度的高精度檢測已成為現今不可回避的話題［1］。

在市場需求的推動下，薄膜測厚技術取得突破性進展，各種新設備、新工藝不斷涌現。其中紅外測厚儀無論在測量精度還是抗干擾能力等方面都表現出突出的競爭力。基于紅外技術的薄膜厚度在線檢測系統是利用光學吸收原理來設計的，薄膜對紅外光的吸收程度與薄膜厚度成一定的數學關系［2］。本文旨在研究檢測系統在生產檢測過程中測試信號的產生和調理。由于系統對測量精度的要求很高，在數據處理過程中要采用大量的軟件濾波算法，因此系統采用高性能處理器TMS320F2812作為主控芯片，提高數據處理效率，實現對薄膜厚度的實時檢測。

2 薄膜厚度檢測方案

薄膜對紅外光的吸收程度隨波長的變化而變化，系統選擇容易被薄膜吸收的光為測量光，不易被薄膜吸收的為參照光，并使兩路紅外光交替照射薄膜。光照模式如圖1所示。

圖1 光照模式示意圖

如圖1所示，兩路紅外光以180°相位差工作在方波模式，并擁有相同的調制頻率。加載薄膜后，測量光被薄膜吸收的程度遠大于參考光，合成的信號是具有一定偏置的方波信號，信號幅值與兩路光的幅值差有關，即為最終所需的薄膜敏感信號［3］。由于信號中混有環境光造成的直流量或低頻量，要將獲得的敏感信號送入信號調理電路進行隔直、濾波、放大等處理，最終通過采樣將數據送入TMS320F2812進行數字濾波、歸一化處理，求取薄膜厚度。

3 調制信號的產生

系統工作時，需要一個頻率為2KHz的方波信號來驅動兩路發光管交替發光。系統采用能夠產生精確定時脈沖的高穩度控制器NE555，通過調整外圍電路的電阻和電容大小來產生特定頻率和占空比的方波信號［4］。實驗測得NE555的輸出電流最高可達200mA，但是單個發光管的驅動電流就需要200mA，因此要通過后續放大電路來增大其驅動能力。最后選用穩壓芯片LM317為核心芯片設計穩流電路使流經發光管的電流穩定在200mA［5］。調制信號的產生電路原理圖如圖2所示。

方波的周期和占空比分別如公式(1)、(2)所示。

其中T為方波周期，R1、R2為電阻阻值，Q為占空比，C5為電容大小，根據系統要求取 R1、R2為3K，C5為 0.1uF。

4 待測數據的采集與處理

4.1 數據采集前的處理

兩路紅外光透射后由高精度傳感器硒化鉛紅外光敏電阻將光信號轉化為電信號，獲得的電信號含有環境光引起的直流量或低頻量，因此要先經過隔直處理然后送入模擬濾波器進行模擬濾波。

圖2 調制信號產生電路原理圖

模擬濾波器采用MAX275作為核心芯片，該芯片集成了兩個獨立的二階濾波器，頻率誤差為，總諧波失真低于－89dB。系統將兩個二階濾波器級聯成四階濾波器，借助MAX275參數設置軟件，通過調節外圍電路的電阻大小設計成切比雪夫型濾波器。經過模擬濾波的信號為正弦信號，信噪比大大提高。

4.2 待測數據的采集

進行待測數據采集時，可以通過TMS320F2812內部自帶的AD模塊直接對電壓信號進行采集。但是此AD模塊只有12位，為了提高轉換精度，系統采用16位的AD轉換芯片AD976進行模擬信號到數字信號的轉換［6］。已知待采樣的信號頻率為2KHz，為了保證高準確度的捕獲信號峰值，將AD轉換頻率設置為125KHz，并利用TMS320F2812的內部定時器定時啟動采樣。具體流程圖如圖3所示。

4.3 數字濾波器的設計

經過模擬濾波后的正弦信號信噪比雖有明顯提高，但是由于受到模、數處理電路間的干擾或AD采樣芯片的條件限制，仍然存在一定的干擾信號。為了提高測量精度，需要加入數字濾波器對信號作進一步濾波處理［7］。

圖3 AD采樣流程圖

數字濾波器分為無限長數字濾波器IIR和有限長數字濾波器FIR兩類。無限長數字濾波器的幅頻特性精度很高，但不是線性相位，當系統對相位要求較高時，需要加入相位校準網絡。有限長數字濾波器的幅頻特性精度比無限長濾波器略低，但是具有嚴格的線性相頻特性，用于計算的時延也小，對于信號的實時處理尤為重要。基于穩定性和運算精度要求，系統選用有限長數字濾波器進行數字濾波［8］。

4.3.1 濾波算法的實現

FIR卷積型濾波器的時域差分方程為:

其中，h(m)為濾波系數，x(n－m)為正弦序列，N為濾波器階數?？紤]到系統的實時性和多數據性，系統選用80階的kaiser濾波，編寫的濾波函數如下:

4.3.2 濾波結果分析

數字濾波前，正弦信號的波形圖如圖4所示。

圖4 濾波前正弦信號波形圖

由圖4可以看出，模擬濾波的效果已經很好，波形較為規范，但是波峰與波谷的絕對值不一致，這是由于信號中存在一定的干擾。將兩路發光管關閉，在無紅外光照射下，采集到的干擾信號波形如圖5所示。

圖5 濾波前干擾信號波形圖

經過數字濾波處理，干擾信號基本被濾除，所得有效信號波形如圖6所示。雖然存在一些相位延遲，但是系統只需要檢測信號峰值，所以對信號的相位要求不高。信號在幾個周期后進入穩定階段，其峰值將作為薄膜厚度的直接相關信號，用于標定薄膜厚度。

5 結 束 語

設計的薄膜測厚系統，運用DSP技術實現了薄膜厚度的在線非接觸式測量。測試信號的產生模塊，可以輸出穩定的電流來驅動發光管工作。系統通過采樣芯片 AD976采集待測信號，然后送入TMS320F2812內部進行數字濾波處理，提高了系統測量精度。實驗結果表明，該系統測試效率高，測試結果誤差小，完全滿足生產檢測要求。

圖6 濾波后正弦信號波形圖

［1］杜方迅，徐剛，湯曉波.透射式激光測厚傳感器的研制［J］.傳感器技術，2002，21(10):16 －17.

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［4］Berlin，Howard M.555 Timer Applications Sourcebook，With Experiments［M］.H.W.Sams(Indianapolis)，1978:145－152.

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