基于電渦流傳感器的覆層測厚系統的設計

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基于電渦流傳感器的覆層測厚系統的設計

鄔少華

（仙桃市第一人民醫院設備科，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的設計方案。該系統集數據采集、數據處理、數據通信和數據顯示于一體。在硬件設計上，系統采用電渦流傳感器技術和微處理器控制技術，實現對金屬鍍層、板材厚度等的無損測量。在軟件的設計中，系統采用最小二乘法對采集數據進行誤差檢測和修正，進一步提高數據的精度和準確度。實驗表明，該系統可實現非接觸式測量，具有靈敏度高、頻響范圍寬、及適用性強的特點。

關鍵詞：覆層測厚系統;電渦流傳感器;控制技術;無損檢測

0　引言

對材料表面保護、裝飾形成的覆蓋層，如涂層、鍍層、敷層、貼層、化學生成膜等，在有關國家和國際標準中稱為覆層。覆層厚度測量已成為加工工業、表面工程質量檢測的重要一環，是產品達到優等質量標準的必備手段。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。

隨著技術的日益進步，特別是近年來引入微機技術后，測厚系統向微型、智能、多功能、高精度、實用化的方向進了一步。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的設計方案，該測厚系統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濟地進行。

1　正文

1.1電渦流傳感器測量原理

金屬導體置于變化著的磁場中，導體內就會產生感應電流，這種電流像水中漩渦那樣在導體內轉圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現象就稱為渦流效應。渦流式傳感器就是在這種渦流效應的基礎上建立起來的。

要形成渦流必須具備下列兩個條件：存在交變磁場；導電體處于交變磁場之中。因此，渦流式傳感器主要由產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體兩部分組成。金屬導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，將一些非電量轉換為阻抗的變化（或電感的變化），從而進行非電量的測量。

如圖1所示，一個通有交變電流I1的傳感器線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產生一個交變磁場H1。如被測導體置于該磁場范圍之內，被測導體內變產生電渦流I2，電渦流也將產生一個新磁場H2。H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因數發生改變。

一般來說，傳感器線圈的阻抗、電感和品質因數的變化與導體的幾何形狀、導電率和磁導率有關。也與線圈的幾何參數、電流的頻率以及線圈到被測導體間距離有關。如果控制上述參數中一個參數改變，其余皆不變，那么就可以構成測位移、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測厚系統組成和工作原理

系統利用電渦流探測器的高頻交變電流在線圈中產生一個電磁場，當測頭與覆蓋層接觸時，金屬基體上產生電渦流，并對側頭中的線圈產生反饋作用，通過測量反饋作用的大小可導出覆蓋層的厚度。

系統的硬件設計結構圖如圖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、存儲模塊、時鐘模塊、鍵盤輸入、LCD顯示等。系統工作時，操作員可以通過鍵盤輸入設置測量參數；信號采集電路完成電渦流輸出信號的放大、濾波等；處理器內部集成的A/D模塊完成采集信號的A/D轉換，然后將數字量寫入存儲模塊，完成信號的采集和存儲，并通過LCD電路顯示數據；測厚儀同時配有標準USB接口，根據需要將存儲信息外傳PC機存儲保管，或由計算機對接收的回撥數據信息進行進一步處理。

為降低開發成本，提高系統穩定性及便于硬件升級，電渦流式履層測厚系統采用自行研發設計的微處理控制系統。為滿足系統的處理速度和控制接口數量等方面的需求，本系統選用C8051F020處理器作為主控芯片。 C8051F020處理器的內部電路包括CIP-51微控制器內核及I/ O口、定時/計數器、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，且實時性、可靠性都很出色，綜合考慮C8051F020各項性能，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轉換為電信號。N1探頭是渦流法測量的通用標準探頭，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采集輸出的信號作為初始信號，其信號大小比較微小，需要經過差分電路進行電壓的放大，如圖3所示，放大倍數為10～20倍，以便于微控制器中AD模塊的轉換。

圖2　測厚儀的硬件設計結構圖

USB通信接口是連接PC機和測厚系統內嵌處理器通信的接口電路，當前采用USB接口芯片來實現PC機與設備之間的連接是一種比較好的方法，它能為設備與上位機之間提供高速可靠的數據傳輸通道。測厚系統的USB接口電路采用USB轉UART的芯片轉換器CP2101，其通用性強，開發簡便，具有最高96MB/s的瞬時傳輸速度，完全滿足系統通信需求。

2　測厚儀軟件設計

由于系統的應用軟件數據處理量大、實時性強，因此系統軟件采用模塊化的設計方法，使整個系統軟件層次分明，邏輯清楚，便于軟件的調試和修改，同時提高了系統的可靠性、靈活性和可維護性。

系統軟件主要包括主程序、中斷服務程序和子程序等。主程序是系統軟件的指揮中心，主程序的作用是完成各模塊的初始化，使每個模塊進入正常的工作狀態，協調各模塊之間的工作流程以實現檢測的功能。主程序能夠將其他模塊有機的結合在一起，完成系統初始化、實時狀態監測、實時控制量輸出及將實時參數傳輸到顯示屏等功能。

利用軟件來進行數字信號處理是軟件設計的關鍵部分，基于電渦流傳感器的涂層厚度測量是非線性測量，需要對采集數據進行處理，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據進行分段線性擬合，這樣電壓值隨著覆層厚度的變化在小范圍內基本上呈線性關系，而在較大范圍內呈非線性關系。經過這種校正處理后，電壓值和鍍層厚度值在平面坐標系中呈一一對應關系，此即是對采集到的數據進行優化。

最小二乘法的基本思想：給定一組實驗數據，這些數據往往是有序數對，根據誤差平方和最小化原則，找出這些數據的最佳函數匹配。

圖3　放大電路原理圖

3　測試分析

在測試環節中，我們選取經過標定后的鋼板上鍍鋅層的樣品作為測試對象進行檢測，并得到如下表1的實驗數據。

表1　實驗數據

該測量系統的整體誤差可以分為測量誤差和計算誤差兩部分。系統的測量誤差主要為主控芯片的A/D模塊的轉換誤差，并且在進行數據處理時，采用了分段線性校正方法，對測量結果準確度有一點的影響。

由測量結果分析，該系統可以精確測量金屬鍍層的厚度。精度≤0.5um±5%，穩定性好，通用性強，為工業領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　結束語

圖4　數據處理算法流程圖

本文提出一種基于電渦流傳感器的便攜式覆層測厚系統的設計與實現。相比于其他測量方法，電渦流式覆層測厚系統可實現非接觸式測量，具有靈敏度高、頻響范圍寬、及適用性強的特點，可以廣泛的應用于覆層的厚度測量。

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鄔少華，男，1969年生，湖北，工程師，本科，主管技師，主要研究方向：醫用電子設備

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：TP212

文獻標識碼：B