基于数字滤波技术的薄膜厚度在线检测

曹胜梅，何 平，李 岐，华 楠

(哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001)

1 引言

如今，塑料薄膜的应用在工业生产和人类生活中起着举足轻重的作用，已被广泛应用于包装、医药、化工、农业等领域，给人们生活带来了极大便利。薄膜以及以薄膜为主要辅助材料的其它产品的生产性能和生产成本等均与其厚度密切相关，因此如何实现薄膜厚度的高精度检测已成为现今不可回避的话题［1］。

在市场需求的推动下，薄膜测厚技术取得突破性进展，各种新设备、新工艺不断涌现。其中红外测厚仪无论在测量精度还是抗干扰能力等方面都表现出突出的竞争力。基于红外技术的薄膜厚度在线检测系统是利用光学吸收原理来设计的，薄膜对红外光的吸收程度与薄膜厚度成一定的数学关系［2］。本文旨在研究检测系统在生产检测过程中测试信号的产生和调理。由于系统对测量精度的要求很高，在数据处理过程中要采用大量的软件滤波算法，因此系统采用高性能处理器TMS320F2812作为主控芯片，提高数据处理效率，实现对薄膜厚度的实时检测。

2 薄膜厚度检测方案

薄膜对红外光的吸收程度随波长的变化而变化，系统选择容易被薄膜吸收的光为测量光，不易被薄膜吸收的为参照光，并使两路红外光交替照射薄膜。光照模式如图1所示。

图1 光照模式示意图

如图1所示，两路红外光以180°相位差工作在方波模式，并拥有相同的调制频率。加载薄膜后，测量光被薄膜吸收的程度远大于参考光，合成的信号是具有一定偏置的方波信号，信号幅值与两路光的幅值差有关，即为最终所需的薄膜敏感信号［3］。由于信号中混有环境光造成的直流量或低频量，要将获得的敏感信号送入信号调理电路进行隔直、滤波、放大等处理，最终通过采样将数据送入TMS320F2812进行数字滤波、归一化处理，求取薄膜厚度。

3 调制信号的产生

系统工作时，需要一个频率为2KHz的方波信号来驱动两路发光管交替发光。系统采用能够产生精确定时脉冲的高稳度控制器NE555，通过调整外围电路的电阻和电容大小来产生特定频率和占空比的方波信号［4］。实验测得NE555的输出电流最高可达200mA，但是单个发光管的驱动电流就需要200mA，因此要通过后续放大电路来增大其驱动能力。最后选用稳压芯片LM317为核心芯片设计稳流电路使流经发光管的电流稳定在200mA［5］。调制信号的产生电路原理图如图2所示。

方波的周期和占空比分别如公式(1)、(2)所示。

其中T为方波周期，R1、R2为电阻阻值，Q为占空比，C5为电容大小，根据系统要求取 R1、R2为3K，C5为 0.1uF。

4 待测数据的采集与处理

4.1 数据采集前的处理

两路红外光透射后由高精度传感器硒化铅红外光敏电阻将光信号转化为电信号，获得的电信号含有环境光引起的直流量或低频量，因此要先经过隔直处理然后送入模拟滤波器进行模拟滤波。

图2 调制信号产生电路原理图

模拟滤波器采用MAX275作为核心芯片，该芯片集成了两个独立的二阶滤波器，频率误差为，总谐波失真低于－89dB。系统将两个二阶滤波器级联成四阶滤波器，借助MAX275参数设置软件，通过调节外围电路的电阻大小设计成切比雪夫型滤波器。经过模拟滤波的信号为正弦信号，信噪比大大提高。

4.2 待测数据的采集

进行待测数据采集时，可以通过TMS320F2812内部自带的AD模块直接对电压信号进行采集。但是此AD模块只有12位，为了提高转换精度，系统采用16位的AD转换芯片AD976进行模拟信号到数字信号的转换［6］。已知待采样的信号频率为2KHz，为了保证高准确度的捕获信号峰值，将AD转换频率设置为125KHz，并利用TMS320F2812的内部定时器定时启动采样。具体流程图如图3所示。

4.3 数字滤波器的设计

经过模拟滤波后的正弦信号信噪比虽有明显提高，但是由于受到模、数处理电路间的干扰或AD采样芯片的条件限制，仍然存在一定的干扰信号。为了提高测量精度，需要加入数字滤波器对信号作进一步滤波处理［7］。

图3 AD采样流程图

数字滤波器分为无限长数字滤波器IIR和有限长数字滤波器FIR两类。无限长数字滤波器的幅频特性精度很高，但不是线性相位，当系统对相位要求较高时，需要加入相位校准网络。有限长数字滤波器的幅频特性精度比无限长滤波器略低，但是具有严格的线性相频特性，用于计算的时延也小，对于信号的实时处理尤为重要。基于稳定性和运算精度要求，系统选用有限长数字滤波器进行数字滤波［8］。

4.3.1 滤波算法的实现

FIR卷积型滤波器的时域差分方程为:

其中，h(m)为滤波系数，x(n－m)为正弦序列，N为滤波器阶数。考虑到系统的实时性和多数据性，系统选用80阶的kaiser滤波，编写的滤波函数如下:

4.3.2 滤波结果分析

数字滤波前，正弦信号的波形图如图4所示。

图4 滤波前正弦信号波形图

由图4可以看出，模拟滤波的效果已经很好，波形较为规范，但是波峰与波谷的绝对值不一致，这是由于信号中存在一定的干扰。将两路发光管关闭，在无红外光照射下，采集到的干扰信号波形如图5所示。

图5 滤波前干扰信号波形图

经过数字滤波处理，干扰信号基本被滤除，所得有效信号波形如图6所示。虽然存在一些相位延迟，但是系统只需要检测信号峰值，所以对信号的相位要求不高。信号在几个周期后进入稳定阶段，其峰值将作为薄膜厚度的直接相关信号，用于标定薄膜厚度。

5 结 束 语

设计的薄膜测厚系统，运用DSP技术实现了薄膜厚度的在线非接触式测量。测试信号的产生模块，可以输出稳定的电流来驱动发光管工作。系统通过采样芯片 AD976采集待测信号，然后送入TMS320F2812内部进行数字滤波处理，提高了系统测量精度。实验结果表明，该系统测试效率高，测试结果误差小，完全满足生产检测要求。

图6 滤波后正弦信号波形图

［1］杜方迅，徐刚，汤晓波.透射式激光测厚传感器的研制［J］.传感器技术，2002，21(10):16 －17.

［2］刘俊武.LED式固态薄膜厚度在线测量系统研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2011:4－5.

［3］张斌，李文启，易小月.光敏电阻的特性研究及应用［J］.才智，2009(30):68.

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

［5］徐海龙，侯少锋，任永强.基于TL431的直流稳压电源设计［J］.仪器仪表用户，2003，10(1):13 －14.

［6］万山明.TMS320F281xDSP原理及应用实例［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007:7－9.

［7］殷雪松，杜磊，陈文豪.PbS红外探测器的低频噪声特性研究［J］.红外技术，2010，32(12):704 －707.

［8］张鸣华，闵心蓉.红外测厚仪及提高其精度的方法［J］.电子测量与仪器学报，1992，6(4):34 －40.