金属面涂层厚度高精度测量关键技术应用研究

饶增仁，赵　洁，牛兵刚，马　骞（.兰州大学信息科学与工程学院，甘肃兰州70000；.兰州城市学院数学学院，甘肃　兰州70000；.兰州兰大小精灵新技术有限责任公司，甘肃　兰州70000）



金属面涂层厚度高精度测量关键技术应用研究

饶增仁1，赵洁2，牛兵刚3，马骞1
（1.兰州大学信息科学与工程学院，甘肃兰州730000；2.兰州城市学院数学学院，甘肃兰州730000；3.兰州兰大小精灵新技术有限责任公司，甘肃兰州730000）

摘要：针对高精度金属面涂层厚度测量设备的设计基本原理入手，首先分析了影响其测量精度的关键因素，并逐一阐述所采取的关键技术措施，从而为从事该行业设计与应用领域广大工程技术人员提供一定参考价值。

关键词：电磁感应；涡流；恒温晶体振荡器；数字滤波

1　概述

金属基板涂层厚度测量基本原理，是根据电磁感应定律［1］，探头线圈通以交变电流i1时，线圈周围空间必然产生交变磁场H1，处于该磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图1所示［2］。电涡流i2产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并力图削弱H1，从而导致探头线圈的等效阻抗相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的频率f等参数。如果只改变上述参数中的距离x，而其余参数保持不变，则阻抗Z就成为这个变化参数的单值函数，从而可以确定该参数x的大小。

图1　通电线圈接近金属时的电磁感应示意图

通常有两种测量方法，调幅法和调频法［3］，无论选用那一种测量方法，都需要通过不断测量调试，以便确定在不同测量精度范围内最佳的激励源频率，以及对应的本振电感L0和电容C0，最终通过测量互感应因素而反推出距离x值。一般对于铁磁基板覆膜非磁性涂层厚度的测量采用调幅法进行，而对于非铁磁金属基板覆膜非导电涂层厚度采用调频方法进行测量。

对于高精度测厚仪的应用设计，特别是测量范围在500μm以内精度要求±（2μm+2%）范围，则要考虑影响精度的一切因素，并采取必要措施保障测量满足高精度要求。

2　关键技术

影响精度的关键因素主要包括不同测量环境下不同温度的影响、外部电磁干扰噪声因素、电路自身元器件的精度与稳定性、感应探测触头电参数的精度与稳定性、感应探测触头机械参数的精度与稳定性等因素。针对这些影响检测精度关键因素采取的技术措施，以下逐一说明。

2.1硬件电路的关键技术措施

无论对于调幅检测方法电路还是调频检测方法电路，必须考虑硬件电路设计方面的关键技术。其中包括微处理器芯片需要采用高可靠性低功耗的芯片，晶振采取恒温OCXO［4］高精度振荡器，比如选取不超过10ppm（百万分之五频率误差）范围的晶振。所有电路元器件采用高可靠性高精度参数器件。激励振荡电路采取高稳定性的带有温度补偿的电路。另外，还要考虑电源工作稳定性，除了并接滤波电容外，还要考虑增加线路串接小线圈电感，进一步稳定电路的供电电压。

2.2感应探测触头电参数的关键技术措施

选择具有高品质因数Q的线圈，馈线连接要短且增加屏蔽措施。若使用铁芯，则需要选择剩磁小的铁芯，选择矫顽力小的磁芯，比如选择软磁铁氧体、非晶合金和坡莫合金材料。如果可能，可以将激励源电路尺寸缩小一起放置在感应探测触头内，以增加震荡频率稳定性，减少由于机械位移而影响电路L、C分布参数，从而影响振荡频率的稳定性。

2.3感应探测触头机械参数的关键技术措施

感应探测触头机械材料要选取弹性形变小、温度膨胀系数小的材料，选择高分子聚合材料PET［5］，这种材料具有良好力学特性，抗冲击强度高，耐压耐折。该材料的压缩模量和伸缩模量几乎相等，其弹性模量达3450MPa。当然校准片一定要保持厚薄均匀的PET树脂材料，同时，校准环境要干净整洁，以免存在灰尘或凸凹不平而影响校准测量点数值。

另外，必须仔细考虑感应探测头的物理尺寸及形状，以保障感应探测头触点稳定垂直接触到实测物体。为此，可考虑采用一定曲率半径的较小接触面。

2.4软件编程方面的关键技术措施

高精度测厚仪内部运行的程序设计方面，即在软件编程方面，首先采取较好的拟合算法，可以采用MATLAB工具［6］，针对不同温度范围和不同厚度校准片，结合静态高精度位移校准仪，将量测的离散点，进行曲线拟合形成单一标准曲线或一组多个曲线（因温度差）。

另外，针对环境温度适应性，逐一选取不同温度环境，比如在恒温箱或者热老化试验箱内进行不同厚度校准片的测量，测量出的多组离散数据，统一采用数学处理办法，采取折中处理算法进行补偿处理，拟合转化出的一组或单个标准曲线，装载入内部存储器内，同时与补偿算法及补偿参数一起存储。实际测量环境中，通过校准片校准后，实测数值能够自动校准，自动寻找到补偿处理过的标准曲线值。

同时，在实际测量过程中，软件程序还需对实际环境中测量的数值进行快速的数字滤波处理［7～8］，去除噪声干扰以得到真实的测量数值。常见的数字滤波算法有限幅限频去抖算法等。以下是对一种数字滤波算法的改进示意图，如图2所示。

根据实际测量经验首先选定滤波计数器I，最大不超过N。采样数字逐个存入一位数组A（I）内。

注意，在实际程序设计中需要同时运用多种滤波算法的结合方式进行编程处理，最终版本程序确定之前需要进行大量反复实际测量数据作支撑，以便最终选取适合的滤波算法。

图2　去除超范围的滤波算法框

3　结束语

针对高精度金属面涂层厚度测量设备，从其内部的软件编程设计，到其硬件电路设计，包括关键部件的机械性能多个方面，每个环节中涉及到的关键影响因素到逐一对应所采取的补偿措施，在我们所设计的测厚设备样机中都得到了具体应用体现，从而可为从事该行业设计与应用领域广大工程技术人员提供参考。

参考文献：

［1］赵凯华.电磁学（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2010，317-353.

［2］赵洁，郑平.最小二乘法在电磁感应测距中的应用［J］.甘肃高师学报，2014，19（2）：12-13.

［3］余伟.现代检测技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2012，71-78.

［4］伍晓芳，刘刚等.新型VCOCXO控温原理及实现方法研究［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2004，32（2）:46-48.

［5］吕金旗.卧式光学计在电涡流测厚仪期间核查中的应用［J］.仪器测量，2011，21（6）:53-54.

［6］康家德.基于MATLAB的非线性曲线拟合［J］.计算机与现代化，2008（6）：16-19.

［7］杨明，狄卫国.智能微机系统中的数字滤波算法研究［J］.仪表技术，2004（5）:34-35.

［8］朱恒军，王发智.基于单片机的数字滤波算法与实现［J］.齐齐哈尔大学学报，2008，24（6）:53-57.

中图分类号：TH71