基于STM32F103的涂镀层测厚仪

华国环，张文锋，邱立争

(南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京 210044)

0 引言

表面工程作为一种节能、降低经济损失的有效手段，它的提出延长了产品的使用寿命[1]，但涂镀层的厚薄均匀程度对材料的性能有着很大的影响，所以在使用涂镀技术处理材料表面时，涂镀层应恰到好处[2]。

在工业生产中研制出高精度的涂镀层测厚仪是研究的热点。涂镀层测厚技术在国外发展迅速，其测量方法多、测量精度高、应用范围广，但国内涂层测厚仪的研制起步较晚，存在制造成本高、应用范围窄、可靠性不高等问题，急需研制高精度高可靠性的涂镀层测量仪。

文中设计的高精度涂镀层测厚仪用于测量金属表面的电镀层或涂层的厚度[3]，采用电磁感应和电涡流效应的高精度一体化探头，能自动识别并测量钢/铁等磁性材料表面的非磁性涂镀层厚度(如铬/油漆/陶瓷等)，也可以自动识别并测量铜/铝等非磁性材料表面的涂层厚度(如油漆等)[4]。

1 工作原理及硬件设计

1.1 工作原理

涂镀层测厚技术按有无损坏划分,分为有损测量和无损测量两种[5]。本文主要针对磁感应测厚和电涡流测厚两种无损测量的原理来进行研究。

图1是测厚仪所用传感器探头的结构示意图，该探头将电涡流线圈与磁感应线圈集成在一个测量探头中。

图1 探头结构示意图

磁感应测厚的原理是探头部分用两组线圈测量铁基表面涂镀层厚度，这两组线圈等同于变压器的初级线圈和次级线圈；初级线圈1用于产生稳定的振荡信号，次级线圈2利用磁感应耦合出稳定振荡信号；由于该振荡信号的频率随着探头距离铁基表面的距离d变化而发生变化，所以通过测试振荡信号的频率，可以反推出铁基表面涂层厚度。

电涡流测厚的原理是利用髙频振荡信号在探头线圈3中产生电磁场，当探头接触涂镀层时，就在金属基体上形成电涡流[6]。电涡流会对探头中的线圈3产生反馈作用，探头距离金属基体愈近，反馈作用越大，导致探头线圈中的振荡频率发生变化[7]。通过测量探头中线圈3的振荡频率来间接测试铝基表面的涂镀层厚度。

1.2 硬件组成

基于STM32F103的涂镀层测厚仪的硬件组成主要包括主控电路模块、电源模块、测厚电路模块和人机交互模块。整体结构框图如图2所示。

图2 硬件整体结构框图

1.2.1 主控电路模块

主控电路模块主要由微处理器、存储电路、复位电路等组成。主控芯片采用STM32F103，其内核为ARM32位的Cortex-M3，优势在于低功耗、低成本、高性能。STM32F103具有最高72 MHz的工作频率，内置高达512K字节的程序存储器和64K字节的SRAM，还集成了多种外围设备及接口电路[8]。因其性价比高，所以STM32F103系列MCU应用范围非常广泛。

1.2.2 电源模块

测厚仪的供电采用2节3.7 V锂电池串联提供[9]。相比1.5 V电池升压供电的方案，锂电池电压经过线性稳压之后产生的纹波干扰很小，频率抖动也只有0.02 Hz。

锂电池的电压检测是先通过2个串联电阻分压，检测两电阻串接点的电压值[10]，将测到的电压值送给MCU内部12位ADC采样，经过计算反推出电池的当前电压，最后决定是否开启“低电压报警”功能。

1.2.3 测厚电路模块

测厚电路模块是利用二合一测量探头跟各自的振荡电路产生稳定的振荡信号，通过测试振荡信号频率来间接得到涂镀层厚度。磁感应测厚的振荡电路示意图如图3所示。

图3 磁感应测厚振荡电路

图3所示的振荡电路工作原理如下：第一级运放通过探头线圈1以及电阻电容组成一个自反馈RLC振荡电路；第二级运放把第一级运放的输出作为输入，经过整形放大之后输出给第三级运放；第三级运放将第二级运放的输出与2个电阻组成的比例电压作比较，进行幅度调制，产生幅值稳定的信号并且返回给第一级运放；整个振荡电路利用三级运放构成一个完整的回路，最终输出一个稳定的振荡信号。

通过测试探头线圈2中感应到的振荡信号频率，得到不同标准厚度样片与振荡频率对应关系，如表1所示。

表1 磁感应振荡频率与标准厚度样片

利用麦夸特算法在Origin软件中拟合得到涂层厚度和振荡频率函数关系如下：

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

(1)

式中：d1为标准厚度，μm；f1为振荡频率，Hz。

利用拟合公式(1)可以通过探头线圈2中的振荡信号频率计算出被测铁基表面的涂镀层厚度。

电涡流测厚电路的功能是测量非磁性材料表面非导电覆层的厚度[11]。如图4(a)所示，电路中电感线圈L即为电涡流模块的探头线圈3，当其与被测基体接近时，会在被测基体表面产生涡流，该涡流的磁场随着线圈L的接近而增大，并且阻碍外磁场的变化。电涡流等效电路如图4(b)所示，因电涡流磁场阻碍外磁场的变化时，会产生磁损耗。在谐振电路中则等效为电感L1减小，所以导致频率f增大；反之当探头远离被测物体时，探头中磁场增强，等效为LC振荡电路的电感L1增大，导致振荡频率f减小；通过测试LC振荡频率f的大小可以间接测出被测基体上涂镀层的厚度[12]。

(a)

(b)

与铁基拟合方法类似，根据标准厚度样片测试得到涂层厚度和振荡频率的对应函数关系式如下：

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

(2)

利用拟合公式(2)可以通过测试探头线圈3中的振荡信号频率来计算出被测铝基表面的涂镀层厚度。

1.2.4 人机交互模块

人机交互模块由4个按键和LCD显示屏以及蜂鸣器组成。4个按键分别是电源键、μm/mil键、ZERO键、MODE键，其中μm/mil键的功能是单位切换。ZERO键的功能是在连续测量模式下可以进行较准。MODE键的功能是进行测量模式SNG/CON的切换，SNG显示时表明测厚仪处于单次测量模式，CON显示时表示此时测厚仪为连续测量模式。蜂鸣器用于电池电量检测的低电压报警和按键提示。

1.2.5 硬件实物图

硬件实物图如图5和图6所示。

图5 测厚仪样机

图6 硬件电路背面图

2 软件设计

软件设计基于MDK Keil5开发平台并选择C语言作为编程语言，程序采用模块化思路，将不同的硬件模块所对应的驱动程序放置在不同的C文件中，并构成一个完整的工程，使软件结构清晰简洁，增强了程序的可读性[13]。程序流程图如图7所示。

图7 程序流程图

从图7可以看出，系统供电后先进行初始化，然后进入操作主界面并通过控制按键选择功能模块，包括单位切换、校零和测厚模式的切换。确认测量模式后系统将测量的模拟电路采集输入的频率进行运算和处理得到准确对应的厚度值，最终在显示屏上输出测量结果。

3 测量与分析

为了验证所设计测厚仪的测量精度和测试稳定性，选取了5种不同厚度的漆膜样板进行测量。

3.1 测量精度测试结果

对不同厚度的标准漆膜样板测量结果如表2所示。

表2 测量精度测试结果

表2中列出了铝基和铁基关于5个漆膜样板的测量结果，基于铝基的平均误差只有0.66%，基于铁基的平均误差只有0.48%。测试结果表明所设计的测厚仪的测量精度较高，满足实际应用需求。

3.2 重复性测试结果

分别基于铝基和铁基对漆膜样板厚度为100 μm的标准样板进行多次测量，结果如表3、表4所示。

表3 铝基重复性测试结果

表4 铁基重复性测试结果

表3和表4对单一标准样板漆膜厚度测量的重复性误差分别只有0.1%和0.09%，测试结果表明所设计的涂层测厚仪稳定性较好，可长时间进行可靠测量。

通过对上述两种基体测量的数据分析，可以看出本测厚仪的测量精度较高，平均误差低于0.7%，重复性误差很小，可用于涂镀层厚度的高精度可靠测量。

4 结束语

本文介绍了一种基于STM32F103的涂镀层测厚仪。主要包括主控模块、电源模块、测厚电路模块和人机交互模块。测厚仪采用基于电涡流法和磁感应法的测试探头，方便对不同基体的涂镀层厚度测试并且提高了测量精度。测厚仪的软件集成了多种功能，包括校准功能、恢复出厂设置功能、自动关机功能、蜂鸣器提示操作完成功能，最大化满足用户的实际需求。测试结果表明所设计的测厚仪具有很高的测量精度，平均误差低于0.7%，重复性误差很低，可长时间稳定工作。该测厚仪可广泛应用于磁性或非磁性基体的涂镀层厚度测量。