電渦流傳感器銅膜測厚電路設(shè)計

1、傳感器原理課程設(shè)計任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計題目電渦流傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè)姓名學(xué)號主要內(nèi)容:利用電磁感應(yīng)的原理，以高頻反射式電渦流傳感器為基礎(chǔ)，將LC電路產(chǎn)生的 正弦電磁波輻射至銅膜。在銅膜上產(chǎn)生電渦流 ，從而引起輻射線圈電阻抗的變化， 損耗增加，振蕩號幅值隨之衰落。通過單片機對信號幅值進 A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)處理, 指示銅膜的厚度?；疽?1、利用聲電渦流傳感器、單片機等設(shè)計一種厚度測量電路。2、電路中要有相應(yīng)的顯示測量結(jié)果、整流、放大等單元電路。2、按照技術(shù)要求，提出自己的設(shè)計方案（多種）并進行比較。3、說明所用傳感器的基本工作原理、畫出應(yīng)用電路電路圖、寫明電路工作原 理、注明元器件選取參數(shù)

2、、進行方案比較。參考文獻：1234高曉蓉傳感器技術(shù)M.成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.黃賢武，鄭筱霞傳感器原理與應(yīng)用M.北京：電子科技大學(xué)出版社，2004.徐科軍傳感器與檢測技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.李成華.現(xiàn)代檢測技術(shù)M.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2001.完成期限2013.7.122013.7.16指導(dǎo)教師 專業(yè)負責(zé)人2013 年 7 月 12 日設(shè)計針對于PCB板的銅膜厚度進行測量。利用電磁感應(yīng)的原理，以高頻反射式 電渦流傳感器為基礎(chǔ)，將LC電路產(chǎn)生的正弦電磁波輻射至銅膜。在銅膜上產(chǎn)生電渦 流，在交變磁場中，不同厚度金屬導(dǎo)體內(nèi)的渦流對傳感器探頭內(nèi)線圈具有不同程 度的阻抗

3、反射作用，從而引起輻射線圈電阻抗的變化，損耗增加，振蕩號幅值隨之衰落。通過單片機對信號幅值進行A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)處理,指示銅膜的厚度。所設(shè)計的 裝置體積小,攜帶方便,對銅膜檢測的靈敏度較高,可以有效測量10150um的厚度, 也可應(yīng)用于其他金屬鍍層厚度的測量。關(guān)鍵詞：電渦流；銅膜厚度；幅度；電磁感應(yīng)、設(shè)計要求 二、設(shè)計方案及其特點1、方案一2、方案二 三、傳感器工作原理1、電渦流傳感器工作原理2、電渦流傳感器等效電路 四、銅膜測厚電路圖及其工作原理1、電路圖2、電路工作原理 五、銅膜測厚電路的單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇1、單元電路設(shè)計2、 參數(shù)計算.3、 元器件清單.六、總結(jié) 參考文獻傳感

4、器原理課程設(shè)計銅膜測厚電路設(shè)計、設(shè)計要求敷銅板作為電子行業(yè)的基本材料，其敷銅厚度對某些電子產(chǎn)品的質(zhì)量有重要 影響。而目前生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的敷銅板的銅膜厚度相差較大 ，有的為了省成本，銅 膜厚度越來越薄，嚴(yán)重影響了相應(yīng)電子產(chǎn)品的可靠性。敷銅板上銅膜厚度的測量一 般不能使用卡尺類測量工具，因鍍層厚度很薄，也不能采用超聲波測量。對這類金 屬鍍層厚度進行測量，常常采用電渦流測量模式。二、設(shè)計方案及其特點針對傳統(tǒng)的接觸式測量技術(shù)在實際應(yīng)用中的不足，介紹電渦流傳感器的設(shè)計 方案。該方案采用電渦流技術(shù)將非電量的位移信息轉(zhuǎn)化為電壓信號。通過對電渦 流傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，設(shè)計了兩種典型電渦流傳感器的測量

5、電路。1、方案說明方案一：采用電橋法測量。其原理框圖如圖1所示。振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩 電流經(jīng)過功率放大器放大后送給交流電橋，當(dāng)材料表面有膜是時，將使線圈阻抗 變化，從而破壞電橋平衡，電橋不平衡電壓信號輸出，經(jīng)過放大、檢波以后，其 輸出信號就反映了被測量的變化。圖1方案一原理框圖方案二：探頭接近被測材料，將使線圈的電感值發(fā)生變化，直接檢測電感變化 的方法為電感測試法或調(diào)頻測試法。其原理框圖如圖 2所示。將傳感線圈接入振蕩 回路，當(dāng)位移變化時，傳感線圈的L值相應(yīng)的也發(fā)生變化，從而引起振蕩器振蕩頻 率的變化，通過F/V轉(zhuǎn)換器進行解，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。但由于頻率 與位移之間的非線性關(guān)系，還

6、需加線性化器矯正其非線性特性。被測材料圖2方案二原理框圖2、方案論證這兩種測量電路中，從靈敏度來看，調(diào)頻調(diào)幅式比其它兩種要高些；從測量 線性范圍來看，方案一強于方案二，但方案二結(jié)構(gòu)最簡單，便于遙測、數(shù)字顯示 和與單片機接口連接。所以一般地說，需要穩(wěn)定性好可選用方案一測量電路，若 考慮便于與單片機接口連接，那么方案二測量電路就由其方便之處。因此本設(shè)計 中選用方案二。三、傳感器工作原理1、電渦流傳感器工作原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦交變電流ii時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場Hi，它使置于此磁場中的被測金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感 應(yīng)電流，即電渦流，如圖3中所示。與此同時，電渦流

7、i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2； H2與Hi方向相反，并力圖削弱Hi,從而導(dǎo)致探頭線圈的等效電阻相應(yīng)地發(fā)生變化。 其變化程度取決于被測金屬導(dǎo)體的電阻率 P,磁導(dǎo)率禺線圈與金屬導(dǎo)體的距離x， 以及線圈激勵電流的頻率f等參數(shù)。如果只改變上述參數(shù)中的一個，而其余參數(shù)保 持不變，則阻抗Z就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)，從而確定該參數(shù)的大小。電渦 流傳感器的工作原理，如圖3所示。2、電渦流傳感器等效電路為了便于分析，把被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流, 這樣就可以得到如圖4所示的等效電路。圖3電渦流工作原理圖4電渦流傳感器等效電路本設(shè)計用高頻反射式渦流傳感方式，線圈中通有正弦交變電流，周圍產(chǎn)

8、生交變 磁場,位于該磁場中的銅膜就會感應(yīng)出電渦流，此電流又產(chǎn)生新的交變磁場影響原 有磁力線分布，輻射線圈與被測導(dǎo)體構(gòu)成互感結(jié)構(gòu)，使LC回路的等效阻抗發(fā)生變化， 如圖4所示。線圈受電渦流影響時的等效阻抗為：Z R2（ L2）R22（ L2）2 j L1（JL2r2（ L2）2式中：3咼頻交流輻射信號的角頻率；R1 是輻射線圈的原有等效阻抗;R2是被測銅膜產(chǎn)生電渦流時的等效阻抗,與被測體的金屬種類及厚度有 關(guān)；M是互感系數(shù)，與被測體的間隔距離有關(guān)；L1 是輻射線圈的電感量；L2 是電流的等效電感量。等效阻抗Z的實部體現(xiàn)為振蕩線圈的損耗，當(dāng)銅膜厚度不同時，R2不等,所以 引起Z的變化，造成振蕩強度的

9、改變,LC振蕩電路的幅值Uo相應(yīng)地變化，如圖4所 示。在無被測導(dǎo)體靠近時，LC并聯(lián)諧振回路的阻抗最大，振蕩電壓值Uo最大；當(dāng)傳 感器接近被測銅膜時，振蕩損耗加重，振蕩電壓Uo相應(yīng)地減小?？刂品糯箅娐返膮?數(shù)，在一定范圍內(nèi)，LC諧振回路的輸出電壓Uo與銅膜厚度有近似的線性關(guān)系，由此 可對銅膜進行測厚。在實際操作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器的頻率一定時，銅膜的厚度越小， 幅值Uo減小得越多。四、銅膜測厚電路圖及其工作原理1、電路圖銅膜測厚電路圖如圖5所示。圖5電渦流傳感器測銅膜厚度電路圖2、電路工作原理正弦信號峰值整流電路線圈4, 5端的輸出信號電壓Vo峰值穩(wěn)定在2V左右，送 至LM393的3端。這樣，經(jīng)過負

10、反饋電路，電容C9的電壓可以逐步將近4V，LM393 第2端電壓值接近2V。每當(dāng)振蕩器送來的信號達到正峰值時，LM393輸出高電平， 通過R6給電容C9充電。之后，C轉(zhuǎn)為放電過程，但放電速度很慢，C9上電壓基本保 持不變。這樣就實現(xiàn)了無損峰值整流。把正弦波信號的峰值電壓取出，送至單片 機進行處理，經(jīng)過A/ D轉(zhuǎn)換后，就可直接顯示銅膜的厚度。五、銅膜測厚電路的單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇1、單元電路設(shè)計為了提高測量靈敏度，本裝置中用變壓器反饋式 LC振蕩電路來產(chǎn)生正弦波電 流，通過振蕩線圈把電磁波直接輻射出去。 振蕩電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中線圈L12 和電容C1，C4組成并聯(lián)諧振回路，它們

11、與三極管等電路構(gòu)成選頻放大器。 線圈L12 和L34組成變壓器電路，L12為一次側(cè)線圈，L34為提供正反饋，使電路形成振蕩。 R1，R8決定三極管的靜態(tài)工作電流，C5為正反饋耦合電容。litOIuJrALCCft.= -Q3E9loOuF三cs11圖6穩(wěn)幅正弦波產(chǎn)生電路圖在L C正弦波振蕩電路中，適當(dāng)處理變壓器繞組的同名端關(guān)系，如圖6中“ 3”號，滿足相位平衡條件。其中第2腳和第4腳為同名端，在繞制線圈時要正確連接。 振幅穩(wěn)定由自動衰減網(wǎng)絡(luò)R2，R9，Q2，D1，C7等進行自動控制來實現(xiàn)。場 效應(yīng)管Q2工作在可變電阻區(qū)。其中場效應(yīng)管2N7000的導(dǎo)通電壓約為1.2 V，二極 管1N4148的導(dǎo)

12、通電壓約為0.6V。若振蕩輸出電壓峰值達到1.8 V，場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通, 振蕩電路的反饋系數(shù)減小，由此對振蕩信號電壓進行限制。電容C7起到記憶作用，在一定時間內(nèi)能記住未測量時的振幅。振蕩信號頻率由C1，C4及變壓器T1的初級等效電感L1共同決定。振蕩信號電壓由變壓器4，5端間輸出，送后部電壓放大等 電路進行放大、整流、指示。圖7所示電路是正弦振蕩信號電壓峰值整流電路。2、參數(shù)計算基于銅膜等效電阻R2的損耗進行測量，屬于能耗測量方式，應(yīng)該充分體現(xiàn)不 同厚度的等效電阻值R2大小的區(qū)別。也就是用電磁輻射方式對銅膜厚度進行測量 必須將電磁波有效射入銅膜內(nèi)部。而金屬銅是良導(dǎo)體，存在集膚效應(yīng)，高頻電磁 場

13、不能透過較厚的銅膜，僅作用于表面的薄層。電磁波的穿透深度有限，形成電 渦流的深度也就有限。電磁場頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著，即形成電渦流的深度越 小。其有效穿透深度計算式為：h 50叫 UfQ cm ;式中：P為導(dǎo)體電阻率，單位:W為導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率；f 為交變磁場頻率。在常溫下，對于銅來說1.7 10 6( cm)找=0.9999,而一般PCB板的銅膜厚度約為10200叩。以200即代入公式，可 計算得f。 107KHZ由公式(4)得出的頻率可知，對于本項目中要檢測的是 PCB板銅膜，應(yīng)采用高頻 反射方式。當(dāng)測量厚度大的銅膜時，需要貫穿深度大，用低頻 f激勵，其線性度較 好；當(dāng)測量薄的銅膜時，貫

14、穿深度h小，則選取高頻f激勵，但此時的線性范圍隨 頻率的變大而變小。3、元器件清單表1元器件清單編號名稱型號數(shù)量1電阻510K Q12微調(diào)電阻220K13電阻100K Q34電阻1K Q25電阻10K Q16電阻1M Q17電容0.01 pF28電容220 pF29電容0.1 pF410電容470 pF111電容10mF212電容100 pF113二極管1N4148214三極管C9013115耦合電容L12116晶振12MHZ117單片機MCS-8051118七段顯示器4六、總結(jié)電渦流傳感器可實現(xiàn)非接觸測厚，且結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、適用性強。測量 過程中，正弦波頻率的大小與傳感器的線性范圍成正比

15、，與靈敏度成反比。對于同一種金屬測厚，要根據(jù)不同的厚度來選擇頻率；對于厚度大小相似的 不同金屬測厚，也要根據(jù)金屬的電阻率、相對磁導(dǎo)率等參數(shù)來選擇不同頻率。對于電渦流高頻反射式測量，銅膜厚度小時，電渦流產(chǎn)生的磁場對傳感器線圈 中原磁場的影響較厚銅膜的大，即LC振蕩器的幅值變小的多，這與透射式測量中 厚度越大，幅值變化的多不同。對于不同的銅膜厚度，正弦波信號的電壓幅值不 是線性地對應(yīng)變化，而是在一定范圍內(nèi)為線性關(guān)系。在本裝置中，若要改變LC振蕩電路的諧振頻率，可根據(jù)計算出的L值，使用不同容量的電容，改變電磁波信號 的測厚范圍。在計算線圈的L值時，應(yīng)包括電路中的等效電感與電容。這次傳感器電路課程設(shè)計

16、用了一個星期左右的時間。我在設(shè)計過程中，雖然 過程中遇到了一些小困難，但解決這些問題的過程也是對自身專業(yè)素質(zhì)的一種提 高與肯定。在這一個星期中，我不僅設(shè)計出了自己較為滿意的電路，更重要的是 將那些在課本上學(xué)到的東西運用到了實踐當(dāng)中，使我對電路設(shè)計方面又有了更深 一層次的了解。12347參考文獻高曉蓉傳感器技術(shù)M.成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用M.北京：電子科技大學(xué)出版社，2004.徐科軍.傳感器與檢測技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.劉利秋.基于電渦流傳感器測厚及材質(zhì)鑒別的研究J.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報.2006: 84-86.李成華.現(xiàn)代檢測技術(shù)M.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2001.胡嗣云，張武楊.電渦流傳感器線性化參數(shù)分析J.電測與儀表.2002:36-38. 蔡美琴.MCS-51系列單片機系統(tǒng)與其應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2007.