電渦流傳感器銅膜測厚電路設計

1、傳感器原理課程設計任務書課程傳感器課程設計題目電渦流傳感器應用電路設計專業(yè)姓名學號主要內(nèi)容:利用電磁感應的原理，以高頻反射式電渦流傳感器為基礎，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、單片機等設計一種厚度測量電路。2、電路中要有相應的顯示測量結果、整流、放大等單元電路。2、按照技術要求，提出自己的設計方案（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M.成都：西南交通大學出版社，2003.黃賢武，鄭筱霞傳感器原理與應用M.北京：電子科技大學出版社，2004.徐科軍傳感器與檢測技術M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.李成華.現(xiàn)代檢測技術M.北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2001.完成期限2013.7.122013.7.16指導教師 專業(yè)負責人2013 年 7 月 12 日設計針對于PCB板的銅膜厚度進行測量。利用電磁感應的原理，以高頻反射式 電渦流傳感器為基礎，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轉換,數(shù)據(jù)處理,指示銅膜的厚度。所設計的 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, 也可應用于其他金屬鍍層厚度的測量。關鍵詞：電渦流；銅膜厚度；幅度；電磁感應、設計要求 二、設計方案及其特點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計、參數(shù)計算、器件選擇1、單元電路設計2、 參數(shù)計算.3、 元器件清單.六、總結 參考文獻傳感

4、器原理課程設計銅膜測厚電路設計、設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，嚴重影響了相應電子產(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、設計方案及其特點針對傳統(tǒng)的接觸式測量技術在實際應用中的不足，介紹電渦流傳感器的設計 方案。該方案采用電渦流技術將非電量的位移信息轉化為電壓信號。通過對電渦 流傳感器的結構和工作原理的分析，設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，當位移變化時，傳感線圈的L值相應的也發(fā)生變化，從而引起振蕩器振蕩頻 率的變化，通過F/V轉換器進行解，將頻率的變化轉換為電壓的變化。但由于頻率 與位移之間的非線性關系，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，但方案二結構最簡單，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)法拉第電磁感應定律，當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體表面產(chǎn)生感 應電流，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,從而導致探頭線圈的等效電阻相應地發(fā)生變化。 其變化程度取決于被測金屬導體的電阻率 P,磁導率禺線圈與金屬導體的距離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，輻射線圈與被測導體構成互感結構，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；M是互感系數(shù)，與被測體的間隔距離有關；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相應地變化，如圖4所 示。在無被測導體靠近時，LC并聯(lián)諧振回路的阻抗最大，振蕩電壓值Uo最大；當傳 感器接近被測銅膜時，振蕩損耗加重，振蕩電壓Uo相應地減小?？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系，由此 可對銅膜進行測厚。在實際操作中發(fā)現(xiàn)，當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計、參數(shù)計算、器件選擇1、單元電路設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。 振蕩電路結構如圖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、與三極管等電路構成選頻放大器。 線圈L12 和L34組成變壓器電路，L12為一次側線圈，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，適當處理變壓器繞組的同名端關系，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R2，R9，Q2，D1，C7等進行自動控制來實現(xiàn)。場 效應管Q2工作在可變電阻區(qū)。其中場效應管2N7000的導通電壓約為1.2 V，二極 管1N4148的導

12、通電壓約為0.6V。若振蕩輸出電壓峰值達到1.8 V，場效應管Q2導通, 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。而金屬銅是良導體，存在集膚效應，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為導體電阻率，單位:W為導體相對磁導率；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，應采用高頻 反射方式。當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、總結電渦流傳感器可實現(xiàn)非接觸測厚，且結構簡單、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 是線性地對應變化，而是在一定范圍內(nèi)為線性關系。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，應包括電路中的等效電感與電容。這次傳感器電路課程設計

16、用了一個星期左右的時間。我在設計過程中，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)素質的一種提 高與肯定。在這一個星期中，我不僅設計出了自己較為滿意的電路，更重要的是 將那些在課本上學到的東西運用到了實踐當中，使我對電路設計方面又有了更深 一層次的了解。12347參考文獻高曉蓉傳感器技術M.成都：西南交通大學出版社，2003.黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應用M.北京：電子科技大學出版社，2004.徐科軍.傳感器與檢測技術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鑒別的研究J.沈陽航空工業(yè)學院學報.2006: 84-86.李成華.現(xiàn)代檢測技術M.北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，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)與其應用M.北京：高等教育出版社，2007.