电涡流传感器铜膜测厚电路设计

1、传感器原理课程设计任务书课程 传感器课程设计题目 电涡流传感器应用电路设计专业 姓名 学号 主要内容：利用电磁感应的原理,以高频反射式电涡流传感器为基础,将LC电路产生的正弦电磁波辐射至铜膜。在铜膜上产生电涡流,从而引起辐射线圈电阻抗的变化,损耗增加,振荡号幅值随之衰落。通过单片机对信号幅值进A/D转换,数据处理,指示铜膜的厚度。基本要求：1、利用声电涡流传感器、单片机等设计一种厚度测量电路。2、电路中要有相应的显示测量结果、整流、放大等单元电路。2、按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较。3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数、

2、进行方案比较。参考文献:1 高晓蓉.传感器技术M.成都：西南交通大学出版社，2003.2 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用M.北京：电子科技大学出版社，2004.3 徐科军.传感器与检测技术M.北京：电子工业出版社，2008.4 李成华.现代检测技术M.北京：中国农业大学出版社，2001.完成期限 2013.7.122013.7.16 指导教师 专业负责人 2013年 7 月 12 日摘 要设计针对于PCB板的铜膜厚度进行测量。利用电磁感应的原理,以高频反射式电涡流传感器为基础,将LC电路产生的正弦电磁波辐射至铜膜。在铜膜上产生电涡流, 在交变磁场中，不同厚度金属导体内的涡流对传感器探头内线圈

3、具有不同程度的阻抗反射作用，从而引起辐射线圈电阻抗的变化,损耗增加,振荡号幅值随之衰落。通过单片机对信号幅值进行A/D转换,数据处理,指示铜膜的厚度。所设计的装置体积小,携带方便,对铜膜检测的灵敏度较高,可以有效测量10150m的厚度,也可应用于其他金属镀层厚度的测量。关键词：电涡流；铜膜厚度；幅度；电磁感应目 录一、设计要求1二、设计方案及其特点11、方案一12、方案二1三、传感器工作原理21、电涡流传感器工作原理22、电涡流传感器等效电路2四、铜膜测厚电路图及其工作原理41、电路图42、电路工作原理4五、铜膜测厚电路的单元电路设计、参数计算、器件选择51、单元电路设计52、参数计算63、元

4、器件清单7六、总结8参考文献9铜膜测厚电路设计一、设计要求敷铜板作为电子行业的基本材料,其敷铜厚度对某些电子产品的质量有重要影响。而目前生产厂家所生产的敷铜板的铜膜厚度相差较大,有的为了省成本,铜膜厚度越来越薄,严重影响了相应电子产品的可靠性。敷铜板上铜膜厚度的测量一般不能使用卡尺类测量工具,因镀层厚度很薄,也不能采用超声波测量。对这类金属镀层厚度进行测量,常常采用电涡流测量模式。二、设计方案及其特点针对传统的接触式测量技术在实际应用中的不足，介绍电涡流传感器的设计方案。该方案采用电涡流技术将非电量的位移信息转化为电压信号。通过对电涡流传感器的结构和工作原理的分析，设计了两种典型电涡流传感器的

5、测量电路。1、方案说明方案一：采用电桥法测量。其原理框图如图1 所示。振荡器产生的高频振荡电流经过功率放大器放大后送给交流电桥，当材料表面有膜是时，将使线圈阻抗变化，从而破坏电桥平衡，电桥不平衡电压信号输出，经过放大、检波以后，其输出信号就反映了被测量的变化。振荡器功率放大器交流电桥检波器放大器涡流传感器探头被测材料 图1 方案一原理框图方案二：探头接近被测材料，将使线圈的电感值发生变化，直接检测电感变化的方法为电感测试法或调频测试法。其原理框图如图2所示。将传感线圈接入振荡回路，当位移变化时，传感线圈的L值相应的也发生变化，从而引起振荡器振荡频率的变化，通过F/V转换器进行解，将频率的变化转

6、换为电压的变化。但由于频率与位移之间的非线性关系，还需加线性化器矫正其非线性特性。振荡器F-V转换器线性化器显示器涡流传感器探头被测材料图2 方案二原理框图2、方案论证这两种测量电路中，从灵敏度来看，调频调幅式比其它两种要高些；从测量线性范围来看，方案一强于方案二，但方案二结构最简单，便于遥测、数字显示和与单片机接口连接。所以一般地说，需要稳定性好可选用方案一测量电路，若考虑便于与单片机接口连接，那么方案二测量电路就由其方便之处。因此本设计中选用方案二。三、传感器工作原理1、电涡流传感器工作原理根据法拉第电磁感应定律，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1

7、，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流，即电涡流，如图3中所示。与此同时，电涡流i2又产生新的交变磁场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电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率，磁导率，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一个，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，从而确定该参数的大小。电涡流传感器的工作原理，如图3所示。2、电涡流传感器等效电路为了便于分析，把被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，这样就可以得到如图4所示的等效电路。图3 电涡流工作原理金属导体线

8、圈图4 电涡流传感器等效电路 本设计用高频反射式涡流传感方式,线圈中通有正弦交变电流,周围产生交变磁场,位于该磁场中的铜膜就会感应出电涡流,此电流又产生新的交变磁场影响原有磁力线分布,辐射线圈与被测导体构成互感结构,使LC回路的等效阻抗发生变化,如图4 所示。线圈受电涡流影响时的等效阻抗为： (1) 式中: 高频交流辐射信号的角频率；R1是辐射线圈的原有等效阻抗；R2是被测铜膜产生电涡流时的等效阻抗,与被测体的金属种类及厚度有关；M是互感系数,与被测体的间隔距离有关；L1是辐射线圈的电感量；L2是电流的等效电感量。等效阻抗Z 的实部体现为振荡线圈的损耗,当铜膜厚度不同时,R2不等,所以引起Z的

9、变化，造成振荡强度的改变,LC振荡电路的幅值U0相应地变化，如图4所示。在无被测导体靠近时,LC并联谐振回路的阻抗最大, 振荡电压值U0最大；当传感器接近被测铜膜时,振荡损耗加重，振荡电压U0相应地减小。控制放大电路的参数, 在一定范围内,LC谐振回路的输出电压U0与铜膜厚度有近似的线性关系,由此可对铜膜进行测厚。在实际操作中发现，当传感器的频率一定时,铜膜的厚度越小,幅值U0减小得越多。四、铜膜测厚电路图及其工作原理1、电路图 铜膜测厚电路图如图5所示。图5电涡流传感器测铜膜厚度电路图2、电路工作原理正弦信号峰值整流电路线圈4，5端的输出信号电压Vo峰值稳定在2V左右，送至LM393的3端。

10、这样，经过负反馈电路，电容C9的电压可以逐步将近4V，LM393第2端电压值接近2V。每当振荡器送来的信号达到正峰值时，LM393输出高电平，通过R6给电容C9充电。之后，C转为放电过程,但放电速度很慢，C9上电压基本保持不变。这样就实现了无损峰值整流。把正弦波信号的峰值电压取出，送至单片机进行处理,经过A/ D转换后，就可直接显示铜膜的厚度。五、铜膜测厚电路的单元电路设计、参数计算、器件选择1、单元电路设计为了提高测量灵敏度，本装置中用变压器反馈式LC振荡电路来产生正弦波电流,通过振荡线圈把电磁波直接辐射出去。振荡电路结构如图6所示。图6中线圈L12和电容C1，C4组成并联谐振回路，它们与三

11、极管等电路构成选频放大器。线圈L12和L34组成变压器电路，L12为一次侧线圈，L34为提供正反馈，使电路形成振荡。R1 ，R8决定三极管的静态工作电流，C5为正反馈耦合电容。图6 稳幅正弦波产生电路图在L C正弦波振荡电路中，适当处理变压器绕组的同名端关系，如图6中“3”号,满足相位平衡条件。其中第2脚和第4脚为同名端，在绕制线圈时要正确连接。振幅稳定由自动衰减网络R2 ，R9 ，Q2 ，D1 ，C7 等进行自动控制来实现。场效应管Q2工作在可变电阻区。其中场效应管2N7000 的导通电压约为1.2 V ，二极管1N4148的导通电压约为0.6V。若振荡输出电压峰值达到1.8 V，场效应管Q

12、2导通,振荡电路的反馈系数减小，由此对振荡信号电压进行限制。电容C7起到记忆作用，在一定时间内能记住未测量时的振幅。振荡信号频率由C1，C4及变压器T1的初级等效电感L1共同决定。振荡信号电压由变压器4，5端间输出，送后部电压放大等电路进行放大、整流、指示。图7所示电路是正弦振荡信号电压峰值整流电路。 图7 稳幅正弦波产生电路图2、参数计算基于铜膜等效电阻R2的损耗进行测量，属于能耗测量方式，应该充分体现不同厚度的等效电阻值R2大小的区别。也就是用电磁辐射方式对铜膜厚度进行测量,必须将电磁波有效射入铜膜内部。而金属铜是良导体，存在集肤效应，高频电磁场不能透过较厚的铜膜，仅作用于表面的薄层。电磁

13、波的穿透深度有限，形成电涡流的深度也就有限。电磁场频率越高,集肤效应越显著，即形成电涡流的深度越小。其有效穿透深度计算式为： (2)式中：为导体电阻率，单位： cm ；r为导体相对磁导率；f为交变磁场频率。在常温下，对于铜来说 (3)r = 0.9999，而一般PCB板的铜膜厚度约为10200m。以200m代入公式(2)，可计算得 (4) 由公式(4)得出的频率可知，对于本项目中要检测的是PCB板铜膜,应采用高频反射方式。当测量厚度大的铜膜时，需要贯穿深度大，用低频f 激励，其线性度较好；当测量薄的铜膜时，贯穿深度h小，则选取高频f 激励，但此时的线性范围随频率的变大而变小。3、元器件清单表1

14、元器件清单编 号名 称型 号数 量1电阻510K12微调电阻220K13电阻100K34电阻1K25电阻10K16电阻1M17电容0.01F28电容220F29电容0.1F410电容470F111电容10F212电容100F113二极管1N4148214三极管C9013115耦合电容L12116晶振12MHZ117单片机MCS-8051118七段显示器4六、总结电涡流传感器可实现非接触测厚，且结构简单、灵敏度高、适用性强。测量过程中，正弦波频率的大小与传感器的线性范围成正比，与灵敏度成反比。对于同一种金属测厚，要根据不同的厚度来选择频率；对于厚度大小相似的不同金属测厚，也要根据金属的电阻率、相

15、对磁导率等参数来选择不同频率。对于电涡流高频反射式测量,铜膜厚度小时，电涡流产生的磁场对传感器线圈中原磁场的影响较厚铜膜的大，即LC振荡器的幅值变小的多，这与透射式测量中厚度越大，幅值变化的多不同。对于不同的铜膜厚度，正弦波信号的电压幅值不是线性地对应变化，而是在一定范围内为线性关系。在本装置中，若要改变LC振荡电路的谐振频率，可根据计算出的L值，使用不同容量的电容，改变电磁波信号的测厚范围。在计算线圈的L值时，应包括电路中的等效电感与电容。这次传感器电路课程设计用了一个星期左右的时间。我在设计过程中，虽然过程中遇到了一些小困难，但解决这些问题的过程也是对自身专业素质的一种提高与肯定。在这一个

16、星期中，我不仅设计出了自己较为满意的电路，更重要的是将那些在课本上学到的东西运用到了实践当中，使我对电路设计方面又有了更深一层次的了解。参考文献1 高晓蓉.传感器技术M.成都：西南交通大学出版社，2003.2 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用M.北京：电子科技大学出版社，2004.3 徐科军.传感器与检测技术M.北京：电子工业出版社，2008.4 刘利秋.基于电涡流传感器测厚及材质鉴别的研究J.沈阳航空工业学院学报.2006：84-86.5 李成华.现代检测技术M.北京：中国农业大学出版社，2001.6 胡嗣云，张武杨.电涡流传感器线性化参数分析J.电测与仪表.2002:36-38.7 蔡美琴.MCS-51系列单片机系统与其应用M.北京：高等教育出版社，2007.东北石油大学课程设计成绩评价表课程