比率采样法在镀层厚度测量中的应用

　　对于数字化或智能化镀层厚度测量系统来说,其输入通道一般包括传感器、信号放大器和A/D转换器。但经常由于其组成电路工作的不稳定性(一般由于电源、电阻及电容等参数变化引起),从而产生较大的测量误差。要提高测量精度,使测量系统输入通道各单元电路有关电路元件参数达到较高的稳定度,有时是很困难的。用比率采样法能消除这些可变因素的影响,从而降低了测量系统对元器件性能参数的要求,提高了测量精度。

　　1　测量原理

　　所谓比率采样法实质上就是在一次测量中,采样几个特定点,找出它们之间的比值关系来表示待测量,以此代替采样一个点表示待测量,这样可消去一些中间参量或不稳定参量,从而使电路参数的变化对测量精度的影响大大减小。

　　基于比率采样法测量镀层厚度的测量系统原理如图1—1所示。厚度传感器完成厚度到电量的转换,此信号经多路转换开关(由单片机控制)送到信号放大器,基准电压信号也经多路转换开关送入,放大器的输出信号再经低通滤波器抑制高频噪声干扰后送到非线性较正电路,线性化处理后的信号经V/F转换器得到频率信号,当多路转换开关接通被测信号时经V/F转换得到频率信号f1,当多路转换开关接通基准电压信号时经V/F转换得到频率信号f2,最后用单片机测出f1、f2,算出f1/f2的比值,就可以得到被测镀层的厚度。

　　2　主要单元电路的设计

　　2·1　镀层厚度传感器

　　传感器是检测中的关键部分,它的精度决定了整个测量精度。过去常用电感式磁阻传感器或电容传感器,但这些方法或是工艺复杂、温度特性不好、灵敏度低;或是精度不高。随着霍尔传感技术的发展与霍尔集成电路的问世,将霍尔元件和电子电路集成在一起,使其性能更为优良。所以选用了霍尔集成电路厚度传感器。图2—1是其结构示意图。将U型铁芯中间断开,然后将霍尔集成电路和一片钕铁硼永磁体夹到中间并粘牢,铁芯由矽钢片叠成。霍尔集成电路选用CS3500系列,它具有输出电阻小、功耗低、灵敏度高、温度特性好等特点,电路内部由霍尔元件、电压调整器、差分放大器、输出级等组成,塑料封装成三端器件,其内部结构如图2—2所示。测量时将U型铁芯的两极放到被测物体表面上,这时永磁体所产生的磁通便通过U形铁芯和被测物体形成磁回路,其路径如图2—1中虚线所示。当导磁工件表面镀有某一厚度的非磁性镀层时,磁回路的磁阻和磁通量发生变化,作用到磁回路中霍尔集成电路上的磁场强度就不同,从而使霍尔集成电路产生的霍尔电压随镀层厚度而变化,完成非电量(厚度)到电量(电压)的转换。输出电压Vd与厚度δ的关系为非线性关系,可表示为:Vd=kδ1/n,或 δ=(Vd/k)n,(式中k为关系系数)其关系曲线如图 2—3所示。