电涡流传感器铜膜测厚电路设计要点

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

2、数、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具有不同程

3、 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10150yrn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 2三、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 5五、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

4、计 52、参数计算 63、元器件清单 7六、总结 8参考文献 9传感器原理课程设计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

5、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。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

6、，将频率的变化转换为电压的变化。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。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ii时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场Hi，它使置于此磁场中的被测金属导

7、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 出； H2与Hi方向相反，并力图削弱Hi,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 p磁导率禺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。本设计用高频反射式涡流传感方式，线圈中通有正

8、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：Z “R2(丄)2R； C2)2j Li(L2)22L2Rf ( L2)2(1)式中：3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

9、起Z的变化，造成振荡强度的改变,LC振荡电路的幅值Uo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Uo最大；当传 感器接近被测铜膜时，振荡损耗加重，振荡电压Uo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Uo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Uo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LM3

10、93的3端。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，C

11、4组成并联谐振回路，它们与三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。LM3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

12、峰值达到1.8 V，场效应管Q2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

13、厚的铜膜，仅作用于表面的薄层。电磁波的穿透深度有限，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：h=5030u：式中：p为导体电阻率，单位：Q cm ；pr为导体相对磁导率;为交变磁场频率。在常温下，对于铜来说=1.7 10 cm)w = 0.9999,而一般PCB板的铜膜厚度约为10200叩。以200即代入公式，可 计算得f0 =1 0 KH z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

14、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兀器件清单编号名称型号数量1电阻510K Q12微调电阻220K13电阻100K Q34电阻1K Q25电阻10K Q16电阻1M Q17电容0.01 pF28电容220 pF29电容0.1 pF410电容470 pF111电容10pF212电容100 pF113二极管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

15、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

16、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。11参考文献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. 李成华.现代检测技术M.北京：中国农业大学出版社，2001. 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