[发明专利]一种涂层测厚仪及涂层厚度检测方法

权利要求书

1.一种涂层测厚仪，其特征在于，包括：

壳体，用于安装各零件；所述壳体内部具有安装空间；

检测头，用于向涂层发射探测信号以及接收涂层反射的反馈信号；所述检测头设置于所述壳体上；

副电路板，用于控制所述检测头产生探测信号，以及处理所述检测头发送的反馈信号；所述副电路板设置于所述安装空间内，且与所述检测头固定连接；

触发开关，用于接受所述检测头的按压以启动所述检测头进行涂层厚度检测；所述触发开关与所述副电路板固定连接，并与所述壳体内壁上的触发挡板相对；

显示屏，用于显示测量值；所述显示屏设置于所述壳体上；

USB接口，用于与外界设备交换数据；所述USB接口设置于所述壳体上；

电池，用于为各零件供电；所述电池设置于所述安装空间中；

开关按键，用于开启或关闭测厚仪；所述开关按键设置于所述壳体上；

主电路板，用于处理各信号；所述主电路板设置于所述壳体中，且分别与所述副电路板、所述显示屏、所述USB接口、所述电池和所述开关按键连接；

所述检测头包括：检测头外壳，激励线圈、检测线圈和铁芯，其中，所述检测头外壳第一端与所述副电路板连接而第二端伸出所述壳体，所述铁芯设置于所述检测头外壳内，且第一端与所述检测头外壳第一端平齐而第二端伸出所述检测头外壳，所述铁芯侧边有4条用于所述激励线圈和所述检测线圈走线用的走线槽，所述激励线圈和所述检测线圈同设置于所述检测头外壳内且缠绕于所述铁芯上，所述激励线圈设置在靠近所述走线槽的一侧，所述检测线圈设置在远离所述走线槽的另一侧，并与所述激励线圈紧贴在一起，所述激励线圈和所述检测线圈的导线穿过所述走线槽与所述副电路板电连接；

所述副电路板包括：D/A转换器U3、放大器U4、高速A/D转换器U5、单片机U6、电容C7、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、第一电容C16、第一电容C17、电容C18、电阻R1、电阻R6、第一电阻R7、第一电阻R8、电阻R10、电阻R11和电阻R14，其中，所述D/A转换器U3的Vdd引脚连接第一正电位，所述D/A转换器U3的REFO引脚分别连接第二正电位和所述电容C7的第一端，所述电容C7的第二端接地，所述D/A转换器U3的VFB引脚和Vout引脚均连接所述电阻R1的第一端，所述D/A转换器U3的SYNC引脚连接所述单片机U6的TX2/PA8引脚，所述D/A转换器U3的SCLK引脚分别连接高速A/D转换器U5的CLK引脚和所述单片机U6的PA5/SCK引脚连接，所述D/A转换器U3的DIN引脚连接所述单片机U6的MO/PB1引脚，所述D/A转换器U3的Gnd引脚接地，所述放大器U4的两个R1引脚分别与所述电阻R11的两端连接，所述放大器U4的负Vin引脚连接所述检测头中检测线圈的第二端，所述放大器U4的正Vin引脚连接所述检测线圈的第一端，所述放大器U4的负V引脚接地，所述放大器U4的R2引脚分别连接所述电容C10和所述电阻R10的第一端，所述电容C10和所述电阻R10的第二端均连接所述第二正电位，所述放大器U4的VO引脚连接所述电阻R14的第一端，所述放大器U4的正V引脚连接所述第一正电位，所述电容C18的第一端接地而第二端与所述放大器U4的正V引脚连接，所述高速A/D转换器U5的REF引脚连接所述第一正电位，所述高速A/D转换器U5的正IN引脚分别连接所述电阻R14的第二端与所述第一电容C17的第一端，所述第一电容C17的第二端接地，所述高速A/D转换器U5的负IN引脚和GND引脚均接地，所述高速A/D转换器U5的/CS引脚连接所述单片机U6的PA7/MO引脚，所述高速A/D转换器U5的Dout引脚连接所述单片机U6的PA6/MI引脚，所述高速A/D转换器U5的VDD引脚分别连接所述第一正电位和所述第一电容C16的第一端，所述第一电容C16的第二端接地，所述电阻R1的第二端分别连接所述电容C9的第一端和所述检测头中激励线圈的第二端，所述电容C9的第二端接地，所述激励线圈的第一端接地，所述电阻R6的第一端连接所述第二正电位而第二端连接所述检测线圈的第一端，所述第一电阻R7的第一端连接所述检测线圈的第一端而第二端连接所述检测线圈的第二端，所述第一电阻R8的第一端连接所述检测线圈的第二端而第二端连接所述第二正电位，所述单片机U6的VSS引脚和Boot0引脚均接地，所述单片机U6的VDD引脚分别与所述第一正电位和所述电容C13的第一端连接，所述电容C13的第二端接地，所述单片机U6的VDDA引脚分别与所述第一正电位和所述电容C11的第一端连接，所述电容C11的第二端接地，所述电容C12的第一端接地而第二端与所述单片机U6的NRST引脚连接；

根据涂层测厚仪进行涂层厚度检测，检测方法包括步骤：

按压开关按键，开启仪器；

将检测头按压在待检测涂层上；

副电路板上的第一单片机检测到触发开关的触发信号，开启涂层厚度测量功能；

所述检测方法包括步骤：

按压开关按键60，开启仪器；

将检测头20按压在待检测涂层上；

副电路板30上的第一单片机检测到触发开关的触发信号，开启涂层厚度测量功能；

显示屏40显示涂层厚度测量值；

进一步地，涂层测厚仪上预存储的感应电压波形波峰与波谷的归一化差值ΔA与涂层厚度H之间的定量关系曲线可以通过以下方法获得：

当涂层测厚仪工作时，仪器检测头20垂直按压测试物，触发开关80启动，单片机U6发送正弦波数字数值给D/A转换器U3，D/A转换器U3输出电压为

其中，V_REFOUT为D/A转换器U3的基准电压，N是D/A转换器U3的位数，D是载入DAC寄存器的二进制编码的十进制等效值，

此实施列中，V_REFOUT＝2.5V，N＝16位，D取值0至65535，

D取值满足正弦型函数

θ从0°取值，间隔2°，即0,2,4,6,8……，代入(3)式得到D值，单片机U6每隔32us发送一个对应D值给D/A转换器U3，D值取整数部分代入(2)式，即可得到D/A转换器U3输出的正弦型震荡电压，D/A转换器U3输出震荡电压，周期T＝32us*360/2＝5760us,震荡频率f＝1000000/5760＝173.61HZ，振幅A＝2.5V，

震荡电压经R1和C9滤波后，输出给激励线圈，激励线圈产生交变磁场，检测线圈根据此交变磁场产生交变感应电压，单片机U6的D值发送周期为32us，所以检测电路的采集周期必须在32us之内完成，选取的高速ADC转换频率为100KHZ，

D/A转换器U3自带2.5V基准电压输出，2.5V基准电压同时用作检测线圈和放大器U4的参考电压，即感应电压在2.5基准上波动，根据电磁感应原理，磁通量变化率最大的地方感应电动势最大，即感应电压与激励电压相位差90°，经放大器U4放大，放大倍数G＝2*R12/R11，根据实际信号强弱选择合适的R12、R11即可，

通过测量一系列不同厚度涂层对应的检测线圈的感应电压波峰与波谷的差值A，然后再对差值A进行归一化处理得到感应电压波峰与波谷的归一化差值ΔA，得出ΔA与覆盖层厚度H的定量关系曲线，将其存储在仪器上，在测试涂层厚度时，测量出感应电压波形波峰与波谷的差值并归一化处理，通过查询存储的关系曲线，即可计算出涂层厚度，

公式(4)为感应电压波峰与波谷差值归一化计算公式，其中A_0um为检测头按压在无覆盖层磁性金属基体所对应的感应电压波峰与波谷的差值A，A_∞为检测头按压在无磁性的物体上的感应电压波峰与波谷的差值A

标定样品采用铁基材上覆盖薄膜片材的方式操作，薄膜的标准厚度由三丰万分尺标定，万分尺分辨率0.1um，误差±0.5um，片材选取22种不同厚度的薄膜，用万分尺测量分别是1.5um,2.5um,6.2um,12.3um,25.2um,42.9um,50.8um,65.1um,76.2um,99.8um,125.1um,149.5um,174.8um,200.3um,225.0um,250.5um,300.6um,349.1um,401um,451um,497um,524um，

标定时，先测量无覆盖层铁基材对应A_0um，再把1.5um，2.5um……524um共22个片材分别放在铁基材上测出对应的A_1.5um，A_2.5um……A_524um,最后再测量一个无磁性材料的A_∞，

测量值按公式(4)进行归一化处理：

ΔA₀＝A_0um-A_0um＝0

………

归一化后变成0至1的数据,与涂层厚度成非线性关系，目前常用高次多项式拟合算法或多段直线拟合算法，高次多项式拟合算法存在数值震荡的缺点，多分段的直线拟合需要比较线性的检测信号，而检测信号不满足线性要求，本拟合方法采用多分段2次多项式拟合，即克服了高次多项式的数值震荡问题，也满足信号的非线性问题，

共分5段进行拟合，按归一化电压值分段：0-0.253124，0.253124-0.392915，0.392915-0.55674，0.55674-0.71811，0.71811-1，如需更高精度拟合，可分更多段，

二次多项式如下

H_n＝a_n.ΔA²+b_n.ΔA+c_n

用最小二乘法进行拟合，即可得到每一段二次多项式的a,b,c系数，拟合结果满足测量误差为±(1％H+0.5)μm的国家检定规程的A级机要求；

显示屏显示涂层厚度测量值。