基于電渦流的銅膜測厚研究

摘 要: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電路產生的正弦電磁波輻射至銅膜。在銅膜上產生電渦流，從而引起輻射線圈電阻抗的變化，損耗增加，振蕩信號幅值隨之衰落。通過單片機對信號幅值進行A/D轉換，數據處理，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10~150 μm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

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0179-04

Research on Thickness Measurement of Copper Film Based on Eddy Current

ZHOU Jie， ZHANG De-jun， CHEN Ting-xun

(Mechano-electronics Engineering College， Zhejiang Ocean University， Zhoushan 316000， China)

Abstract: A device was designed to measure the thickness of copper film on PCB board. Based on the high frequency reflexible eddy current sensor， with the priciple of electromagnetic induction， the sine electromagnetic wave produced by LC oscillator is transmitted to the copper film on PCB board， and then the eddy current is generated on the copper film， thus the impedanced of the coil is changed， the loss is increased and the amplitude of LC oscillating signal is faded. The thickness of the copper film is displayed after A/D conversion of the signal amplitude and data processing by a single chip computer. This device is stable， small and portable， and has an efficient range in 10~150 μm. It also can measure the thickness of other metal.

Keywords:eddy current; thickness of copper film; amplitude; electromagnetic induction

隨著現代技術的不斷發展，工業測量被廣泛利用。各種測量都是基于一定的物理原理，再結合適當的技術來實現的。敷銅板作為電子行業的基本材料，其敷銅厚度對某些電子產品的質量有重要影響。而目前生產廠家所生產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?；趯@種渦流測量方式的應用與研究，設計了若干個樣機，在技術上對其性能和功能進行逐步完善。

1 銅膜測厚工作原理

1.1 電渦流測厚原理

根據法拉第電磁感應定律，當塊狀金屬置于交變信號的磁場時，導體內產生感應電流，此電流在導體內閉合，稱為電渦流。該電渦流會反作用于原來的交變磁場[1]。電渦流的大小與金屬導體的電阻率ρ、相對導磁率μ、金屬導體的厚度h、線圈激勵信號頻率f以及線圈與金屬導體間的距離r等參數有關。若固定某些參數，就能按電渦流的大小測量出另外某一參數[2]。

圖1 電渦流造成等效阻抗變化

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回路的等效阻抗發生變化，如圖1所示。線圈受電渦流影響時的等效阻抗為[3]:



Z=R1+ω2M2R22+(ωL2)2R2+

jωL1-ω2M2R22+(ωL2)2ωL2



式中:ω是高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，與被測體的間隔距離有關;L1是輻射線圈的電感量;L2是電渦流的等效電感量。等效阻抗Z的實部體現為振蕩線圈的損耗，當銅膜厚度不同時，R2不等，所以引起Z的變化，造成振蕩強度的改變，LC振蕩電路的幅值Uo相應地變化，如圖1所示。在無被測導體靠近時，LC并聯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。控制放大電路的參數，在一定范圍內，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。在實際操作中發現，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。

1.2 敷銅膜測厚電路

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2所示。

圖2中線圈L12和電容C1，C4組成并聯諧振回路，它們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決定三極管的靜態工作電流，C5為正反饋耦合電容。

圖2 穩幅正弦波產生電路

在LC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2中“*”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。振幅穩定由自動衰減網絡R2，R9，Q2，D1，C7等進行自動控制來實現。場效應管Q2工作在可變電阻區。其中場效應管2N7000的導通電壓約為1.2 V，二極管1N4148的導通電壓約為0.6 V。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3所示電路是正弦振蕩信號電壓峰值整流電路。

圖3 正弦信號峰值整流電路

線圈4，5端的輸出信號電壓Vo峰值穩定在2 V左右，送至LM393的3端，這樣，經過負反饋電路，電容C9的電壓可以逐步將近4 V，LM393第2端電壓值接近2 V。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，C9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，經過A/D轉換后，就可直接顯示銅膜的厚度。

1.3 電路原理總圖

以上電路再結合單片機電路和供電電路，形成總電路如圖4所示。

圖4 銅膜厚度測量總電路

2 敷銅膜測厚的關鍵技術

2.1 測量頻率的選擇

基于銅膜等效電阻R2的損耗進行測量，屬于能耗測量方式，應該充分體現不同厚度的等效電阻值R2大小的區別。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部。而金屬銅是良導體，存在集膚效應，高頻電磁場不能透過較厚的銅膜，僅作用于表面的薄層[4]。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[3]:

h=5 030ρμrf

式中:ρ為導體電阻率，單位:Ω#8226;cm;μr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，ρ=1.7×10-6(Ω#8226;cm)，μr=0.999 9，而一般PCB板的銅膜厚度約為10~200 μm。以200 μm代入公式，可計算得f0107 kHz。由這個公式得出的頻率可知，對于本項目中要檢測的是PCB板銅膜，應采用高頻反射方式。實驗中發現，當測量厚度大的銅膜時，需要貫穿深度大，選用低頻f激勵，其線性度較好;當測量薄的銅膜時，貫穿深度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[5]，見圖5與圖6中的幅度變化情況。靈敏度變大是因為頻率減小，渦流的穿透深度h變大，使電渦流的磁場變化對傳感器的影響加大，反映到線圈就是其電阻抗的變化量增大了。這樣會出現銅膜較薄時，振蕩器就因電渦流磁場的影響過大，幅值減小而不起振，不能得到不同的振蕩器幅值，從而進行厚度測量。因此，若要使傳感器可以測量較薄的銅膜(即靈敏度適中)時，f要在上述所得的f0基礎上進行變動，以獲得較好的靈敏度與準確度。

圖5 f=122 kHz時振蕩線圈2端的波形

圖6 測量107 μm銅膜時振蕩波形

按應用頻率的不同，渦流在導體中的穿透深度不同，在頻率較高時為高頻反射式和頻率較低時為低頻透射式，兩者的結構差別在于前者激勵線圈和檢測線圈在被測導體的一邊，而后者分別在導體的兩邊[6]。

在實際變壓器制作過程中，線圈漆包線直徑選擇0.2 mm左右比較合適，磁芯采用鐵氧體材料，以適合高頻工作。鐵氧體磁芯的直徑可定為7 mm，在磁芯的前端加一個直徑與磁芯相當的厚約1.5 mm的圓形塑料板，使傳感器與銅膜之間保持一定的間距，改進測量效果。通過實際試驗，采用高頻反射式電渦流傳感器，工作頻率約為122 kHz，在測量銅膜厚度為10~150 μm時有較好的線性度，適用于PCB板中的銅膜測厚。

2.2 軟件設計要點

選擇通用的51系列單片機進行軟件處理，包括有主程序、中斷程序、A/D轉換程序、顯示程序、數制轉換和處理部分的程序，如圖7所示。主程序是對所要用的寄存器(如A/D模塊)進行定義與設置，在按一下測量按鈕后，程序進入中斷處理部分，開啟A/D模塊的電源，選擇A/D通道，然后通過A/D口讀入LC振蕩器幅值，進行A/D轉換。軟件處理中有十六進制數值與十進制之間的轉換，程序中把處理得到的十進制數用三位數碼管顯示。

由于不同的銅膜厚度對LC振蕩器的磁場影響不同，對應的Uo值就不同，由此把轉換后的數字量進行數據處理，就可以得到不同的銅膜厚度。但對于頻率一定的正弦波信號，Uo值的變化與銅膜厚度并不是線性的關系，因此在軟件中采取分段線性法來處理數據。

圖7 程序框圖

3 測量結果與數據分析

正弦波振蕩信號的波形見圖5，運算放大器組成的整流電路實際工作在開關狀態，輸出波形如圖8所示。

圖8 LM393的1腳波形

常態下(沒測量時)，單片機A/D口的輸入電壓值(整流輸出電壓值)為4 V，而當傳感器測到厚度為107 μm的銅膜時，正弦波的波形見圖6，波形幅值有所縮小，此時在A/D口的電壓值為3.3 V。改變被測銅膜的厚度，對應的A/D口輸入電壓值見表1，將銅膜厚度與振蕩電壓幅值關系繪制成曲線，如圖9所示，由該圖可看出兩者之間并不是線性的關系，在處理數據時需要用分段線性進行標定，以提高測量的精度。

圖9 銅膜厚度與振蕩器幅值的相關曲線圖

表1 不同銅膜厚對應的電壓值

銅膜厚度/μm103570107135沒有銅膜基準電壓

AD口輸入電壓 /V2.02.32.73.33.74.05.0

A/D轉換后的值106120138170190204255

4 結 語

電渦流傳感器可實現非接觸測厚，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，與靈敏度成反比。

對于同一種金屬測厚，要根據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，也要根據金屬的電阻率、相對磁導率等參數來選擇不同頻率。

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。

測量過程中，探測頭的位置不宜長時間停留在同一個位置上，應該讓LC振蕩器有幅值的變化。

參考文獻

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[2]高曉蓉.傳感器技術[M].成都:西南交通大學出版社，2003.

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