何 平，曹勝梅，李 岐，華 楠

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系，哈爾濱150001)

隨著塑料薄膜以及以薄膜為主要輔助材料的其他產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)生活中的廣泛應(yīng)用，薄膜的厚度越來(lái)越成為一個(gè)重要的物理性指標(biāo)[1].薄膜的阻隔性能、機(jī)械拉伸性能以及生產(chǎn)加工成本等均與其厚度密切相關(guān)，因此薄膜厚度的測(cè)量一直是人們密切關(guān)注和不斷研究改進(jìn)的課題.

隨著科技的進(jìn)步和精密儀器的應(yīng)用，薄膜厚度的測(cè)量方法也越來(lái)越多，按照測(cè)量方式可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量[2].接觸式測(cè)量指應(yīng)用測(cè)量工具通過(guò)接觸直接感應(yīng)出薄膜的厚度，常見(jiàn)方法有螺旋測(cè)微法、精密輪廓掃描法.這類(lèi)方法不僅容易損壞被測(cè)對(duì)象，而且會(huì)帶來(lái)人為操作誤差.非接觸式測(cè)量指根據(jù)一定的物理關(guān)系，將相關(guān)的物理量經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為薄膜的厚度，從而達(dá)到測(cè)量薄膜厚度的目的，常見(jiàn)方法有超聲波測(cè)厚法、射線測(cè)厚法及光透射測(cè)厚法等.其中光透射測(cè)厚法具有測(cè)量精度最高，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)被測(cè)對(duì)象沒(méi)有選擇性等優(yōu)點(diǎn)[3].

本文設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的紅外透射式薄膜厚度檢測(cè)系統(tǒng).系統(tǒng)通過(guò)高精度的傳感器測(cè)量紅外光透過(guò)薄膜前后光強(qiáng)的變化量，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行采集并處理，計(jì)算出薄膜的厚度傳給人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度的實(shí)時(shí)檢測(cè).

1 紅外透射式檢測(cè)原理

紅外透射式薄膜厚度檢測(cè)原理如圖1所示.

圖1 紅外透射式薄膜厚度檢測(cè)原理

紅外光通過(guò)薄膜進(jìn)行傳播時(shí)會(huì)因薄膜的吸收產(chǎn)生衰減，其衰減程度與薄膜的厚度密切相關(guān).此外，薄膜對(duì)紅外光的吸收程度隨光波長(zhǎng)的不同而不同，特定波長(zhǎng)的紅外光照射薄膜時(shí)，其光強(qiáng)的變化量與薄膜的厚度關(guān)系如式(1)所示.

其中:I為透射光強(qiáng)，I0為入射光強(qiáng)，α為薄膜對(duì)紅外光的吸收系數(shù)，T為待測(cè)薄膜厚度.

系統(tǒng)選用兩束不同波長(zhǎng)的紅外光同時(shí)照射薄膜，其中測(cè)量光的波長(zhǎng)為3.4 μm，透過(guò)率較高，參照光的波長(zhǎng)為2.9 μm，透過(guò)率較低，根據(jù)薄膜對(duì)兩路紅外光的吸收差值并利用式(1)可得出薄膜的厚度值，如式(2)所示:

系統(tǒng)工作時(shí)，透射光分別被兩路紅外傳感器接收，通過(guò)傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并采用同一信號(hào)處理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求取薄膜厚度[4].

2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生、薄膜厚度信號(hào)的采集和處理以及人機(jī)交互3部分組成.系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示.

圖2 薄膜厚度檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖

為避免環(huán)境光的干擾，系統(tǒng)采用了具有一定頻率的調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光管，使兩路光都工作在方波模式，對(duì)薄膜進(jìn)行交替照射.紅外光傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行隔直、濾波、放大處理.系統(tǒng)主控芯片TMS320F2812通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元對(duì)處理過(guò)的電信號(hào)進(jìn)行采樣并計(jì)算出薄膜厚度，然后通過(guò)串口傳給人機(jī)交互系統(tǒng).人機(jī)交互系統(tǒng)完成薄膜厚度數(shù)據(jù)的顯示.

3 薄膜測(cè)厚系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生

系統(tǒng)工作時(shí)，需要頻率為2 kHz的方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩路發(fā)光管交替發(fā)光.雖然此方波信號(hào)可以由DSP軟件輸出PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)，但會(huì)增加程序上的負(fù)擔(dān)進(jìn)而實(shí)時(shí)性不好.因此系統(tǒng)采用555定時(shí)器中的多諧振蕩器進(jìn)行調(diào)制信號(hào)電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整電阻阻值來(lái)調(diào)整方波信號(hào)的占空比，此處設(shè)置占空比為50%.555定時(shí)器的工作電壓為4.5～16 V，其輸出電流最高可達(dá)200 mA，通過(guò)后續(xù)放大電路來(lái)增加其驅(qū)動(dòng)能力以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)光管交替發(fā)光[5].方波調(diào)制信號(hào)如圖3所示.

圖3 方波調(diào)制信號(hào)波形圖

3.2 薄膜厚度信號(hào)的采集計(jì)算系統(tǒng)

薄膜厚度信號(hào)的采集計(jì)算系統(tǒng)負(fù)責(zé)將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與薄膜厚度相關(guān)的電信號(hào)，然后對(duì)信息進(jìn)行處理與計(jì)算并通過(guò)串口傳送給人機(jī)交互系統(tǒng).該部分主要由核心處理器TMS320F2812及外圍電路、電子冷卻硒化鉛光敏電阻、模擬濾波芯片MAX275、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD976、MAX232及其接口組成.

當(dāng)兩路紅外光交替照射薄膜時(shí)，電子冷卻硒化鉛光敏電阻將透射光信號(hào)轉(zhuǎn)化并合成一路電信號(hào)[6－7]，此電信號(hào)的幅值與兩透射光信號(hào)的幅值差有關(guān).信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置處理電路和模擬濾波芯片進(jìn)行隔直、濾波、放大等處理，然后傳給核心處理器TMS320F2812，處理器通過(guò)控制AD976啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào).待數(shù)據(jù)采集到一定數(shù)量，處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、歸一化處理等[8]，計(jì)算出薄膜厚度并與人機(jī)交互界面通信，實(shí)時(shí)更新厚度數(shù)據(jù).薄膜厚度信號(hào)采集計(jì)算系統(tǒng)的軟件部分運(yùn)行于TMS320F2812中，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為 CCS3.3.程序主要以 C語(yǔ)言完成[9]，系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

3.3 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互模塊選用晶昌日盛公司的JCR56HD液晶顯示觸摸屏，與主控芯片TMS320F2812進(jìn)行RS232通信，通訊波特率設(shè)置為115 200 bit/s.界面主要分為顯示界面和觸摸界面兩部分，DSP通過(guò)SCI串口向液晶屏傳送所要顯示內(nèi)容的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示功能，主要包括運(yùn)行時(shí)間、剩余時(shí)間、薄膜厚度、室溫及濕度等信息.觸摸界面主要包括啟動(dòng)、時(shí)間增、時(shí)間減、停止四個(gè)按鍵，按下啟動(dòng)鍵，頁(yè)面將實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的薄膜厚度等參數(shù)，時(shí)間增、減鍵用來(lái)調(diào)整所需的運(yùn)行時(shí)間.液晶觸摸屏的工作畫(huà)面如圖5所示.

圖5 液晶觸摸屏界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

令系統(tǒng)在室內(nèi)靜態(tài)運(yùn)行，對(duì)理論厚度分別為15、25、35、45 μm 的薄膜進(jìn)行非接觸式測(cè)量，然后再將同樣的薄膜樣品用螺旋測(cè)微器進(jìn)行人工接觸式測(cè)量，測(cè)量及對(duì)比結(jié)果如表1所示.

表1 系統(tǒng)測(cè)量和人工測(cè)量的結(jié)果對(duì)比

由表1可以看出，在測(cè)量精度方面，系統(tǒng)測(cè)量有著明顯的優(yōu)勢(shì).此外該系統(tǒng)屬于在線非接觸式測(cè)量，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體造成損壞，抗干擾性強(qiáng)，性能可靠.

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)紅外透射式檢測(cè)方法的研究，完成了基于紅外技術(shù)的薄膜厚度在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)具有精度高、誤差小、操作方便、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，滿足生產(chǎn)測(cè)試要求.此系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜生產(chǎn)厚度的研究中具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

[1]李波欣.薄膜厚度測(cè)量方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連:遼寧師范大學(xué)，2004:3－16.

[2]CUNNINGHAM T.Measuring Dry Film Thickness Using Electromagnetic and Eddy Current Gauges[J].Materials Performance，1995，34(5):39－41.

[3]杜方迅，徐 剛，湯曉波.透射式激光測(cè)厚傳感器的研制[J].傳感器技術(shù)，2002，21(10):16－17.

[4]王雪文，張志勇.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004:57－79.

[5]BERLIN H M.555 Timer Applications Sourcebook，With Experiments[M].Indianapolis:H.W.Sams，1978:145－152.

[6]張 斌，李文啟，易小月.光敏電阻的特性研究及應(yīng)用[J].才智，2009(30):68.

[7]殷雪松，杜 磊，陳文豪.PbSe紅外探測(cè)器的低頻噪聲特性研究[J].紅外技術(shù)，2010，32(12):704－707.

[8]龍宏波，葉曉慧，譚思煒.歸一化加權(quán)平均值算法在測(cè)量中的應(yīng)用[J].電光與控制，2010，17(12):68－70.

[9]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008:15－19.