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测厚仪研制中几个关键问题的讨论

测厚仪研制中几个关键问题的讨论

1 往返时间的测量

    往返时间的测量有以下三种方法:

(1)测量发射波T与第一次底波B1之间的时间;

(2)测量第一次底波B1与第二次底波B2之间的时间;

(3)测量其后任意两相邻波之间的时间。

以上三种测量方式的选择可以通过不同的电路来实现,但它们对仪器的性能 有很大的影响。如果选择第一种测量方法,则因发射脉冲幅度特别大,且种测量 方法,由于脉宽窄,能探测薄的材料,此时若用高频探头(10MHz),就能探测更薄的材料,因而拓宽了仪器测量下限。如果选择第三种测量方法,效果和第二种 不相上下,但数据采集较困难,且杂波较多。第二和第三种测量方法的测量电路 较复杂,成本较高。我们在研制过程中,考虑到量程要求,采用了第二种测量方 法。为了方便实现电路,我们在发射超声波的同时设计了一个计数门,由门脉冲控制计数的起始位置。

2 高速数据采集

由于探头工作频率最高为5MHz,按照采样定理,数据采集速度需在10MHz以上,通常选择为工作最高频率的4~5倍最好,本系统中使用的采样频率为50MHz。仪 器的精度也和数据采集速度密切相关,例如,钢在声波纵波的传播速度为5900m/ s,在一个周期内通过的折反距离为147(mm)(2) 所以仪器的测量精度基本能满足要求,然后再采取一些其它补偿措施,例如 自动校准补偿、软件补偿等,使仪器的精度达到0.01mm。

3 计数问题

在硬件设计中,我们始终以小型化为标准,尽量减少硬件数量,所以单片机 选用美国ATMEL公司生产的高性能AT89C51-20PC的单片机,片内有E2PROM,采用 电擦除方式,程序修改方便,内存容量足够,不增加任何外围设备。而计数器采 用三态输出的8位二进制计数器74HC590一片。但仪器要求测量上限为200mm,因此 计数上限为:通过计算发现只用一片8位二进制计数器74HC590是不能满足计数要求的。所 以在设计中为了避免74HC590的级联,设计中用单片机内部计数器T0也参与计数。 但单片机的计数器的最高频率一般仅为振荡频率的1/24,即在单片机外接12MHz 晶振时,计数的最高频率为0.5MHz,而74HC590的进位信号为一个与计数时钟同频的脉冲,因此单片机无法对其进行计数。为了解决这个问题,把T0脚接到74HC590的最高输出端,对计数时钟进行28分频后计数,这样,当T0工作于方式1,则总计数值可以到28+16=224。

4 多功能的体现

多功能主要由AT89C51-20PC的软件处理的实现及更换不同探头及达到不同测 量范围来体现。主要表现在以下几个方面:
    (1)体积小,便于携带 在电路中的除了选用低功耗的单片机外,器件尽量使用CMOS集成电路。由于 仪器中很多元件都有特殊要求,特别是高频、高压、低噪等的特殊器件,尽量使 用MAXIM公司贴片式芯片。
    (2)操作简单
    整个操作键仅五个,不需任何操作训练。
    (3)自动校准
如(1)式所示,要想得到精确的测量结果还必须修正由于探头接触测试件所 引起的接触滞后及其它装配所引起的滞后,我们采用下列公式来进行修正:
    D=V(t-Tn)/2(4) 式中,Tn为初值补偿系数。我们在仪器中采用自动设置补偿系数达到自动校 准目的。

    (4)测量状态显示
    可由仪器提示是测材料厚度还是测声速。如测声速则输入厚度值;如测厚度 则首先进行自动校准后即可测量。还可通过显示屏上的显示符号可知   当前测厚仪 是处于哪一种测量状态,提示操作者。
    (5)耦合状态显示
   如果在测量操作中,测量探头和工作面耦合得不好,立即会有一个符号提示 操作者。
    (6)背光显示
   在液晶显示器下有一个背光条,便于在光线不好的工作现场操作时打开背光 。
    (7)公英制转换
   主要考虑到测量显示单位和国际仪器单位接轨。
    (8)上、下限报警
   操作员可根据自己的需要设置上、下限报警值,若超出此值,仪器自动报警 。

    (9)数据保存
    每次开机时自动保持上一此测量结果。
    (10)电源电压不足显示
仪器电源由于采用的是干电池,电路除了采用低功耗的器件外,电源设计成 断续小电流工作方式,探头未接触样品时,仪器仅工作在维持启动状态,当探头 接触样品时,电路才开始工作。在使用一段时间后,若电源电压不足时,为防止 误操作,仪器自动提醒使用者。
    (11)更换不同探头,实现不同测量范围

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