1、精品文檔目錄第一章引言§ 1.1研究背景和意義 2§ 1.2國內外研究現狀 3第二章測量原理和方案論證設計任務和要求 3§ 2.1系統工作原理說明 5§ 2.2方案的比擬與確定 6第三章系統設計§ 3.1傳感器設計及說明 8§ 3.1.1 光電倍增管 10§ 3.1.2 放大電路和整形電路設計 13第四章精度分析§ 4.1報警設計 15第五章設計總結§ 5.1系統具有的功能 16§ 5.2系統的優點和缺點 17§ 5.3系統可行的改良方案 17參考文獻18鋼板厚度測試儀設計第一章引言&

2、#167; 1.1研究背景和意義厚度是金屬加工的尺寸質量指標之一, 厚度自動限制是現代金屬軋制生產中不 可缺少的重要組成局部.厚度自動限制是通過測厚儀或傳感器如輥縫儀等對金 屬實際軋出厚度連續地進行測量,并根據實際測量值與給定值相比擬后的偏差信號, 借助于閉環限制回路和裝置,經過計算機的功能程序,改變軋機的壓下位置、張力 或軋制速度,把厚度限制在允許偏差范圍內的方法.一個AGC自動化測厚限制系統由3局部組成：厚度的檢測局部,厚度自動限制裝置,執行機構.厚度限制系 統能否精確地進行限制,首先取決于一次信號的檢測,對現代連軋來說測厚儀一般 分為兩種：接觸式測厚儀和非接觸式測厚儀；而非接觸式測厚儀常

3、用的又有兩種：X 射線測厚儀和射線測厚儀.玻璃纖維行業目前使用的玻璃布測厚儀,大多數系造紙行業用的手動厚度計.這種厚度儀不但操作麻煩、費力,而且玻璃布的厚度隨著操 作人員的用力大小、動作快慢而發生變化；同一產品不同的檢驗人員測試的數據也不 同,不能準確表達織物的真實厚度值.厚度自動限制是通過測厚儀或傳感器如輥縫 儀等對金屬實際軋出厚度連續地進行測量,并根據實際測量值與給定值相比擬后的 偏差信號,借助于限制回路和裝置,經過計算機的功能程序,改變軋機的壓下位置、張 力或軋制速度,把厚度限制在允許偏差范圍內的方法.一個厚度自動限制系統應由 三局部組成厚度的檢測局部、厚度自動限制裝置、執行機構.厚度限

4、制系統能否精 確地進行限制,首先取決于一次信號的檢測,對現代熱軋來說測厚儀一般是射線的非 接觸式測厚儀,而冷軋鋼在較低速度情況下還可以采用接觸式測厚儀,精確、快速、 連續的監控鋼板的厚度,能有效的保證產品的質量,在現代生產過程中有很重要的 意義.高精度測厚是指工業生產過程中測量精度在微米級厚度的測量.在現代設備 制造和裝配生產中,很多領域要用到在線測量,并有著很高的精度要求1.在廣泛應用于農業生產、電子工業、化學分析等領域的薄膜產品的工業生產中,厚度是否 均勻是其質量的重要指標之一 2.精確測量一些零件外表涂鍍層的厚度,對保證工 件的性能以及節能節材具有重要的作用3.譬如電池極片是液態鋰離子二

5、次電池的 重要組成局部,它直接影響電池的容量、循環性能以及平安性能等特性,性能優異 的電池極片涂布對提升電池的綜合性能具有重要的作用.電池極片涂層厚度那么是電池質量的重要指標之一,準確地測量涂層厚度在鋰離子電池加工工藝中起著關鍵 性的作用.從測量方式看,測厚可以分為接觸式和非接觸式測量.目前已有的高 精度測厚方式如下所述.電阻式測厚儀結構簡單,性能穩定,受環境因素影響小, 但是分辨率較低,動態響應差 .磁式測厚儀靈敏度高,測量范圍寬,但易受各干 擾因素的影響.以上兩種方法均屬于接觸式測量,探頭會對待測物體造成損傷. 非接觸式超聲波測厚儀可對材料的多層涂鍍層厚度進行測量,但是探頭能量轉換效率低,

6、裝置體積大,重量重 .非接觸式射線測厚法是最先應用于在線測厚領域的 射線技術,它對于測量物沒有要求,但設備對于輻射保護裝置要求很高.非接觸式電容厚度監測儀結構簡單,精度高,但設備受引線電容和雜散電容的影響較大10 0 以上這些方法都不能滿足工廠進行實時在線高精度厚度無損檢測的需要.本文以TI公司的TMS320F281為主控芯片,以歐姆龍公司ZS-LD20T型號激光位移傳感器為測 量終端,并基于 WindowsCE操作系統設計了良好的人機交互界面.系統綜合了高精 度測量設備及信號復合處理算法,保證了測量的準確性和實時性.系統的整體設計 緊密結合了企業生產中的實際需求,性能可靠,測量精度高,易于操

7、作,具備很高的行 業通用性.在金屬帶板材的軋制過程中,連續、準確測量被軋帶板材厚度,及時 反應到厚控調節系統,調整輥縫以生產出高質量產品,具有重要經濟意義.§ 1.2國內外研究現狀有色金屬板材的縱向厚度值和橫向厚度值板型是評價板材質量的重要指標. 為此軋板行業的生產廠家都十分關注板材軋制過程,其厚度值的實時限制和監測.如 何在惡劣的生產現場條件下實施對板材厚度值進行連續、快速、無接觸及非破壞的 高精度測量,提升產品的質量,增加經濟效益,己成為我國板材生產行業中急待解決 的技術難題.第二次世界大戰結束后,隨著核物理技術參軍事應用向民用工業應用的 轉移,人們開始注意到：當射線穿過物質時強

8、度將隨之減弱,其減弱量與被穿過物質 的厚度有確定的對應關系.用這一原理就可以實現對板材的厚度測量.該測厚方式 與其它測厚方式相比,更適合現場測試條件.因而同位素射線測厚技術的出現就引起 了人們的極大關注,顯示出強大的生命力.本世紀五十年代到六十年代,西方興旺國 家便大力開展這類設備.目前,已開展到利用同位素射線測厚技術實現多輥聯軋機板 軋制過程的閉環限制系統.使冷軋薄型板材的縱向厚度差、橫向厚度差到達國際薄 型板材的“雙零五土 0.5%標準.大大提升了有色金屬板材的產品質量和國際市 場的占有率.目前國內軋板廠生產線上各工藝參數的監測手段比擬落后,因而導致 產品質量不穩定,外銷后返回率高,很難在

9、國際市場上與同類產品競爭,直接影響 和制約了企業的經濟效益.同時厚度是金屬加工的尺寸質量指標之一,厚度自動控制是現代金屬軋制生產中不可缺少的重要組成局部.我國在研制和應用這類技術上 與世界先進國家相比差距較大.隨著自動化水平的提升,國內對測厚技術的要求也 越來越高,一些企業引進國外的測厚儀來解決生產的急需.但是引進的測厚儀,存 在成木高、維修難等問題.現有測厚技術中,大多沿用X射線和同位素式測厚儀,但 因勞保防護未能做到盡善盡美,損害工人健康經常發生,因而越來越多的現場工人棄 之不用.近年來,有少數企業引進激光式測厚儀,由于設備裝置的費用高,難為一般 中、小企業所承受,并且嚴格說,激光式仍具有

10、一定的散射效應,同樣存在對射源的防 護問題.本文還介紹了近年來我國研制成功的一種新型測厚儀-電磁反射式測厚儀,專供在軋制過程中實時連續非接觸式測量鋼帶 板厚度.該儀器主要特點為結構簡 單,占據空間小,造價本錢低,無任何污染,絕對保證工人健康,易于操作和維修方便, 適用于測量各類金屬,如碳素鋼、不銹鋼、銅和鋁等的帶板材.第二章測量原理和方案論證設計任務和要求由于這次設計的測厚儀是用于在線生產的鋼板的厚度測量 ,而鋼板的生產是一 個動態的過程,所以這次設計的測厚儀是非接觸式的測厚儀,對于非接觸式的測厚儀 可以采用射線測厚儀.在保證高精度的前提下,為了使測厚儀操作智能化,功能多樣化,標定簡單化, 本

11、次設計主要從兩方面設計射線測厚儀：一方面是完善射線測厚儀檢測和限制系統, 另一方面就是完善該射線測厚儀的標定方法.本次設計將完善原射線測厚儀的測量監測系統,通過編程,使之具有如下的系 統功能：數據顯示功能一一顯示實時數據、測量厚度；數據采集功能一一采集測量數據；上面己經提到,射線測厚儀是在線軋鋼系統中的重要的檢測設備,它的測量精 度將直接影響產品的質量,而它的測量精度,要受到各種因素的影響,要保證比擬 高的測量精度,可以使用各種不同的方法,比方保持輻射源的密封、硬件系統的改 良等等.本次設計的射線測厚儀盡量在提升整體生產工藝裝備技術的情況下,也從 標定方面來保證比擬高的精度？ 也就是完善射線測

12、厚儀的標定方法.測厚儀的標定,也就是確定被測鋼板對射線的吸收率.在線測量時,從標定好 的吸收率中取值,再把已標定好的吸收率輸入測厚儀,然后由測厚儀中已設計好的 程序進行數據處理,即可求出實際的測量厚度.再將鋼板的厚度顯示出來.一般來說,測厚儀的標定主要考慮兩方面：一方面,要考慮到標定操作方法.總體來說,標定的操作根本上有兩種：一是先測出某一種鋼板不同厚度的刻度曲線,固化在計算機內,當現場測量時,取出相 應的曲線.刻度曲線是由制造廠家在出廠前建立的,它只有一條刻度曲線,并且不 可更改.由于不同鋼板的被測材料的刻度曲線根本是平行的,因此在測量其它鋼板 時,需要另加上一個補償值.補償值的取值要用標準

13、板實際測量來決定,并不斷地 加以修正.另一種是在現場標定,用不同合金不同厚度的標準板系列測出各種被測 合金鋼板的刻度曲線,存入計算機內.當測厚儀工作一段時間后,重新在現場進行 標定.前者的優點是定標所需要的標準板少,現場操作簡單,但它有一個致命的弱 點,即被定標的曲線不可改變.因測厚儀的工作環境很差,所測的精度隨著使用時 間的加長,測量誤差會變大.后者的優點是具有標定精度高,不受測厚儀狀態變化 的影響.它根據實際的使用情況,隨時在現場進行,隨時消除因測厚儀本身狀態變 化所造成的測量誤差.目前國外一些先進的測厚儀制造廠家都采用這種方法,通過 專門設計的定標程序,簡化現場操作.本次設計的測厚儀主要

14、由兩大局部組成,信號采集局部和信號處理局部,信號 采集局部包括放射源、放大電路和整形電路.信號處理局部包括單片機數據處理系 統、操作局部、測量數據顯示局部及鍵盤輸入.信號采集局部的工作穩定性和測量 精度是該設計的測厚儀最為關鍵的局部,它根本決定了整個系統的精度.任何射線性質的測厚儀的測量局部都應該有兩局部組成,射線發射局部和射線 接受局部.x射線測厚儀以及國外正在研制的激光測厚儀都應當屬于人工射線測厚 儀,而各種使用某些元素所產生的天然射線的測厚儀,應稱為同位素測厚儀.本次 所設計的的測厚儀就屬于同位素射線測厚儀.以放射源所采用的同位素不同,有 137Cs, 60Co, 90Sr等,根據射線種

15、類的不同又可以分為 B、丫射線源等.對于接 受局部而言,據其實現方法可分為氣體電離法和閃爍法.本次設計的實現方法屬于閃爍法,閃爍法中的探測器有發光晶體和光電轉換、放大元件等組成.設計說明書的后面將對各個局部作具體的說明.本次設計的測厚儀的任務框圖如圖 2.1所示.圖2.1測厚儀設計任務框圖§ 2.1系統工作原理說明光電效應是該測厚儀測量的理論根底,光電式傳感器將光量的變化轉變為電量 變化.當射線投射到被測物鋼板后,一局部射線為被測物鋼板吸收,一局部射線 穿過被測物鋼板,穿過被測物質鋼板后的射線強度,在物質成分一定的情況下, 和被測物的厚度和密度有關,假設被測物的密度為時,那么可以根據

16、射線強度來測出 被測物質鋼板的厚度.該測厚儀就是利用這種關系制成的.射線通過物質鋼板時其強度逐漸減弱,它的減弱按指數曲線下降,其吸收關系式表示為：l=lo e-ux式中I 為射線通過鋼板后的輻射強度.Io為射線源發射的輻射強度,u為材料鋼板對射線 的線性吸收系數,x為測量材料鋼板的厚度.該測厚儀安裝在軋機上的主要裝置為 射線源裝置.射線源裝置是受限制的輻射的輻射源,如采用衰減期較長的放射線物質 銫137,其衰減周期為30年左右.射線在通過鋼板后會轟擊熒光體,在射線轟擊熒光體 后產生光子,由于光電倍增管是一種將光信號轉換為電脈沖信號的傳感器,所以熒光體閃爍產生的光子通過光電倍增管后會產生一系列的

17、電脈沖信號脈沖信號再經過整 形電路整形,使其成為能被單片機接收的信號,然后再根據單片機識別到的信號和一 系列相互間的關系式進行編程得到鋼板的厚度,再將其厚度顯示出來,同時要將所測 得到的鋼板的厚度與給定的鋼板的上下限進行比擬,如果所測得到的鋼板的厚度與給定的鋼板厚度的上下限比擬后得到鋼板的厚度超出給定的上下限范圍,那么單片機會給出一個超差報警信號給報警裝置,這樣就可以使操作限制中央重新對鋼板的生 產厚度進行自動限制.在硬件設計中,通過設計一個鍵盤,通過此鍵盤向單片機輸入 被測鋼板的厚度的上限和下限,以及標定等鍵,使其具有比擬完善的輸入功能,在計 算機系統內,根據已設計好的軟件對數據進行處理,同

18、時比擬實際測量的鋼板的厚度 是否在鍵盤已輸入的鋼板厚度的范圍內,然后再根據判斷的結果作出相應的處理.§ 2.2方案的比擬與確定本次設計的測厚儀在生產中能夠動態的進行鋼板的在線厚度測量 ,選用核輻射 儀表進行動態測量和限制,在減小誤差的根底上進行測量,測量的限制單元選用熟悉 的單片機系統,由單片機采集光電倍增管輸出的信號,并且對數據進行分析和計算, 進而顯示在線生產的鋼板厚度,實現厚度的測量和超差報警.鋼板的在線測量使用核測量儀表,選用衰減期較長的放射性物質,如銫137等,當 放射性物質穿過一定厚度的鋼板后,由于鋼板的吸收等原因,使得穿過的射線隨著鋼 板厚度的變化而發生變化.在鋼板反面

19、放置熒光體,穿過鋼板后的射線轟擊熒光體, 通過對熒光體的閃爍次數的測量可測定鋼板的厚度.要解決測厚儀上述的一些問題,首先要解決的問題就是輻射源的選擇,由于輻射源的 選擇關系到本次設計的測厚儀的測量的準確度,在選擇輻射源時,要選擇的輻射源應 該是要衰減周期比擬長的放射性物質,由于如果選擇的輻射源的衰減周期比擬短時, 在測厚儀已標定好的情況下,對前一段時間內測量的鋼板的厚度是比擬準確的,但隨 著輻射源的衰減,在一段時間后,穿過鋼板前的射線的強度已沒有標定時的強度了,這樣肯定就會影響到測厚儀的測量的準確度了,所以對輻射源的要求就是要衰減周期比擬長的放射性物質,選擇銫一137(137Cs)活度50毫居

20、左右,半衰期為30年,能量 為0.66MeV放射源封裝在直徑為150mr具有高吸收系數阻擋層的鉛罐內,屏蔽保護 層厚度大7cm到達國家防護標準.解決了輻射源的問題,那就要解決如何能將測量射線的強度轉換為其他比擬容 易測量的量,所以這里就使用了熒光體和光電倍增管,光電倍增管接收熒光體的信 號就能將測量射線的強度轉換測量脈沖信號的頻率了,而且在解決這兩樣儀器的一 起使用時,還要考慮到熒光體和光電倍增管的匹配問題,要使熒光體的發射光譜剛 好落在光電倍增管的光電陰極光譜響應范圍內,而且最好能使熒光體的發射光譜剛 好就是光電倍增管的光電陰極最大響應波長.考慮這個匹配問題也是為了更好的保 證測厚儀測量精度

21、.光電倍增管輸出的脈沖信號經過整形后就可以被單片機接受了,數據由單片機 進行計算和處理,得到厚度并被顯示,當厚度不在設定的范圍內系統就會超差報警, 同時在這個系統里可以在現場工作前對測厚儀進行標定.要解決那些問題,本次設計可以采取的方案有幾種,在采取的方案中,對于傳 感器,輻射源的選擇,熒光體和光電倍增管的匹配問題,那一模塊的設計一般不會 有什么太大的問題,來自整形電路后的信號也都連接單片機的T0端口,超差報警的設計采用發光二極管發光,但在鍵盤的設計和顯示的設計可以多種方案.采用8051外接一片8255.因8255的片選信號引腳與 P2.6連接,A0與P2.0連接 A8, A1與P2.1連接.

22、8255的PB 口為輸出口限制顯示,PAO為輸出口限制鍵盤掃 描作為鍵盤接口,同時又是六位顯示器的掃描輸出口,8255的C 口作為輸入口,PC0-PC讀入鍵盤數,稱為鍵輸入口.在上述方案一時,鍵輸入程序的功能可以有以下四個方面 1判斷鍵盤有無閉 合,其方法為掃描口 PA0-PA7俞出全為0,讀PC口的狀態,PC和PC2為全1,即鍵盤上 行線為高電平,那么鍵盤上沒有閉合鍵,假設PC口不全為1,那么說明鍵盤上有鍵閉合.2 去除鍵的機械抖動,其方法為判斷到鍵盤上有鍵閉合后,延遲一段時間再判斷鍵盤 的狀態,假設還有鍵閉合,那么認為鍵盤上有鍵處于穩定的閉合期.3判斷閉合鍵的鍵號,方法為對鍵盤的列線進行掃

23、描,并相應的讀PC口的狀態,假設PC口為全1,那么列 線0的這一列上沒有鍵閉合.4使CPU寸鍵的一次閉合僅作出一次處理,采用的方 法為等待閉合鍵釋放以后再作處理.方案二為：顯示電路的設計采用芯片MAX721驅動顯示電路.MAX721為8位LED顯示驅動電 路,可以連續的驅動8位7段數據顯示.在芯片內部集成了一個BCDt碼器,段地址和 位地址驅動以及一個8X 8位的靜態隨機存儲器.只需要一個外部電阻,就可以正確 的驅動所有LED的段地址.同時作為輸入設備,鍵盤也是必不可少的,鍵盤的設計通過8155的擴展的I/O口作為行線和列線,構成具有15鍵的行列式鍵盤.行線與8155的PC0PC相連,列 線與

24、8155的PAO的8條線相連.那么鍵盤處理程序的功能有1判斷鍵盤有無鍵按下. 由PAO輸出00H再讀PC口的狀態讀入,假設PC口全為1說明沒有鍵按下,假設不全為1那么說 明有鍵按下.2消除抖動.當發現有鍵按下時,延時一段時間后在判斷鍵盤的狀 態,假設仍有鍵保持按下狀態,那么可定為有鍵按下,否那么認為是鍵抖動.3求鍵號PAH依次輸出掃描信號如下：PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0第一次11111110第二次11111101第三次11111011第四次11110111第五次11101111第六次11011111第七次10111111第八次01111111每次輸出掃描信號

25、后,檢查PC口的狀態,假設某一位為0那么說明閉合的鍵在這一行 即可確定閉合鍵的行和列.4等待閉合鍵的釋放.為了防止一次閉合屢次求其鍵 碼,等待閉合鍵釋放后再鍵號送入A.比擬兩種方案：第一種方案,8位顯示驅動電路一般由1片8255, 4片5407構成,不僅硬件資源占 用多,而且需要由軟件定時刷新,軟件資源占用也不少,假設是靜態顯示,8位數碼管 顯示驅動電路一般由8片54LS164勾成,硬件資源占用太多.現在,顯示電路的設計 采用芯片MAX721驅動8位顯示電路.一片MAX721便可完成8位數碼管的顯示驅動任 務.它與通用微處理器只有3根串行線相連,最多可驅動8個共陰數碼管,它的特點 有：串行接口

26、的傳輸速率可達10MH獨立的發光二極管段限制,譯碼與非譯碼兩種顯 示方式可選,數字、模擬兩種亮度限制方式,可以級聯使用.MAX7219的數據輸入主要由三根輸入線完成.它們分別是串行數據線、時鐘線與 加載線.當1個16位的數據從高位到低位依次輸入 MAX721后,在加載的上升沿將 D7-DC送入對應的內部存放器.譯碼存放器用于向每一顯示位提供 BCD?碼或段碼操作.存放器里的每一位對應 于一位數據譯碼.邏輯高電平時進行 BC譯碼,低電平時進行段碼操作.當進行BC譯碼時,只使用數據存放器的低4位 D3-DO而D4-D6位無效.D7為小 數點的設定位,不參與譯碼,當D7=1寸小數點點亮.進行段碼操作

27、時,數據位 D0- D7被直接送入芯片.MAX7219的顯示亮度限制由連接在V+與ISET管腳之間的電阻限制.這個電阻可用 來限制顯示的光亮強度,其最小值應為9.35 Q,用來提供顯示所需的標準電流40mA 掃描范圍限制存放器限制顯示器顯示的位數 1 8位,標準狀態下顯示器是在800Hz 的掃描頻率下八位共同顯示,當顯示位數小于八位時掃描頻率為8fOSC/N, N為掃描的位數.同樣,掃描的位數還會影響顯示的亮度.當不顯示內容時掃描范圍限制是 不起作用的.顯示測試存放器限制了芯片的兩種工作方式,正常工作方式與測試方式.在 測試方式下所有的LEE顯示全亮,此時并不改變限制和數據存放器數據,八位的掃

28、描 工作周期為31/32.單一的數據位更新無需對整個顯示重新寫入.這個芯片具有低功耗工作模式以 及數字化的光亮限制.用戶可以根據自己的需要,自第一位到第八位顯示數據,同 時,芯片內部還具有使八個燈全亮的測試模式.主要特：獨立的LED段碼限制.BCD?碼與段碼兩種模式選擇.150卩A勺低功耗關閉模式數據保存.數字化 的光亮限制.驅動共陰極LED顯示.24管腳封裝.鍵盤是由假設干按鍵組成的開關矩陣,它是微型計算機最常用的輸入設備,用戶 可以通過鍵盤向計算機輸入指令、 地址和數據.一般單片機系統中采和非編碼鍵盤, 非編碼鍵盤是由軟件來識別鍵盤上的閉合鍵,它具有結構簡單,使用靈活等特點, 因此被廣泛應

29、用于單片機系統.在鍵盤的設計時,采用8155芯片來設計,它不僅具有兩個8位的I/O端口 A 口,B 口和一個6位的I/O端門C 口還可以提供256B的靜態RA存儲器和一個14位的定時/ 計數器.8155和單片機的接口非常簡單,不需要增加任何硬件邏輯.由于它既有I/O 又有RAM所以被廣泛應用.根據上述的說明本次設計采用方案二.第三章系統設計§ 3.1傳感器設計及說明本次設計的測厚儀主要由兩大局部組成, 信號采集局部和信號處理局部,信號采集部 分也就是傳感器局部,由于本次設計的測厚儀屬于射線測厚儀, 所以信號采集局部包括放 射源,放大電路和整形電路,信號采集局部的工作穩定性和測量精度在

30、很大程度上決定了整個系統的精度.所以它是本次測厚儀設計最為關鍵的局部. 對于傳感器那一塊的整體設計模塊如圖3.1所示.圖3.1傳感器設計模塊對傳感器這一整體模塊說明為,當輻射源發出的射線投射到鋼板后,其中的一部 分射線會被鋼板吸收,另外的一局部射線那么會穿過鋼板,穿過被測鋼板后的射線強度 在鋼板成分一定的情況下,該射線的強度和被測物的厚度和密度存在著一定的函數 關系,假設鋼板的密度為時,那么可以根據穿過鋼板后的射線強度來推算出鋼板的厚 度.所以本次設計的測厚儀就是利用這種關系設計而成的.因射線通過鋼板時有一 局部會被鋼板吸收,這樣就會使射線的強度逐漸減弱,且射線的減弱強度會隨著鋼板 的厚度的增

31、加而增加,這樣就表現為射線的減弱按指數曲線下降,其吸收關系式表示 為：I =loe -ux 式 3.1式3.1中：I 為射線通過鋼板后的輻射強度；Io為輻射源發射射線的輻射強度；u 為鋼板對射線的線性吸收系數；x為被測鋼板的厚度；式3.1可以改寫為：X=-Ln10式 3.2u I該測厚儀安裝在軋機上的主要裝置為射線源裝置.射線源裝置是受限制的輻射 的輻射源,可以是通過限制電壓上下來限制射線的強度.由于本次設計的測厚儀的精度在很大程度上取決于輻射源的穩定性,所以為了提升該測厚儀的精度就必須選擇 衰減期較長的放射性物質,這次設計就采用衰減期較長的放射線物質銫 137其衰減周 期為30年左右,加適當

32、限制裝置來限制其輻射強度.關于輻射源的其他信息將在后 面的輻射源中詳細的加以說明,射線在通過鋼板后會轟擊熒光體,在射線轟擊熒光 體后產生一定強度的光信號,由于光電倍增管是一種能夠將光信號轉換轉換為電脈 沖信號的一種裝置,在這里加以說明的是在一定范圍內,光電倍增管產生的電脈沖 信號的頻率是與通過光電倍增管的光電陰極的光子的頻率是相等的,也就是說光電 倍增管產生的電脈沖信號的頻率與熒光體閃爍產生的光子的頻率是相等的,所以熒 光體閃爍產生的光子通過光電倍增管后會產生一系列的一定頻率的電脈沖信號.§ 3.1.1光電倍增管光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉換成可測電信號的光電轉換器件,光電 倍

33、增管：PhotoMultiplier Tube簡稱PMT是靈敏度極高,響應速度極快的光探測器. 在各種感光器件中,光電倍增管是性能最好的一種,無論在靈敏度、噪聲系數還是 動態范圍上都遙遙領先于其他的感光器件,更難能可貴的是它的輸出信號在相當大 范圍內保持著高度的線性輸出,所以廣泛應用于光子計數、極微弱光探測、化學發 光、生物發光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、 塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等 儀器設備中.光電倍增管是一種真空器件.它由光電發射陰極,光電陰極,和聚焦 電極、電子倍增極及電子收集極陽極等組成.光電倍增管的工作原理

34、可以用圖3.2來說明圖3.2光電倍增管的工作原理圖3.2中的K為光電陰極,光電陰極的材料通常有三種：Cs-0-Ag；半透明的Sb-Cs；不透明的Sb-Cs.當光投射到這些材料上就會產生光電子.通常光電陰極是上述的銫化物在玻殼內部涂成的半透明薄膜層.這樣,他一方面能夠接收外面投來的光子, 另一方面能將光電子發射出來.光電子一經產生后就會因受電場的作用而趨向陽極. 電極D乍為聚焦用,將光電陰極轟出的光電子聚焦到 D1電極上.D倒D1是相同的電 極而且依次加上相等的電壓,約80-150伏.這些電極稱為打拿極,用以產生出二 次電子.打拿極的材料通常為 Cu-S-Cs、Ag-Cs2O-Cs Sb-Cs、

35、Ag-Mg及BeO?.當 電子轟擊這些材料時就能打出多于一個的二次電子一般為3-6個電子.從每一級電極上打出的電子立即被加速聚焦到后一級上去.這樣又產生更多的電子.這個過 程一直繼續下去,可以將原先光電陰極上發射出來的電子倍增到極大的數目,最后 收集于陽極A輸出.如果以二次發射系數匚來表示每一個轟擊于打拿極上能產生二次 電子的數目,顯然匚與極間所加的電壓有很大的關系.匚與每級極間所加電壓的關圖3.3二次發射系數與電壓的關系工業上已造出來的光電倍增管的每個打拿極級間電壓大約在80-120伏,最大可到達150伏左右.這樣二次發射系數匚大約在3-6左右,也就是說每級的放大系數為 3-6倍.前一級發射

36、的電子收集到后一級時電子可能被散射或聚焦不完善而損失.如果每一級收集前一級電子的效率為 二,那么每一級的放大系數為：1 1 1式3.3 光電倍增管的放大系數M那么為：AZOb y式 3.4式3.4 中的n為打拿級的級數； 如果m=4 n=10貝U有：M=4 10 610 倍一般常用的光電倍增管的達拿級的級數為 9-14,所以光電倍增管的放大系數為 105-10 8左右.對于同一類型的光電倍增管來說,它的放大系數隨著所加的電壓的 咼低而不同.由上面的說明可以知道光電倍增管的放大系數是非常大的,所以它可以用來測 量非常弱的光.在這里我們舉一個例子說明一下, 如果輸出電容為10微微法.M=1f 時,

37、這樣,只要光電陰極上產生一個光電子,那么在輸出端的電壓就可以到達：空二竺氣土十毫伏C1O-11式3.5 精品文檔在使用光電倍增管時必須特別注意不能使它暴露于過強的光線中.通常光電倍 增管在工作時均安裝在完全隔絕日光的小盒內,由于打拿極上發射的二次電子不能 過多,否那么就會呈現“疲勞狀態,久而久之就會使光電倍增管“老化.其中最后 幾級的打拿極是最容易老化的.打拿極一旦老化后發射電子的效率就會降低,甚至 可能會出現完全損壞的情況.在使用在使用光電倍增管時,應特別注意以下幾點, 由于光電倍增管的封裝尾管易受外力或振動而損傷,故應盡量保證其平安.特別是 對于帶有過渡封裝的合成石英外殼的光電倍增管,應特

38、別注意外力的沖擊和機械振 動等影響.不要用手接觸光電倍增管,面板上的塵土和手印會影響光信號的穿透率, 受到污染的管基會產生低壓漏光.光電倍增管受到污染后,可用酒精擦試干凈.玻 璃管基芯柱光電倍增管比塑料管基更缺乏緩沖保護,所以對玻璃管基的管子應更加 保護,例如,在管座上焊接分壓電阻時,應將光電倍增管先插入管座中.在使用中 需要冷卻光電倍增管時,應經常將光電倍增管的相關部件也進行冷卻.氦氣會穿透 石英管殼,從而使噪聲值升高.因此,在使用和存放中防止將光電倍增管暴露在有 氦氣存在的環境中.同時每個光電倍增管的陽極也都會有它的陽極電流的限額.對于每一個光電倍增管,包括光電轉換性能在內,經常用靈敏度來

39、描述.光電陰極的靈敏度=產生光電子數h入射光了數Noe J N c式3.6 tt式3.6 中的F為入射光的光通量.這樣光電倍增管的靈敏度Vk以微安/流明,那么總的靈敏度V為：V=MV 安/流明一個光電倍增管的性能除了放大系數以及靈敏度外, 還要考慮到暗電流及噪聲 水平.在以上的說明中,我們考慮的是理想情況,即當光電倍增管的入射光線完全 被遮擋時,陽極上就不會有電流產生.但實際上,即使完全沒有入射光時,陽極上 也會有微小的電流通過,我們稱這個電流為暗電流.它的數量級大約為10-7安左右 特殊的光電倍增管具有更小的暗電流.暗電流的最主要來源為打拿極產生的熱電子 發射,因此降低溫度可以減小暗電流.由

40、于制造光電倍增管的光電陰極及打拿極的 材料必須具有高的光電子發射及二次發射效率和極低的熱電子發射效率.在室溫下 這些材料只發射極少的熱電子.熱電子一經產生后就立即被拉向后一級,并一級一 級的倍增下去最后收集到陽極上.顯然最初幾級的熱電子發射效應是最重要的.因 為它們都經過較高的放大.這些暗電流是測量微弱光子流的主要限制.要降低暗電 流,只要降低光電倍增管的溫度就可以到達,所以測量弱光子流時,光電倍增管常 常用干冰或液態空氣來冷卻.暗電流的產生除了熱電子的發射外,電極間的漏電、 光反射和離子反應,光電倍增管內的剩余氣體被電子激發會產生電離和輻射光子. 這些光子會濺射到光電陰極上產生光電子,并通過

41、光電倍增管的倍增而在陽極上產 生附加電流.這種現象稱為光反射.同樣,當正離子轟擊光電陰極和打拿極時也可 能產生二次電子,這種現象稱為離子反應.光反射和離子反應只有在光電倍增管的 倍增系數極大的情況下才嚴重.以及冷發射,如果光電倍增管內有尖端或突起局部 這些地方的場強可能很大,有可能拉出電子一即冷發射電子.但這些效應較前兩者 熱電子發射及漏電要小的多.都是產生暗電流的原因.各電極間的絕緣程度也直 接影響漏電程度.實際上暗電流是平均累計的結果,熱電子的發射是不連續的.因 此每個熱電子在陽極上將產生平均幅度為 cM的脈沖,這些脈沖就是光電倍增管的C噪聲.光電倍增管作為探測器時必須設法將這些噪聲去除.

42、一般輻射產生的信號電 壓比噪聲電壓大的多,所以去除非常容易.但在測量極低的能量輻射時,噪聲電壓 與信號電壓相差不多時,此時的測量就比擬困難了.§ 3.1.2 放大電路和整形電路設計在上述說明后對測厚儀的測量局部已設計完成,并可以知道從光電倍增管輸出 端輸出的信號是一種電脈沖信號,但這一電脈沖信號還不能直接被單片機識別而進 行數據處理,故需要對這一電脈沖信號進行整形使該信號能夠被單片機接收.光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉換成可測電信號的光電轉換器件,但從 光電光電倍增管出來的電脈沖信號的幅值是比擬小的,故需要設計一放大電路對此 信號放大.一般是選用集成運算放大器來設計信號的放大電路

43、,集成運算放大器簡稱集成 運放,是應用最廣泛的集成放大器,最早用于模擬計算機,并由此而得名.隨著技 術指標的不斷提升和價格的日益降低,作為一種通用的高性能放大器,目前已經廣 泛應用于自動限制、精密測量、通信、信號處理以及電源等電子技術應用的所有領 域.集成運算放大器內部結構通常包括以下三個組成局部：1輸入級：為提升輸入電阻,減少零點飄移,提升整個電路的共模抑制比,一般 都采用差動放大電路.2中間級：主要用于電壓放大,要求電壓放大倍數要高,一般由共射級放大電路組成.(3) 輸出級：為減少輸出電阻,提升電路的帶負載水平,通常采用互補對稱式功放 電路.此外,輸出級還附有保護電路,以防意外短路或過載時

44、造成損壞.在分析運算放大器時,一般可將它看成是一個理想運算放大器.根據所選的光電倍增管型號EMI9514S勺放大倍數107可以得到從光電倍增管陽極 輸出的電脈沖信號的幅值為：Me L6xl0_l9xl07C 1O'H=0J6 伏所以根據設計需要設計放大電MAX4353為了使該電脈沖信號被整形后能被單片機接收, 路如圖3.4對于運算放大電路我們選擇通用型系列圖3.4放大電路根據設計放大電路的放大作用后輸出的電脈沖信號的幅值為：Uo=36/1 X0.16=5.26V從上面的放大電路輸出的信號是經過放大的脈沖信號,故還需要將其轉 換為方波信號,這里就需要對脈沖波形整形,在這里我們使用555定

45、時器構成的施密特觸發器對脈沖信號進行整形.而且它對信號的周期是沒影響的.所以可以將脈 沖整形電路設計為如圖3.5所示.CIO0.1 nF1ft ATRIGDISCVolt0.01 nFQO THRCC75S5+5V圖3.5脈沖整形電路第四章精度分析§4.1報警設計本次設計的測厚儀對鋼板的厚度的測量值是在一定的范圍內.即根據生產工藝的需要被測的鋼板的厚度是在一定的范圍內.當生產出來的鋼板被測厚儀測量到的厚度不在設定 的范圍內,那么會給出一個信號來顯示生產出來的鋼板的厚度是不滿足生產工藝要求的,這就是所要求的設計的報警裝置.由于此次設計的報警裝置只需有報警功能就可以了,所以在這次設計中報

46、警顯示使用發光二極管的發光來表示報警.發光二極管,LED是一種由磷化鎵GaP等半導體材料制成的、能直接將電能轉變成光能的發光顯示器件.發光二極 管也與普通二極管一樣由PN結構成,也具有單向導電性.當其內部有一定電流通過時, 它就會發光.也就是說在鋼板的動態測量中,如果鋼板的厚度是在允許的范圍內,發光二極管是不發光的,只有在測厚儀得到的厚度超出范圍時, 由系統給出信號來限制發光二極 管發光.發光二極管有多種分類方法按其使用材料可分為磷化鎵GaP發光二極管、磷砷化傢GaAsP發光二極管、砷化傢GaAs發光二極管、磷銦砷化傢GaAsInP發光二極管和 砷鋁化傢GaAlAs發光二極管等多種.按其封裝結

47、構及封裝形式除可分為金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝、樹脂封裝和無引線外表封裝外,還可分為加色散射封裝D、無色散射封裝W、有色透明封裝C和無色透明封裝T.按其封裝外形可分為圓形、方形、 矩形、三角形和組合形等多種,按發光二極管的發光顏色又可人發為有色光和紅外光.有色光又分為紅色光、黃色光、橙色光、綠色光等.另外,發光二極管還可分為普通單色發 光二極管、高亮度發光二極管、超高亮度發光二極管、變色發光二極管、閃爍發光二極管、電壓限制型發光二極管、紅外發光二極管和負阻發光二極管等. 考慮到要在報警時,發光 二極管發光時,有良好的視覺效果,我們選用高亮度單色發光二極管,通常,高亮度單色 發光二極管使用砷鋁

48、化鎵GaAIAs等材料,而普通單色發光二極管使用磷化鎵GaP 或磷砷化傢GaAsP等材料.可以知道高亮度單色發光二極管使用的半導體材料與普通 單色發光二極管不同,所以發光的強度也不同.下面我們就給出選定的發光二極管的型號 及參數.表4.1發光二極管的型號及參數發光極骨型號發光顏色順向電壓典型值V順向電壓愎大值V反向電流最大值JJ A視角NG-HROWZ-7.0高亮紅色1.62.510±60根據設計需要設計報警裝置如下列圖4.1所示:圖4.1報警裝置設計圖第五章設計總結§ 5.1系統具有的功能課程設計是完成教學方案到達我們學生專業培養的一個重要環節,是我們學生 在學習中應用性

49、最強的一個學習設計環節,它在培養和提升我們學生綜合應用專業 知識進行分析和解決實際問題有著很重要的意義,并初步培養了我們獨立分析問題 和解決問題的水平.這次的課程設計題目是 ?鋼板厚度測試儀設計?,設計模式大體 分為信號采集局部和信號處理局部, 信號采集局部由輻射源、熒光體、光電倍增管、 放大電路和整形電路組成,穿過鋼板后的射線強度與鋼板的厚度有一確定的函數關 系,不同強度的射線轟擊熒光體會使熒光體發出不同頻率的光,光信號通過光電倍 增管產生同頻率的電脈沖信號,電脈沖信號經過放大電路和整形電路的處理就可以 被單片機接收了,也就是說信號采集局部能夠實現將測量鋼板的厚度轉換為測量脈 沖信號的頻率,

50、而信號處理局部那么是將所測量到的鋼板的厚度顯示出來,并且當測 量到的鋼板的厚度不在設定的范圍內時,它能實現超差報警,同時測厚儀的鍵盤上 具有標定鍵和上下限鍵,具有標定和鋼板的上下限厚度的設置等功能.而且由傳感 器的設計可以知道,對測侯厚儀標定3次左右就可以使測量精度到達土 0.5%,本次 設計的測厚儀的這些功能正是按設計任務的要求完成的,所以說這次課程設計進行 的還是比擬順利的.§ 5.2系統的優點和缺點這次設計好的測厚儀根本能夠滿足設計要求,但回頭看看自己設計的成果,有 些設計的地方自己還是比擬滿意的,但由于設計的時間和個人的水平有限等原因, 也會存在一定的欠缺的地方.自己比擬滿意

51、的地方是在設計顯示那一局部不局限于 教材上的那種顯示設計,設計采用Max721來驅動數碼管,設計來源與網上查閱的測 速儀的設計,MAX721為8位LED顯示驅動電路,可以連續的驅動8位7段數據顯示.在 芯片內部集成了一個BC譯碼器,段地址和位地址驅動以及一個8X 8位的靜態隨機存 儲器.只需要一個外部電阻,就可以正確的驅動所有LED勺段地址.而且對于MAX7219 來說,它只需要連接數據線、片選信號線、時鐘信號線三條線即可,硬件電路實現 起來也比擬簡單,工程上都是這樣使用的,而對于教材上的設計方法在實際中是不 會使用的,所以對這一局部的設計是比擬滿意的.另外一個比擬滿意的地方就是在 熒光體和光

52、電倍增管的選擇與匹配問題的解決是比擬好的,從光電倍增管EMI9514S的參數表可以知道,光電倍增管EMI9514S和以選擇的熒光體是比擬匹配的,由于熒 光體的發射光譜為4100埃,岡収子落在光電倍增管 EMI9514S的光電陰極光譜響應 2800-7000埃內,而且光電倍增管EMI9514S勺光電陰極最大響應波長為4100埃,也就 是說光電倍增管EMI9514S寸波長為4100埃的轉換效率最高,而且從光電倍增管 EMI9514S最大的特點可以知道,光電倍增管 EMI9514S是很適合丫射線的測量的.這 樣就可以提升本次設計的測厚儀的測量準確度.這樣,在熒光體和光電倍增管的選 型上,它們的匹配問

53、題應該是解決的比擬好的.這樣就從傳感器這一塊對測厚儀的 精度有保證.同時認為自己設計的測厚儀有欠缺的地方就是設計標定時,標定一次 就要從新開始,這樣就給現場操作帶來一定的麻煩.還有認為自己另一個設計的欠 缺地方就是在鍵盤的設計時使用的鍵數比擬多,結合實際操作來說,按鍵數比擬多 可能會使鍵盤所占的空間比擬大,這樣一會使整個設計在外型上不夠美觀,二可能 會使現場的操作比擬復雜.一般的工程設計使用4個鍵,但軟件設計就相對會復雜一 些,由于設計的時間有限,以及本人在軟件設計方面比擬薄弱,4個鍵的設計對我來 說比擬困難,但在今后的設計中如果遇到類似的問題,我會積極向這方面努力的.§ 5.3系統

54、可行的改良方案由于此次設計存在時間比擬緊,實驗設備不是很好以及個人設計水平有限等原 因,本次設計的測厚儀不是最完美的,所以對本次設計提出可行的改良方案如下：1 為了使現場操作方便和測厚儀設計占的空間少,可以將鍵盤的鍵數設計為4個 鍵.2 由于鋼板生產出來可能溫度比擬高,存在熱脹冷縮,會使測量得到的鋼板厚度 與實際厚度有一定的偏差,所以可以實行一些溫度補償來減少這種偏差.3 為了使設計的測厚儀具有更高的測量精度,在傳感器這一模塊的設計上,可以 采用CCD技術.4 為了使標定和鋼板厚度上下限設置的操作更加形象和明白,可以在按下標定鍵 后顯示“標定字樣,上限鍵或下限鍵按下時顯示“上限設置或“下限設置字樣.參考文獻1 T.Kiwa and H.Tahara,“ Non-Co ntact Thick ness Gauge for Con ductiveMaterials Using HTSSQUIDSystem, Applied Superconductivity,vol. 19,n no.3, pp. 801-803, 2021.2 Q.B. Jia ng, F.Z. Yang and R. Pit