数字式γ射线非接触金属材质测厚仪Word文档下载推荐.docx
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（三）、数学模型…………………………………………………………………3
三、电路方案论证……………………………………………………………………4
四、硬件电路设计……………………………………………………………………5
（一）传感器电路…………………………………………………………………5
（二）前置放大电路………………………………………………………………6
（三）、信号滤波电路………………………………………………………………7
（四）、模数转换电路……………………………………………………………8
（五）、主控芯片介绍……………………………………………………………9
（六）、时钟电路和复位电路……………………………………………………11
（七）、显示电路…………………………………………………………………12
（八）、存储电路…………………………………………………………………13
（九）、电源电路…………………………………………………………………14
（十）、键盘电路…………………………………………………………………15
（十一）、程序下载接口…………………………………………………………15
（十二）、通信接口………………………………………………………………15
五、软件设计………………………………………………………………………16
六、检验方案………………………………………………………………………16
总结…………………………………………………………………………………17
附录一、测试结果…………………………………………………………………18
附录二、电路原理图………………………………………………………………20
一、课题的背景、目的和意义
（一）、课题背景
在金属轧制行业当中，主要有超声波测量、激光测量和射线测量三种方式进行厚度测量。
超声波测量方式虽然制作成本比较低廉，但是精度方面差强人意，很难达到目前的要求，另外测量速度也是主要的缺陷；
激光方式具备测量精度高，测量速度快，但是同样存在着诸多缺点，例如难于现场维护，要求操作者具备一定的知识，并且造价也十分高昂；
所以，射线非接触式测厚仪凭借着安装简单、精度高以及维护方便等优点而得到了广泛的应用，在用户使用过程中，做好相应的保护措施，对人体是不会造成永久伤害的，保证了使用者的健康。
目前市场上的射线测厚仪的电路形式还停留在传统的模拟电路组成方式，存在着温漂严重、线形不好、准确度不高、抗干扰能力差和采样频率低等诸多缺点，这对于针对目前金属轧制行业提出越来越高要求的企业用户来讲，这种模拟式测厚仪已经逐渐要被淘汰。
（二）、课题目的
随着大规模集成电路的迅猛发展，模拟电路已经逐渐被数字电路取代，尤其是近些年微控制芯片的大力发展，智能仪表已经成为一种趋势，带有存储功能，能够进行简单的数学计算和控制功能的单片机已经得到了广泛的应用。
本课题的目的就是针对目前模拟厚度测量仪表存在的缺点，通过微控制器作为主控制芯片，采用数字电路方式搭建系统，提供一套能够实现精密测量，稳定和抗干扰能力强的智能型厚度测量仪表。
在金属轧制行业当中，对于金属的轧制可以分为冷轧和热轧，而目前中小企业一般只针对冷轧进行经营。
在生产中，厂方的原材料都是在5mm以下的金属材质，所以在考虑测量范围的时候就可以把测量范围固定在5mm以内，这样就可以更加精确的检测金属材质的厚度，轧机的速度也是需要重点考虑的内容，在实际生产中轧机的速度不会超过6m/s，这样在射线检测器件的选择上就需要考虑到速度的问题，如果测量速度跟不上轧机的运转速度，那样测量也就不存在意义了，另外，在轧制现场需要对测量厚度进行实时的显示，这就需要用到显示电路对测量厚度进行显示。
对于精度的要求，是本课题的另外一个重点，能够精确的测量到金属材质的厚度才是检测的根本，由于金属材质经过轧制后的成品大多是道米级别的，所以本课题中就精确到1微米的级别，做到真正的精确测量，这样生产出的成品更具有市场竞争力，所以就需要一个高精度的模数转换器件进行测量，已达到相应的要求。
针对上述的目的，本课题采用了当前最先进的射线测量方式设计了一种测量范围广、测量精度高、使用寿命长、生产成本低廉的新型测厚仪，在设计中，结合实际情况，采用高效的传感器，精密电子元件，合理的电路结构，稳定的硬软件结构，完成精确、快速、稳定测量的目的。
（三）、课题的意义
目前模拟测厚仪已经逐渐不能满足行业要求，进行数字化改造已经成为了势必的趋势，数字式测厚仪由于采用数字化处理，由数字集成电路取代模拟的电阻、电感等元器件，功能更加完善，温漂、线形差的模拟电路存在的弊端都可以得到解决，并且利用可编程逻辑器件还可以达到软件控制硬件，仪表的智能化提高，测量中遇到的数学模型可以得到最大的满足，能够更好的处理信号，实现真正的精确测量。
数字式厚度测量方式的出现能够填补目前在金属厚度测量方面测量精度不够高的现状。
由于过去检测手段的不发达，生产的成品质量参差不齐，厚度不能够达到应用标准，课题提出的数字式射线测厚仪可以提高生产的质量，使得产品能够更加的具有竞争力，为金属轧制行业的自动化生产提供必要条件。
二、射线测厚仪的工作原理
本设计利用透射式同位素产生的射线穿过被测材料时，一部分射线被吸收后传感器的输出电流产生相应的变化的原理来检测被测材质的厚度。
（一）、放射源的选择
放射源可以分为人工放射源和天然放射源两种。
人工放射源例如X射线发生器，其制作成本相对较高，对器件要求精度高，针对金属轧制行业来说难于维护，所以在这里采用的是天然放射源作为射线发射装置。
天然放射源根据采用的同位素不同，有多种类型的同位素可以作为放射源，如
、
等类型，另外根据射线的种类不同又可以分为α、β、γ、中子源等类型，通过多方面的比较，最后选定采用
作为射线发生器，因为在射线法测量厚度的应用中，利用
的γ射线吸收法测量厚度范围在100~1000kg/m2，有着良好的应用经验，并且该种方法比较适合金属轧制行业的厚度检测方面的应用。
（二）、射线检测器件的选择
辐射和核辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。
核辐射探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。
按照记录方式，核辐射探测器大体上分为计数器和径迹室两大类。
计数器是以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息的设备，计数器的种类有气体电离探测器、多丝室和漂移室、半导体探测器、闪烁计数器和切伦科夫计数器等。
径迹室通过记录、分析辐射产生的径迹图象测量核辐射。
主要种类有核乳胶、云室和泡室、火花室和流光室、固体径迹探测器。
在本系统中，采用的是气体电离室作为辐射检测器件，也就是作为电路系统的传感器。
气体电离室具有结构简单，使用方便，测量的温度漂移小，线形好等优点已经在射线式测厚仪表中得到了广泛的应用，相对其他检测器件具有更高的应用价值，能够满足本系统的要求，所以在射线检测器件中选用了电离室。
（三）、数学模型
根据本设计的设计思想是通过射线穿过被测材质后其强度衰减，对于同一种材质，厚度越大，衰减也越大的原理进行测量的，所以，根据电离室和放射源之间的作用可以得到射入电离室的射线强度与被测量材质厚度值d的关系式：
（式一）
式中：
──放射源与核探测器之间只有空气时，核探测器处的射线强度。
e──自然对数的底（e＝2.718…）。
──被测材质的质量吸收系数。
ρ──被测材质的密度。
上式也可改写为：
（式二）
在测量装置的几何尺寸、放射源种类已确定及被测材质一定的条件下，
和ρ为常数，这时d与I成单值函数关系。
这就是最原始的数学模型，通过在软件算法上的进一步加工配合设计的硬件电路就可以把射线强度转换为一定的电压信号在进行计算处理。
电离室输出的电流与接收到的射线强度呈线形比例关系，所以式二中的射线强度之比可以用电离室输出电流强度之比来代替，则该式进一步化简为：
（式三）
由于电流信号不容易检测，所以，需要把电流信号转换成电压信号，这里通过电阻进行转换，所以电离室输出的电流与信号压之间成线形对应关系，则式三变为：
（式四）
这样就可以通过采集电压信号送入到单片机内部进行处理，与金属厚度之间有个对应的关系。
三、电路方案论证
在明确了测量原理后，就可以通过搭建硬件电路实现该仪器的功能，针对要
提出了一套电路方案。
图1系统方框图
首先，给出系统的方框图，如图1所示，在系统工作时，放射源发射出γ射线，并保证射线垂直射入到电离室的中心部位，然后在放射源和电离室之间放入金属材质，则按照检测原理，电离室在外加强电场的作用下可以把射线能量的衰减检测到，并以电流的形式把厚度的变化通过外部引脚输出，这就是电路的最原始的信号。
这个电流信号的变化值就代表了金属材质厚度的变化值，相应通过处理该信号就能检测到厚度的数值。
因为电离室产生的信号是电流信号，并且十分的微弱，只有皮安级，所以难于传输和检测，这里就需要对该电流信号转化成容易测量的电压信号，并且进行前置放大。
具体方法是让该电流通过一个1GΩ的电阻，把皮安级的电流信号变化成毫伏级的电压信号，然后经过集成运放AD549放大到0~5V的电压信号，在经过电缆的传输到达滤波电路。
滤波电路采用的是有源滤波方式，这样可以更好的滤除掉高频信号，把信号可以完整的传输到下一级模数转化部分。
由于主控芯片是按照数字逻辑运算的，所以不能直接将模拟的电压信号输入到主控芯片中，这就需要把模拟信号转化成数字信号，由于系统的精度要求，本设计采用了TLC1549型AD转换芯片，该芯片完全可以达到系统要求。
在信号到达单片机后，数据就可以进行处理了，但是通过观察数学模型中的公式，可以发现其中还存在一个比例系数没有确定，这时就用到键盘电路把相应的比例系数输入到单片机中，而单片机内部存储器是程序存储器，数据不能更新，所以，就需要运用片外数据存储器，把输入的比例系数存储到单片机中，在单片机处理数据之前通过读取其中的数值调出比例系数完成数据的处理。
因为对于同一种金属材质其比例系数是不变的所以只需要在更换新的材质时输入相应的比例系数并保存就可以完成相应的操作。
信号在输入到主控芯片后就可以通过程序算法进行进一步的处理，最后通过显示电路把实际的厚度值显示出来。
在系统工作当中还需要其他的功能部件进行配合，比如，控制信号的输入还需要用到键盘电路；
各个有源器件需要直流供电设备就需要电源电路把交流电源转化成直流电源；
另外还要提供保证主控芯片工作的时钟电路和复位电路等。
四、硬件电路设计
任何方案的提出都是以硬件电路作为基础的，这里就讨论下各个功能部分的硬件电路结构和具体工作原理。
（一）传感器电路
在前面已经讨论过对于射线的检测方法，并且提出了本课题所采用的检测器件——气体电离室。
气体电离室是一个呈圆柱体形状的器件，在顶端有两个电极，分别为信号的输出引脚和高压输入引脚，输出引脚即为电流的输出引脚，在设计当中该引脚与1GΩ电阻的一端相连，并且连接到AD549的输入引脚，高压输入引脚则于高压发生模块的高压输出引脚连接。
高压模块的供电电源是双端15V供电，通过内部的电路结构使其高压输出引脚能够输出-470V直流高压，供给到电离室的外壳，这样就可以让电离室处于一个强电场的状态下，电离室当中的气体就可以通过射线的强度不同而产生不同的电流信号。
在传感器电路部分，最主要的是机械的安装是否合理，传感器的位置摆放问题。
在设计时，在电离室的外部加上一个厚金属套筒，并且在套筒的底部用薄铝板封好，电离室的外径于套筒的内景吻合，这样就可以让电离室的侧面和底部不会受到外部环境的影响，在安装过程中一定要注意防尘和防水，因为这些都会影响到电离室的正常工作。
（二）前置放大电路
在这一级首先是把电离室输出的电流信号通过1GΩ的电阻变化成电压信号，但由于电离室的输出信号非常小，即使通过1GΩ电阻的转化的电压信号还属于小信号，所以必须选用前置放大电路进行放大。
前置放大的作用是有利于减少电路的等效输入噪声，由于电路的等效输入噪声决定了电路所能输入的最小信号电平。
因此减小电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接受弱信号的能力。
在元器件的选择上，因为电压信号是毫伏级变化的，另外根据系统的精度要求，选用了AD公司的高输入电阻集成运放AD549。
AD549采用双端15V供电，差分输入，偏置电流在常温下只有60pA，最大不超过250Pa，输入失调电压最大为25~100mV，输入失调电压漂移最大为5~20μV/℃。
该芯片的功耗很低，最大需要700μA的电流。
低输入噪声，只有4μVp-p0.1Hz到10Hz。
在前置放大电路中需要的就是低输入噪声的器件。
图2前置放大电路
电路原理图如图2，AD549的2，3引脚为差分输入引脚，3脚接地后就可以转化成单端输入的方式，因为AD549的输入阻抗高，所以，从电离室中流出的电流都经过1GΩ的电阻流入信号地，这样就在高阻的一端产生个电压信号，这样就把电流信号转化成了电压信号，输入到AD549的2脚。
连接到AD549的1脚和5脚的103电位器则用来调节放大器的失调信号，使得在信号输入为0时输出端也是0，这个电位器也被系统定义为屏蔽位调零电位器，当放射源和电离室之间用铅块进行屏蔽时，调节该电位器使得AD549的输出为0V。
104电位器和R0组成了负反馈放大电路，通过调节104电位器，可以改变R4的电阻，通过负反馈放大电路放大倍数计算原理，则可以调节该放大器的放大倍数。
调节时保证放射源和电离室之间只存在着空气介质，使得AD549的输出为5V，这是因为在没有放入测量介质时，电离室的输出电流是最大的，相应的电压信号也是最大，但是当逐渐增加放入被测量金属的厚度时，电离室的电流输出在逐渐减小，直到电离室输出的电流为0，这时即达到了最大量程。
所以经过前置放大的信号最后被调节到0~5V的范围内，然后通过信号线送入到信号调理电路进行下一步的处理。
（三）、信号滤波电路
在数据采集系统当中，干扰是肯定存在的，并且如果干扰信号与有用信号接近时，系统所采集到的数据就存在着错误，所以需要在信号经过前置放大后要进行滤波处理，消除干扰信号的影响。
图3滤波电路
经过前置放大的信号都是低频信号，这里就主要要滤除信号中的高频干扰信号，为了能够产生更好的滤波效果，采用了有源滤波的方式，通过集成运放和一些阻容元器件组成了一介有源低通滤波器，方案中选取了CA3140差分集成运放作为有源滤波电路的主要芯片。
电路原理图如图3所示。
与以往模拟滤波器主要采用无源R、L和C组成不同，本设计采用了集成运放CA3140和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。
此外，由于集成运放CA3140的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又很低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
从前置放大输出的电压信号通过第一级有源滤波电路后，反向输出，在经过第二级有源滤波后，电压信号中的高频信号被滤除掉，得到了“干净“的信号输出到下一级电路进行处理。
信号在传输过程中不可避免的会受到些衰减，这样真实的信号与理论上的信号总有些偏离，这里就利用滤波电路不仅能滤除掉干扰信号，还能适当的放大信号的功能，把处理后的信号还原成真实的电压信号，再从输出端输出。
这个过程就需要调解R29电阻，使得输出端输出的信号是5V，而图中R25和R292的作用是调节失调电压而设置的。
（四）、模数转换电路
从信号的采集到前置放大，再经过滤波后输出的信号是个模拟信号，但是主控芯片是采用数字逻辑进行工作的微型控制器，所以就需要把采集到的连续的模拟信号转化成离散的数字量，这个过程就避免不了模数转换器件的选用。
系统所要达到的精度要求是能够精确到1微米，所对应的电压变化范围即为几十个毫伏，则需要的模数转换分辨率为500/1=500，则采用10位的AD转换器件就能够满足系统的要求，即：
210=1024〉500，就可以准确地分辩出最小的电压变化，因为在进行模数转换的时候需要十分准确地分辩出电压的变化，所以，还应当考虑到模数转换器件的转换速度。
图4TLC1549管脚图
通过查找相关的资料，选出了一款ADC芯片，TLC1549，该芯片是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选（CS低电平有效），输入／输出时钟（I／OCLOCK），数据输出（DATAOUT）。
TLC1549引脚排列如图4所示。
TLC1549能以串行方式送给单片机，由于TLC1549采用CMOS工艺，内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±
1LSB（4.8mV），转换速率最大为10μs，因此可应用于本系统的模数转换电路。
模数转换电路的电路原理图如图5所示。
在电路中，因为需要精准的5V基准电压，需要用到一个能够产生稳定的该基准电压的模块，所以采用了MAX675作为产生该基准电压。
它的工作电压为单端+15V，内部集成稳压电路，能够非常精准的输出+5V信号，在这里可以提供给模数转换器件，以提高模数转换的准确性，减少测量误差。
模数转换器件采用了串行接口与主控芯片进行对接，这样可以为主控芯片节省I/O资源，并且接口简单，只需要与主控芯片的任意三个I/O引脚相连，再通过软件编程，就可以轻松读取转换完成的数据信号。
图5模数转换电路原理图
（五）、主控芯片介绍
主控芯片选择了飞利浦公司生产的P89C51xx系列的P89C51RD2BN型单片机，该单片具备如下特点：
1、8051中央处理单元；
2、片内FALSH程序存储器（64K）；
3、最高频率33MHz；
4、全静态操作；
5、RAM可扩展到64K字节；
6、4级中断、6个中断源；
7、4个8位独立I/O口；
8、全双工增强型UART—桢数据错误检测、自动地址识别；
9、电源控制模式--时钟的停止和恢复、空闲模式、掉电模式；
10、可编程时钟输出；
11、双数据指针寄存器；
12、低EMI（禁止ALE）；
13、3个16位定时器；
14、外部中断可以从掉电模式中唤醒。
图6单片机的连线图
该芯片与各个功能模块的连接图如图6所示，信号在到达到该芯片的内部后就可以对采集到的数据进行处理了，进入到单片机后，应该先对数据进行基本的处理，包括克服随机误差的数字滤波算法、消除系统误差的算法和工程量的标度变换等操作，在本系统中，主要用到了为了克服随机误差的数字滤波算法，因为硬件电路已经采用了比较准确地滤波电路，所以在软件上只是对采集到的电压信号进行算术平均滤波，这样就可以解决高频信号的干扰，具体做法是把几次采集到的电压信号进行求和运算，然后算出平均值后取平均值作为检测到的数据。
在数据完成数字滤波后就可以通过单片机内部存储的公式进行转换了，因为该单片机支持C51编程，就可以通过前面讨论过的数学模型对采集到的数据进行最终的运算，这一部分都是在软件编程时需要完成的任务，在这里就不在讨论。
这里还应该对单片机的时钟电路和复位电路进行讨论，因为单片机要想正常工作就必须有这两部分提供时钟信号和复位信号。
（六）、时钟电路和复位电路
1、时钟电路
单片机的时钟电路可以采用外部时钟源和内部时钟源两种方式，在本设计当中采用的是外部晶体振荡器作为时钟源，这样可以保证时钟的准确性，另外电路也十分简单，可靠。
选用的振荡器的频率为11.059MHz。
电路原理图如图7。
图7时钟电路原理图
2、复位电路
单片机在上电的同时会对内部的寄存器复位，其他的情况下只有通过添加硬件手动复位和采用开门狗软件编程来实现异常情况发生后的复位操作。
如图8所示，该电路设计了手动复位按键和上电复位以及硬件看门狗电路三种方式对单片机的复位操作进行执行。
手动按键复位主要是通过S31开关闭合后，在单片机的复位引脚产生高电平，同时电解电容C32开始充电，当电解电容充电结束后，松开按键S31，这时C32开始放电，保证单片机的复位引脚上能够持续复位所需要的高电平的周期后，复位成功。
另外为了防止程序跑飞，在设计复位电路时还考虑了加入硬件看门狗电路的方案。
看门狗芯片采用的是ADM1232AN型芯片，该芯片是可设置门限电平与MAX1232
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