測(cè)厚儀研制中幾個(gè)關(guān)鍵問題的討論

1　往返時(shí)間的測(cè)量

    往返時(shí)間的測(cè)量有以下三種方法：

（1）測(cè)量發(fā)射波T與**次底波B1之間的時(shí)間；

（2）測(cè)量**次底波B1與**次底波B2之間的時(shí)間；

（3）測(cè)量其后任意兩相鄰波之間的時(shí)間。

以上三種測(cè)量方式的選擇可以通過不同的電路來實(shí)現(xiàn)，但它們對(duì)儀器的性能 有很大的影響。如果選擇**種測(cè)量方

法，則因發(fā)射脈沖幅度特別大，且種測(cè)量 方法，由于脈寬窄，能探測(cè)薄的材料，此時(shí)若用高頻探頭（10MHz），就能探

測(cè)更薄的材料，因而拓寬了儀器測(cè)量下限。如果選擇第三種測(cè)量方法，效果和**種 不相上下，但數(shù)據(jù)采集較困難，

且雜波較多。**和第三種測(cè)量方法的測(cè)量電路 較復(fù)雜，成本較高。我們?cè)谘兄七^程中，考慮到量程要求，采用了第

二種測(cè)量方 法。為了方便實(shí)現(xiàn)電路，我們?cè)诎l(fā)射超聲波的同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)門，由門脈沖控制計(jì)數(shù)的起始位置。

2　高速數(shù)據(jù)采集

由于探頭工作頻率**為5MHz，按照采樣定理，數(shù)據(jù)采集速度需在10MHz以上，通常選擇為工作**頻率的4～5倍*

好，本系統(tǒng)中使用的采樣頻率為50MHz。儀 器的精度也和數(shù)據(jù)采集速度密切相關(guān)，例如，鋼在聲波縱波的傳播速度

為5900m／ s，在一個(gè)周期內(nèi)通過的折反距離為147（mm）（2） 所以儀器的測(cè)量精度基本能滿足要求，然后再采取一些

其它補(bǔ)償措施，例如 自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)龋箖x器的精度達(dá)到0．01mm。

3　計(jì)數(shù)問題

在硬件設(shè)計(jì)中，我們始終以小型化為標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少硬件數(shù)量，所以單片機(jī) 選用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的高性能AT89C51

－20PC的單片機(jī)，片內(nèi)有E2PROM，采用 電擦除方式，程序修改方便，內(nèi)存容量足夠，不增加任何外圍設(shè)備。而計(jì)數(shù)器

采 用三態(tài)輸出的8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC590一片。但儀器要求測(cè)量上限為200mm，因此 計(jì)數(shù)上限為：

    通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)只用一片8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC590是不能滿足計(jì)數(shù)要求的。所 以在設(shè)計(jì)中為了避免74HC590的級(jí)聯(lián)，

設(shè)計(jì)中用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0也參與計(jì)數(shù)。 但單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的**頻率一般僅為振蕩頻率的1／24，即在單片機(jī)外接

12MHz 晶振時(shí)，計(jì)數(shù)的**頻率為0．5MHz，而74HC590的進(jìn)位信號(hào)為一個(gè)與計(jì)數(shù)時(shí)鐘同頻的脈沖，因此單片機(jī)無法對(duì)其

進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了解決這個(gè)問題，把T0腳接到74HC590的**輸出端，對(duì)計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行28分頻后計(jì)數(shù)，這樣，當(dāng)T0工作于

方式1，則總計(jì)數(shù)值可以到28＋16＝224。

4　多功能的體現(xiàn)

多功能主要由AT89C51－20PC的軟件處理的實(shí)現(xiàn)及更換不同探頭及達(dá)到不同測(cè) 量范圍來體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方

面：
    （1）體積小，便于攜帶 在電路中的除了選用低功耗的單片機(jī)外，器件盡量使用CMOS集成電路。由于 儀器中很多

元件都有特殊要求，特別是高頻、高壓、低噪等的特殊器件，盡量使 用MAXIM公司貼片式芯片。

    （2）操作簡(jiǎn)單

    整個(gè)操作鍵僅五個(gè)，不需任何操作訓(xùn)練。

    （3）自動(dòng)校準(zhǔn)

如（1）式所示，要想得到**的測(cè)量結(jié)果還必須修正由于探頭接觸測(cè)試件所 引起的接觸滯后及其它裝配所引起的滯

后，我們采用下列公式來進(jìn)行修正：

    D＝V（t－Tn）／2（4） 式中，Tn為初值補(bǔ)償系數(shù)。我們?cè)趦x器中采用自動(dòng)設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)達(dá)到自動(dòng)校 準(zhǔn)目的。

    （4）測(cè)量狀態(tài)顯示

    可由儀器提示是測(cè)材料厚度還是測(cè)聲速。如測(cè)聲速則輸入厚度值；如測(cè)厚度 則首先進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)后即可測(cè)量。還

可通過顯示屏上的顯示符號(hào)可知當(dāng)前測(cè)厚儀 是處于哪一種測(cè)量狀態(tài)，提示操作者。

    （5）耦合狀態(tài)顯示

如果在測(cè)量操作中，測(cè)量探頭和工作面耦合得不好，立即會(huì)有一個(gè)符號(hào)提示 操作者。

    （6）背光顯示

在液晶顯示器下有一個(gè)背光條，便于在光線不好的工作現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)打開背光 。

    （7）公英制轉(zhuǎn)換

主要考慮到測(cè)量顯示單位和國(guó)際儀器單位接軌。

    （8）上、下限報(bào)警

操作員可根據(jù)自己的需要設(shè)置上、下限報(bào)警值，若超出此值，儀器自動(dòng)報(bào)警 。

    （9）數(shù)據(jù)保存

    每次開機(jī)時(shí)自動(dòng)保持上一此測(cè)量結(jié)果。

    （10）電源電壓不足顯示

儀器電源由于采用的是干電池，電路除了采用低功耗的器件外，電源設(shè)計(jì)成 斷續(xù)小電流工作方式，探頭未接觸樣品

時(shí)，儀器僅工作在維持啟動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)探頭 接觸樣品時(shí)，電路才開始工作。在使用一段時(shí)間后，若電源電壓不足時(shí)，為

防止 誤操作，儀器自動(dòng)提醒使用者。

    （11）更換不同探頭，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量范圍