测厚仪研制中3个关键问题的研究
2013-04-05
1 往返时间的测量
往返时间的测量有以下三种方法：
?。?）测量发射波T与第一次底波B1之间的时间；
?。?）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。
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