測厚儀研制中3個關鍵問題的研究
2013-04-05
1 往返時間的測量
往返時間的測量有以下三種方法：
（1）測量發射波T與第一次底波B1之間的時間；
（2）測量第一次底波B1與第二次底波B2之間的時間；
（3）測量其后任意兩相鄰波之間的時間。
以上三種測量方式的選擇可以通過不同的電路來實現，但它們對儀器的性能
有很大的影響。如果選擇第一種測量方法，則因發射脈沖幅度特別大，且種測量
方法，由于脈寬窄，能探測薄的材料，此時若用高頻探頭（10MHz），就能探測更
薄的材料，因而拓寬了儀器測量下限。如果選擇第三種測量方法，效果和第二種
不相上下，但數據采集較困難，且雜波較多。第二和第三種測量方法的測量電路
較復雜，成本較高。我們在研制過程中，考慮到量程要求，采用了第二種測量方
法。為了方便實現電路，我們在發射超聲波的同時設計了一個計數門，由門脈沖
控制計數的起始位置。
2 高速數據采集
由于探頭工作頻率最高為5MHz，按照采樣定理，數據采集速度需在10MHz以上
，通常選擇為工作最高頻率的4～5倍最好，本系統中使用的采樣頻率為50MHz。儀
器的精度也和數據采集速度密切相關，例如，鋼在聲波縱波的傳播速度為5900m／
s，在一個周期內通過的折反距離為147（mm）（2）
所以儀器的測量精度基本能滿足要求，然后再采取一些其它補償措施，例如
自動校準補償、軟件補償等，使儀器的精度達到0．01mm。
3 計數問題
在硬件設計中，我們始終以小型化為標準，盡量減少硬件數量，所以單片機
選用美國ATMEL公司生產的高性能AT89C51－20PC的單片機，片內有E2PROM，采用
電擦除方式，程序修改方便，內存容量足夠，不增加任何外圍設備。而計數器采
用三態輸出的8位二進制計數器74HC590一片。但儀器要求測量上限為200mm，因此
計數上限為：
通過計算發現只用一片8位二進制計數器74HC590是不能滿足計數要求的。所
以在設計中為了避免74HC590的級聯，設計中用單片機內部計數器T0也參與計數。
但單片機的計數器的最高頻率一般僅為振蕩頻率的1／24，即在單片機外接12MHz
晶振時，計數的最高頻率為0．5MHz，而74HC590的進位信號為一個與計數時鐘同
頻的脈沖，因此單片機無法對其進行計數。為了解決這個問題，把T0腳接到
74HC590的最高輸出端，對計數時鐘進行28分頻后計數，這樣，當T0工作于方式1
，則總計數值可以到28＋16＝224。
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