测厚仪研制中几个关键问题的讨论

1　往返时间的测量

    往返时间的测量有以下三种方法：

（1）测量发射波T与次底波B1之间的时间；

（2）测量次底波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，通常选择为工作高频率的4～5倍，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。

4　多功能的体现

多功能主要由AT89C51－20PC的软件处理的实现及更换不同探头及达到不同测 量范围来体现。主要表现在以下几个方面：
    （1）体积小，便于携带 在电路中的除了选用低功耗的单片机外，器件尽量使用CMOS集成电路。由于 仪器中很多元件都有特殊要求，特别是高频、高压、低噪等的特殊器件，尽量使 用MAXIM公司贴片式芯片。
    （2）操作简单
    整个操作键仅五个，不需任何操作训练。
    （3）自动校准
如（1）式所示，要想得到精确的测量结果还必须修正由于探头接触测试件所 引起的接触滞后及其它装配所引起的滞后，我们采用下列公式来进行修正：
    D＝V（t－Tn）／2（4） 式中，Tn为初值补偿系数。我们在仪器中采用自动设置补偿系数达到自动校 准目的。

    （4）测量状态显示
    可由仪器提示是测材料厚度还是测声速。如测声速则输入厚度值；如测厚度 则首行自动校准后即可测量。还可通过显示屏上的显示符号可知   当前测厚仪 是处于哪一种测量状态，提示操作者。
    （5）耦合状态显示
   如果在测量操作中，测量探头和工作面耦合得不好，立即会有一个符号提示 操作者。
    （6）背光显示
   在液晶显示器下有一个背光条，便于在光线不好的工作现场操作时打开背光 。
    （7）公英制转换
   主要考虑到测量显示单位和国际仪器单位接轨。
    （8）上、下限报警
   操作员可根据自己的需要设置上、下限报警值，若超出此值，仪器自动报警 。

    （9）数据保存
    每次开机时自动保持上一此测量结果。
    （10）电源电压不足显示
仪器电源由于采用的是干电池，电路除了采用低功耗的器件外，电源设计成 断续小电流工作方式，探头未接触样品时，仪器仅工作在维持启动状态，当探头 接触样品时，电路才开始工作。在使用一段时间后，若电源电压不足时，为防止 误操作，仪器自动提醒使用者。
    （11）更换不同探头，实现不同测量范围