測厚儀研製中幾個關鍵問題的討論

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與次底波B1之間的時間；

（2）測量次底波B1與第二次底波B2之間的時間；

（3）測量其後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。如果選擇種測量方法，則因發射脈衝幅度特別大，且種測量 方法，由於脈寬窄，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 較複雜，成本較高。我們在研製過程中，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，由門脈衝控製計數的起始位置。

2　高速數據采集

由於探頭工作頻率高為5MHz，按照采樣定理，數據采集速度需在10MHz以上，通常選擇為工作高頻率的4～5倍，本係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，然後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位二進製計數器74HC590一片。但儀器要求測量上限為200mm，因此 計數上限為：通過計算發現隻用一片8位二進製計數器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，計數的高頻率為0．5MHz，而74HC590的進位信號為一個與計數時鍾同頻的脈衝，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的高輸出端，對計數時鍾進行28分頻後計數，這樣，當T0工作於方式1，則總計數值可以到28＋16＝224。

4　多功能的體現

多功能主要由AT89C51－20PC的軟件處理的實現及更換不同探頭及達到不同測 量範圍來體現。主要表現在以下幾個方麵：
    （1）體積小，便於攜帶 在電路中的除了選用低功耗的單片機外，器件盡量使用CMOS集成電路。由於 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）操作簡單
    整個操作鍵僅五個，不需任何操作訓練。
    （3）自動校準
如（1）式所示，要想得到精確的測量結果還必須修正由於探頭接觸測試件所 引起的接觸滯後及其它裝配所引起的滯後，我們采用下列公式來進行修正：
    D＝V（t－Tn）／2（4） 式中，Tn為初值補償係數。我們在儀器中采用自動設置補償係數達到自動校 準目的。

    （4）測量狀態顯示
    可由儀器提示是測材料厚度還是測聲速。如測聲速則輸入厚度值；如測厚度 則首行自動校準後即可測量。還可通過顯示屏上的顯示符號可知   當前測厚儀 是處於哪一種測量狀態，提示操作者。
    （5）耦合狀態顯示
   如果在測量操作中，測量探頭和工作麵耦合得不好，立即會有一個符號提示 操作者。
    （6）背光顯示
   在液晶顯示器下有一個背光條，便於在光線不好的工作現場操作時打開背光 。
    （7）公英製轉換
   主要考慮到測量顯示單位和國際儀器單位接軌。
    （8）上、下限報警
   操作員可根據自己的需要設置上、下限報警值，若超出此值，儀器自動報警 。

    （9）數據保存
    每次開機時自動保持上一此測量結果。
    （10）電源電壓不足顯示
儀器電源由於采用的是幹電池，電路除了采用低功耗的器件外，電源設計成 斷續小電流工作方式，探頭未接觸樣品時，儀器僅工作在維持啟動狀態，當探頭 接觸樣品時，電路才開始工作。在使用一段時間後，若電源電壓不足時，為防止 誤操作，儀器自動提醒使用者。
    （11）更換不同探頭，實現不同測量範圍