1、1目录第一章 引言 1.1 研究背景和意义 2 1.2 国内外研究现状 3第二章 测量原理和方案论证 设计任务和要求 32.1 系统工作原理说明 5 2.2 方案的比较与确定 6第 3 章 系统设计 3.1 传感器设计及说明 83.1.1 光电倍增管 103.1.2 放大电路和整形电路设计 13 第四章 精度分析 4.1 报警设计 15第五章 设计总结 5.1 系统具有的功能 16 5.2 系统的优点和缺点 17 5.3 系统可行的改进方案 17参考文献 182钢板厚度测试仪设计第一章 引言1.1 研究背景和意义厚度是金属加工的尺寸质量指标之一，厚度自动控制是现代金属轧制生产中不可缺少的重要组
2、成部分。厚度自动控制是通过测厚仪或传感器（如辊缝仪等）对金属实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实际测量值与给定值相比较后的偏差信号，借助于闭环控制回路和装置，经过计算机的功能程序，改变轧机的压下位置、张力或轧制速度，把厚度控制在允许偏差范围内的方法。一个 AGC（自动化测厚控制）系统由 3 部分组成：厚度的检测部分，厚度自动控制装置，执行机构。厚度控制系统能否精确地进行控制，首先取决于一次信号的检测，对现代连轧来说测厚仪一般分为两种：接触式测厚仪和非接触式测厚仪；而非接触式测厚仪常用的又有两种：X 射线测厚仪和射线测厚仪。玻璃纤维行业目前使用的玻璃布测厚仪, 大多数系造纸行业用的手动厚度计。这
3、种厚度仪不但操作麻烦、费力, 而且玻璃布的厚度随着操作人员的用力大小、动作快慢而发生变化;同一产品不同的检验人员测试的数据也不同, 不能准确表达织物的真实厚度值。厚度自动控制是通过测厚仪或传感器(如辊缝仪等)对金属实际轧出厚度连续地进行测量,并根据实际测量值与给定值相比较后的偏差信号,借助于控制回路和装置,经过计算机的功能程序,改变轧机的压下位置、张力或轧制速度, 把厚度控制在允许偏差范围内的方法。一个厚度自动控制系统应由三部分组成厚度的检测部分、厚度自动控制装置、执行机构。厚度控制系统能否精确地进行控制,首先取决于一次信号的检测,对现代热轧来说测厚仪一般是射线的非接触式测厚仪,而冷轧钢在较低
4、速度情况下还可以采用接触式测厚仪，精确、快速、连续的监控钢板的厚度，能有效的保证产品的质量，在现代生产过程中有很重要的意义。高精度测厚是指工业生产过程中测量精度在微米级厚度的测量。在现代设备制造和装配生产中，很多领域要用到在线测量，并有着很高的精度要求。在广泛应用于农业生产、电子工业、化学分析等领域的薄膜产品的工业生产中，1厚度是否均匀是其质量的重要指标之一 。精确测量一些零件表面涂镀层的厚度，2对保证工件的性能以及节能节材具有重要的作用 。譬如电池极片是液态锂离子二3次电池的重要组成部分，它直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性，性能优异的电池极片涂布对提高电池的综合性能具有重要的作
5、用 。电池极片涂4层厚度则是电池质量的重要指标之一，准确地测量涂层厚度在锂离子电池加工工艺中起着关键性的作用 。从测量方式看，测厚可以分为接触式和非接触式测量。目5前已有的高精度测厚方式如下所述。电阻式测厚仪结构简单，性能稳定，受环境因素影响小，但是分辨率较低，动态响应差 。磁式测厚仪灵敏度高，测量范围宽，6但易受各干扰因素的影响 。以上两种方法均属于接触式测量，探头会对待测物7体造成损伤。非接触式超声波测厚仪可对材料的多层涂镀层厚度进行测量，但是探3头能量转换效率低，装置体积大，重量重 。非接触式射线测厚法是最先应用于在8线测厚领域的射线技术，它对于测量物没有要求，但设备对于辐射保护装置要求
6、很高 。非接触式电容厚度监测仪结构简单，精度高，但设备受引线电容和杂散电9容的影响较大 。以上这些方法都不能满足工厂进行实时在线高精度厚度无损检10测的需要。本文以 TI 公司的 TMS320F2812 为主控芯片，以欧姆龙公司 ZS-LD20T 型号激光位移传感器为测量终端，并基于 WindowsCE 操作系统设计了良好的人机交互界面。系统综合了高精度测量设备及信号复合处理算法，保证了测量的准确性和实时性。系统的整体设计紧密结合了企业生产中的实际需求,性能可靠,测量精度高,易于操作，具备很高的行业通用性。在金属带(板)材的轧制过程中,连续、准确测量被轧带(板)材厚度,及时反馈到厚控调节系统,
7、调整辊缝以生产出高质量产品,具有重要经济意义。1.2 国内外研究现状有色金属板材的纵向厚度值和横向厚度值(板型)是评价板材质量的重要指标。为此轧板行业的生产厂家都十分关注板材轧制过程,其厚度值的实时控制和监测。如何在恶劣的生产现场条件下实施对板材厚度值进行连续、快速、无接触及非破坏的高精度测量,提高产品的质量,增加经济效益,己成为我国板材生产行业中急待解决的技术难题。第二次世界大战结束后,随着核物理技术从军事应用向民用工业应用的转移,人们开始注意到:当射线穿过物质时强度将随之减弱,其减弱量与被穿过物质的厚度有确定的对应关系。用这一原理就可以实现对板材的厚度测量。该测厚方式与其它测厚方式相比,更
8、适合现场测试条件。因而同位素射线测厚技术的出现就引起了人们的极大关注,显示出强大的生命力。本世纪五十年代到六十年代,西方发达国家便大力发展这类设备。目前,已发展到利用同位素射线测厚技术实现多辊联轧机板轧制过程的闭环控制系统。使冷轧薄型板材的纵向厚度差、横向厚度差达到国际薄型板材的“双零五”(0.5%）标准。大大提高了有色金属板材的产品质量和国际市场的占有率。目前国内轧板厂生产线上各工艺参数的监测手段比较落后，因而导致产品质量不稳定，外销后返回率高，很难在国际市场上与同类产品竞争，直接影响和制约了企业的经济效益。同时厚度是金属加工的尺寸质量指标之一, 厚度自动控制是现代金属轧制生产中不可缺少的重
9、要组成部分。我国在研制和应用这类技术上与世界先进国家相比差距较大。随着自动化水平的提高，国内对测厚技术的要求也越来越高，一些企业引进国外的测厚仪来解决生产的急需。但是引进的测厚仪，存在成木高、维修难等问题。现有测厚技术中,大多沿用 X 射线和同位素式测厚仪,但因劳保防护未能做到尽善尽美,损害工人健康经常发生,因而越来越多的现场工人弃之不用。近年来,有少数企业引进激光式测厚仪,由于设备装置的费用高,难为一般中、小企业所承受,并且严格说,激光式仍具有一定的散射效应,同样存在对射源的防护问题。本文还介绍了近年来我国研制成功的一种新型测厚仪-电磁反射式测厚仪,专供在轧制过程中实时连续非接触式测量钢带(
10、板)厚度。该仪器主要特点为结构简单,占据空间小,造价成本低,无任何污染,绝对保证工人健康,易于操作和维修方便,适用于测量各类金属,如碳素钢、不锈钢、铜和铝等的带(板)材。第 2 章 测量原理和方案论证4设计任务和要求由于这次设计的测厚仪是用于在线生产的钢板的厚度测量,而钢板的生产是一个动态的过程,所以这次设计的测厚仪是非接触式的测厚仪,对于非接触式的测厚仪可以采用射线测厚仪。在保证高精度的前提下，为了使测厚仪操作智能化，功能多样化，标定简单化，本次设计主要从两方面设计射线测厚仪:一方面是完善射线测厚仪检测和控制系统，另一方面就是完善该射线测厚仪的标定方法。本次设计将完善原射线测厚仪的测量监测系
11、统，通过编程，使之具有如下的系统功能:数据显示功能显示实时数据、测量厚度；数据采集功能采集测量数据；上面己经提到，射线测厚仪是在线轧钢系统中的重要的检测设备，它的测量精度将直接影响产品的质量，而它的测量精度，要受到各种因素的影响，要保证比较高的测量精度，可以使用各种不同的方法，比如保持辐射源的密封、硬件系统的改良等等。本次设计的射线测厚仪尽量在提高整体生产工艺装备技术的情况下，也从标定方面来保证比较高的精度.也就是完善射线测厚仪的标定方法。测厚仪的标定，也就是确定被测钢板对射线的吸收率。在线测量时，从标定好的吸收率中取值，再把已标定好的吸收率输入测厚仪，然后由测厚仪中已设计好的程序进行数据处理
12、，即可求出实际的测量厚度。再将钢板的厚度显示出来。一般来说，测厚仪的标定主要考虑两方面:一方面，要考虑到标定操作方法。总体来说，标定的操作基本上有两种:一是先测出某一种钢板不同厚度的刻度曲线，固化在计算机内，当现场测量时，取出相应的曲线。刻度曲线是由制造厂家在出厂前建立的，它只有一条刻度曲线，并且不可更改。由于不同钢板的被测材料的刻度曲线基本是平行的，因此在测量其它钢板时，需要另加上一个补偿值。补偿值的取值要用标准板实际测量来决定，并不断地加以修正。另一种是在现场标定，用不同合金不同厚度的标准板系列测出各种被测合金钢板的刻度曲线，存入计算机内。当测厚仪工作一段时间后，重新在现场进行标定。前者的
13、优点是定标所需要的标准板少，现场操作简单，但它有一个致命的弱点，即被定标的曲线不可改变。因测厚仪的工作环境很差，所测的精度随着使用时间的加长，测量误差会变大。后者的优点是具有标定精度高，不受测厚仪状态变化的影响。它根据实际的使用情况，随时在现场进行，随时消除因测厚仪本身状态变化所造成的测量误差。目前国外一些先进的测厚仪制造厂家都采用这种方法，通过专门设计的定标程序，简化现场操作。本次设计的测厚仪主要由两大部分组成，信号采集部分和信号处理部分，信号采集部分包括放射源、放大电路和整形电路。信号处理部分包括单片机数据处理系统、操作部分、测量数据显示部分及键盘输入。信号采集部分的工作稳定性和测量精度是
14、该设计的测厚仪最为关键的部分，它基本决定了整个系统的精度。任何射线性质的测厚仪的测量部分都应该有两部分组成，射线发射部分和射线接受部分。x射线测厚仪以及国外正在研制的激光测厚仪都应当属于人工射线测厚仪，而各种使用某些元素所产生的天然射线的测厚仪，应称为同位素测厚仪。本次5所设计的的测厚仪就属于同位素射线测厚仪。以放射源所采用的同位素不同，有137Cs，60Co，90Sr等，根据射线种类的不同又可以分为 、射线源等。对于接受部分而言，据其实现方法可分为气体电离法和闪烁法。本次设计的实现方法属于闪烁法，闪烁法中的探测器有发光晶体和光电转换、放大元件等组成。设计说明书的后面将对各个部分作具体的说明。
15、本次设计的测厚仪的任务框图如图 2.1 所示。图 2.1 测厚仪设计任务框图2.1 系统工作原理说明光电效应是该测厚仪测量的理论基础, 光电式传感器将光量的变化转变为电量变化。当射线投射到被测物(钢板)后,一部分射线为被测物(钢板)吸收,一部分射线穿过被测物(钢板),穿过被测物质(钢板)后的射线强度,在物质成分一定的情况下,和被测物的厚度和密度有关,若被测物的密度为已知时,则可以根据射线强度来测出被测物质(钢板)的厚度。该测厚仪就是利用这种关系制成的。射线通过物质(钢板)时其强度逐渐减弱,它的减弱按指数曲线下降,其吸收关系式表示为:I=Ioe 式中I -ux为射线通过钢板后的辐射强度。Io为射
16、线源发射的辐射强度,u为材料(钢板)对射线的线性吸收系数,x为测量材料(钢板)的厚度。该测厚仪安装在轧机上的主要装置为射线源装置。射线源装置是受控制的辐射的辐射源,如采用衰减期较长的放射线物质铯137,其衰减周期为30年左右。射线在通过钢板后会轰击荧光体,在射线轰击荧光体后产生光子,由于光电倍增管是一种将光信号转换为电脉冲信号的传感器,所以荧光体闪烁产生的光子通过光电倍增管后会产生一系列的电脉冲信号脉冲信号再经6过整形电路整形,使其成为能被单片机接收的信号,然后再根据单片机识别到的信号和一系列相互间的关系式进行编程得到钢板的厚度,再将其厚度显示出来,同时要将所测得到的钢板的厚度与给定的钢板的上
17、下限进行比较,如果所测得到的钢板的厚度与给定的钢板厚度的上下限比较后得到钢板的厚度超出给定的上下限范围,则单片机会给出一个超差报警信号给报警装置,这样就可以使操作控制中心重新对钢板的生产厚度进行自动控制。在硬件设计中,通过设计一个键盘,通过此键盘向单片机输入被测钢板的厚度的上限和下限,以及标定等键,使其具有比较完善的输入功能,在计算机系统内,根据已设计好的软件对数据进行处理,同时比较实际测量的钢板的厚度是否在键盘已输入的钢板厚度的范围内,然后再根据判断的结果作出相应的处理。2.2 方案的比较与确定本次设计的测厚仪在生产中能够动态的进行钢板的在线厚度测量,选用核辐射仪表进行动态测量和控制,在减小
18、误差的基础上进行测量,测量的控制单元选用熟悉的单片机系统,由单片机采集光电倍增管输出的信号,并且对数据进行分析和计算,进而显示在线生产的钢板厚度,实现厚度的测量和超差报警。钢板的在线测量使用核测量仪表,选用衰减期较长的放射性物质,如銫137等,当放射性物质穿过一定厚度的钢板后,由于钢板的吸收等原因,使得穿过的射线随着钢板厚度的变化而发生变化。在钢板背面放置荧光体,穿过钢板后的射线轰击荧光体,通过对荧光体的闪烁次数的测量可测定钢板的厚度。要解决测厚仪上述的一些问题,首先要解决的问题就是辐射源的选择,因为辐射源的选择关系到本次设计的测厚仪的测量的准确度,在选择辐射源时,要选择的辐射源应该是要衰减周
19、期比较长的放射性物质,因为如果选择的辐射源的衰减周期比较短时,在测厚仪已标定好的情况下,对前一段时间内测量的钢板的厚度是比较准确的,但随着辐射源的衰减,在一段时间后,穿过钢板前的射线的强度已没有标定时的强度了,这样肯定就会影响到测厚仪的测量的准确度了,所以对辐射源的要求就是要衰减周期比较长的放射性物质,选择铯137(137Cs)活度50毫居左右,半衰期为30年,能量为0.66MeV。放射源封装在直径为150mm具有高吸收系数阻挡层的铅罐内，屏蔽保护层厚度大7cm达到国家防护标准。解决了辐射源的问题，那就要解决如何能将测量射线的强度转换为其他比较容易测量的量，所以这里就使用了荧光体和光电倍增管，
20、光电倍增管接收荧光体的信号就能将测量射线的强度转换测量脉冲信号的频率了，而且在解决这两样仪器的一起使用时，还要考虑到荧光体和光电倍增管的匹配问题，要使荧光体的发射光谱刚好落在光电倍增管的光电阴极光谱响应范围内，而且最好能使荧光体的发射光谱刚好就是光电倍增管的光电阴极最大响应波长。考虑这个匹配问题也是为了更好的保证测厚仪测量精度。光电倍增管输出的脉冲信号经过整形后就可以被单片机接受了，数据由单片机进行计算和处理，得到厚度并被显示，当厚度不在设定的范围内系统就会超差报警，同时在这个系统里可以在现场工作前对测厚仪进行标定。要解决那些问题，本次设计可以采取的方案有几种，在采取的方案中，对于传感器，辐射
21、源的选择，荧光体和光电倍增管的匹配问题，那一模块的设计一般不会有什么太大的问题，来自整形电路后的信号也都连接单片机的T0端口，超差报警的设计采用发光二极管发光，但在键盘的设计和显示的设计可以多种方案。7方案一为：采用8051外接一片8255。因8255的片选信号引脚与P2.6连接，A0与P2.0连接（A8） ，A1与P2.1连接。8255的PB 口为输出口控制显示，PA口为输出口控制键盘扫描作为键盘接口，同时又是六位显示器的扫描输出口，8255的C口作为输入口，PC0-PC1读入键盘数，称为键输入口。在上述方案一时，键输入程序的功能可以有以下四个方面（1）判断键盘有无闭合，其方法为扫描口PA0
22、-PA7输出全为0，读PC口的状态，PC0和PC2为全1，即键盘上行线为高电平，则键盘上没有闭合键，若PC口不全为1，则说明键盘上有键闭合。 （2）去除键的机械抖动，其方法为判断到键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判断键盘的状态，若还有键闭合，则认为键盘上有键处于稳定的闭合期。 （3）判断闭合键的键号，方法为对键盘的列线进行扫描，并相应的读PC口的状态，若PC口为全1，则列线0的这一列上没有键闭合。 （4）使CPU对键的一次闭合仅作出一次处理，采用的方法为等待闭合键释放以后再作处理。方案二为：显示电路的设计采用芯片MAX7219驱动显示电路。MAX7219为8位LED显示驱动电路，可以连续的驱动
23、8位7段数据显示。在芯片内部集成了一个BCD译码器，段地址和位地址驱动以及一个88位的静态随机存储器。只需要一个外部电阻，就可以正确的驱动所有LED 的段地址。同时作为输入设备，键盘也是必不可少的，键盘的设计通过8155的扩展的I/O口作为行线和列线，构成具有15键的行列式键盘。行线与8155的PC0和PC1相连，列线与8155的PA口的8条线相连。则键盘处理程序的功能有（1）判断键盘有无键按下。由PA口输出00H再读PC口的状态读入，若PC口全为1说明没有键按下，若不全为1则说明有键按下。 （2）消除抖动。当发现有键按下时，延时一段时间后在判断键盘的状态，若仍有键保持按下状态，则可定为有键按
24、下，否则认为是键抖动。 （3）求键号PA口依次输出扫描信号如下：PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0第一次 1 1 1 1 1 1 1 0第二次 1 1 1 1 1 1 0 1第三次 1 1 1 1 1 0 1 1第四次 1 1 1 1 0 1 1 1第五次 1 1 1 0 1 1 1 1第六次 1 1 0 1 1 1 1 1第七次 1 0 1 1 1 1 1 1第八次 0 1 1 1 1 1 1 1每次输出扫描信号后，检查PC口的状态，若某一位为0则说明闭合的键在这一行即可确定闭合键的行和列。 （4）等待闭合键的释放。为了避免一次闭合多次求其键码，等待闭合键释放后再
25、键号送入A。比较两种方案：第一种方案，8位显示驱动电路一般由1片8255，4片5407构成，不仅硬件资源占用多，而且需要由软件定时刷新，软件资源占用也不少，若是静态显示，8位数码管显示驱动电路一般由8片54LS164构成，硬件资源占用太多。现在，显示电路的8设计采用芯片MAX7219驱动8位显示电路。一片MAX7219便可完成8位数码管的显示驱动任务。它与通用微处理器只有3根串行线相连，最多可驱动8个共阴数码管，它的特点有：串行接口的传输速率可达10MHz独立的发光二极管段控制，译码与非译码两种显示方式可选，数字、模拟两种亮度控制方式，可以级联使用。MAX7219的数据输入主要由三根输入线完成
26、。它们分别是串行数据线、时钟线与加载线。当1个16位的数据从高位到低位依次输入MAX7219后，在加载的上升沿将D7-D0送入对应的内部寄存器。译码寄存器用于向每一显示位提供BCD译码或段码操作。寄存器里的每一位对应于一位数据译码。逻辑高电平时进行BCD译码，低电平时进行段码操作。当进行BCD译码时，只使用数据寄存器的低4位（D3D0）而D4D6位无效。D7为小数点的设定位，不参与译码，当D7=1时小数点点亮。进行段码操作时，数据位D0D7被直接送入芯片。MAX7219的显示亮度控制由连接在V+与ISET管脚之间的电阻控制。这个电阻可用来控制显示的光亮强度，其最小值应为9.35，用来提供显示所
27、需的标准电流40mA。扫描范围控制寄存器控制显示器显示的位数（18位） ，标准状态下显示器是在800Hz 的扫描频率下八位共同显示，当显示位数小于八位时扫描频率为8fOSC/N，N为扫描的位数。同样，扫描的位数还会影响显示的亮度。当不显示内容时扫描范围控制是不起作用的。显示测试寄存器控制了芯片的两种工作方式，正常工作方式与测试方式。在测试方式下所有的LED显示全亮，此时并不改变控制和数据寄存器数据，八位的扫描工作周期为31/32。单一的数据位更新无需对整个显示重新写入。这个芯片具有低功耗工作模式以及数字化的光亮控制。用户可以根据自己的需要，自第一位到第八位显示数据，同时，芯片内部还具有使八个灯
28、全亮的测试模式。主要特：独立的LED段码控制。 BCD译码与段码两种模式选择。150A的低功耗关闭模式（数据保留） 。数字化的光亮控制。驱动共阴极LED显示。24管脚封装。键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是微型计算机最常用的输入设备，用户可以通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。一般单片机系统中采和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。在键盘的设计时，采用8155芯片来设计，它不仅具有两个8位的I/O端口(A口，B口)和一个6位的I/O端门(C口)还可以提供256B的静态RAM存储器和一个14位的定时/计数器。8155
29、和单片机的接口非常简单，不需要增加任何硬件逻辑。由于它既有I/O 又有RAM，所以被广泛应用。根据上述的说明本次设计采用方案二。第三章 系统设计3.1 传感器设计及说明本次设计的测厚仪主要由两大部分组成，信号采集部分和信号处理部分，信号采集部分也就是传感器部分，由于本次设计的测厚仪属于射线测厚仪，所以信号采集部分包括放射源，放大电路和整形电路，信号采集部分的工作稳定性和测量精度在很大程度上9决定了整个系统的精度。所以它是本次测厚仪设计最为关键的部分。对于传感器那一块的整体设计模块如图3.1所示。图 3.1 传感器设计模块对传感器这一整体模块说明为，当辐射源发出的射线投射到钢板后,其中的一部分射
30、线会被钢板吸收,另外的一部分射线则会穿过钢板,穿过被测钢板后的射线强度, 在钢板成分一定的情况下,该射线的强度和被测物的厚度和密度存在着一定的函数关系,若钢板的密度为已知时,则可以根据穿过钢板后的射线强度来推算出钢板的厚度。所以本次设计的测厚仪就是利用这种关系设计而成的。因射线通过钢板时有一部分会被钢板吸收，这样就会使射线的强度逐渐减弱,且射线的减弱强度会随着钢板的厚度的增加而增加，这样就表现为射线的减弱按指数曲线下降,其吸收关系式表示为:I =Ioe （式3.1）-ux式3.1中：I 为射线通过钢板后的辐射强度；Io 为辐射源发射射线的辐射强度；10u 为钢板对射线的线性吸收系数；x 为被测
31、钢板的厚度；式3.1可以改写为：X= Ln （式3.2 ）1Io该测厚仪安装在轧机上的主要装置为射线源装置。射线源装置是受控制的辐射的辐射源,可以是通过控制电压高低来控制射线的强度。因为本次设计的测厚仪的精度在很大程度上取决于辐射源的稳定性，所以为了提高该测厚仪的精度就必须选择衰减期较长的放射性物质，这次设计就采用衰减期较长的放射线物质铯137其衰减周期为30年左右，加适当控制装置来控制其辐射强度。关于辐射源的其他信息将在后面的辐射源中详细的加以说明，射线在通过钢板后会轰击荧光体，在射线轰击荧光体后产生一定强度的光信号，由于光电倍增管是一种能够将光信号转换转换为电脉冲信号的一种装置，在这里加以
32、说明的是在一定范围内，光电倍增管产生的电脉冲信号的频率是与通过光电倍增管的光电阴极的光子的频率是相等的，也就是说光电倍增管产生的电脉冲信号的频率与荧光体闪烁产生的光子的频率是相等的，所以荧光体闪烁产生的光子通过光电倍增管后会产生一系列的一定频率的电脉冲信号。3.1.1 光电倍增管光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件，光电倍增管：PhotoMultiplier Tube简称PMT，是灵敏度极高，响应速度极快的光探测器。在各种感光器件中，光电倍增管是性能最好的一种，无论在灵敏度、噪声系数还是动态范围上都遥遥领先于其他的感光器件，更难能可贵的是它的输出信号在相当大范围内保持
33、着高度的线性输出，所以广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极，光电阴极，和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。光电倍增管的工作原理可以11用图3.2来说明。图3.2 光电倍增管的工作原理图3.2中的K为光电阴极，光电阴极的材料通常有三种：Cs-O-Ag；半透明的Sb-Cs；不透明的Sb-Cs。当光投射到这些材料上就会产生光电子。通常光电阴极是上述的銫化物在玻壳内部涂成的半透明薄膜层。这
34、样，他一方面能够接收外面投来的光子，另一方面能将光电子发射出来。光电子一经产生后就会因受电场的作用而趋向阳极。电极D作为聚焦用，将光电阴极轰出的光电子聚焦到D1电极上。D1到D10是相同的电极而且依次加上相等的电压， （约80-150伏） 。这些电极称为打拿极，用以产生出二次电子。打拿极的材料通常为Cu-S-Cs、Ag-Cs2O-Cs、Sb-Cs、Ag-Mg以及BeO等。当电子轰击这些材料时就能打出多于一个的二次电子（一般为3-6 个电子） 。从每一级电极上打出的电子立即被加速聚焦到后一级上去。这样又产生更多的电子。这个过程一直继续下去，可以将原先光电阴极上发射出来的电子倍增到极大的数目，最后
35、收集于阳极A输出。如果以二次发射系数 来表示每一个轰击于打拿极上能产生二次电子的数目，显然 与极间所加的电压有很大的关系。 与每级极间所加电压的关系如图3.3所示。图3.3二次发射系数与电压的关系工业上已造出来的光电倍增管的每个打拿极级间电压大约在80-120伏，最大可达到150伏左右。这样二次发射系数 大约在3-6 左右，也就是说每级的放大系数为 3-6倍。前一级发射的电子收集到后一级时电子可能被散射或聚焦不完善而损失。如果每一级收集前一级电子的效率为 ，则每一级的放大系数为：式（3.3）光电倍增管的放大系数M则为：12式（3.4）式（3.4）中的n为打拿级的级数；如果m=4，n=10则有：
36、M=4 6 倍10一般常用的光电倍增管的达拿级的级数为9-14,所以光电倍增管的放大系数为10 -10 左右。对于同一类型的光电倍增管来说，它的放大系数随着所加的电压的58高低而不同。由上面的说明可以知道光电倍增管的放大系数是非常大的，所以它可以用来测量非常弱的光。在这里我们举一个例子说明一下，如果输出电容为10微微法。M=10时，这样，只要光电阴极上产生一个光电子，则在输出端的电压就可以达到：6式（3.5）在使用光电倍增管时必须特别注意不能使它暴露于过强的光线中。通常光电倍增管在工作时均安装在完全隔绝日光的小盒内，因为打拿极上发射的二次电子不能过多，否则就会呈现“疲劳”状态，久而久之就会使光
37、电倍增管“老化” 。其中最后几级的打拿极是最容易老化的。打拿极一旦老化后发射电子的效率就会降低，甚至可能会出现完全损坏的情况。在使用在使用光电倍增管时，应特别注意以下几点，由于光电倍增管的封装尾管易受外力或振动而损伤，故应尽量保证其安全。特别是对于带有过渡封装的合成石英外壳的光电倍增管，应特别注意外力的冲击和机械振动等影响。不要用手接触光电倍增管，面板上的尘土和手印会影响光信号的穿透率，受到污染的管基会产生低压漏光。光电倍增管受到污染后，可用酒精擦试干净。玻璃管基芯柱光电倍增管比塑料管基更缺乏缓冲保护，所以对玻璃管基的管子应更加保护，例如，在管座上焊接分压电阻时，应将光电倍增管先插入管座中。在
38、使用中需要冷却光电倍增管时，应经常将光电倍增管的相关部件也进行冷却。氦气会穿透石英管壳，从而使噪声值升高。因此，在使用和存放中避免将光电倍增管暴露在有氦气存在的环境中。同时每个光电倍增管的阳极也都会有它的阳极电流的限额。对于每一个光电倍增管，包括光电转换性能在内，经常用灵敏度来描述。式（3.6）式（3.6）中的F为入射光的光通量。这样光电倍增管的灵敏度V 以微安/流明，则k总的灵敏度V为：V=MV （安/流明）k13一个光电倍增管的性能除了放大系数以及灵敏度外，还要考虑到暗电流及噪声水平。在以上的说明中，我们考虑的是理想情况，即当光电倍增管的入射光线完全被遮挡时，阳极上就不会有电流产生。但实际
39、上，即使完全没有入射光时，阳极上也会有微小的电流通过，我们称这个电流为暗电流。它的数量级大约为10 安左7-右。特殊的光电倍增管具有更小的暗电流。暗电流的最主要来源为打拿极产生的热电子发射，因此降低温度可以减小暗电流。因为制造光电倍增管的光电阴极及打拿极的材料必须具有高的光电子发射及二次发射效率和极低的热电子发射效率。在室温下这些材料只发射极少的热电子。热电子一经产生后就立即被拉向后一级，并一级一级的倍增下去最后收集到阳极上。显然最初几级的热电子发射效应是最重要的。因为它们都经过较高的放大。这些暗电流是测量微弱光子流的主要限制。要降低暗电流，只要降低光电倍增管的温度就可以达到，所以测量弱光子流
40、时，光电倍增管常常用干冰或液态空气来冷却。暗电流的产生除了热电子的发射外，电极间的漏电、光反射和离子反馈，光电倍增管内的剩余气体被电子激发会产生电离和辐射光子。这些光子会溅射到光电阴极上产生光电子，并通过光电倍增管的倍增而在阳极上产生附加电流。这种现象称为光反射。同样，当正离子轰击光电阴极和打拿极时也可能产生二次电子，这种现象称为离子反馈。光反射和离子反馈只有在光电倍增管的倍增系数极大的情况下才严重。以及冷发射，如果光电倍增管内有尖端或突起部分这些地方的场强可能很大，有可能拉出电子即冷发射电子。但这些效应较前两者热电子发射及漏电要小的多。都是产生暗电流的原因。各电极间的绝缘程度也直接影响漏电程
41、度。实际上暗电流是平均累计的结果，热电子的发射是不连续的。因此每个热电子在阳极上将产生平均幅度为 的脉冲，这些脉冲就是光电倍增管的CcM噪声。光电倍增管作为探测器时必须设法将这些噪声去除。一般辐射产生的信号电压比噪声电压大的多，所以去除非常容易。但在测量极低的能量辐射时，噪声电压与信号电压相差不多时，此时的测量就比较困难了。3.1.2 放大电路和整形电路设计在上述说明后对测厚仪的测量部分已设计完成，并可以知道从光电倍增管输出端输出的信号是一种电脉冲信号，但这一电脉冲信号还不能直接被单片机识别而进行数据处理，故需要对这一电脉冲信号进行整形使该信号能够被单片机接收。光电倍增管是一种能将微弱的光信号
42、转换成可测电信号的光电转换器件，但从光电光电倍增管出来的电脉冲信号的幅值是比较小的，故需要设计一放大电路对此信号放大。一般是选用集成运算放大器来设计信号的放大电路，集成运算放大器简称集成运放，是应用最广泛的集成放大器，最早用于模拟计算机，并由此而得名。随着技术指标的不断提高和价格的日益降低，作为一种通用的高性能放大器，目前已经广泛应用于自动控制、精密测量、通信、信号处理以及电源等电子技术应用的所有领域。集成运算放大器内部结构通常包括以下三个组成部分：（1）输入级：为提高输入电阻，减少零点飘移，提高整个电路的共模抑制比，一般都采用差动放大电路。（2）中间级：主要用于电压放大，要求电压放大倍数要高
43、，一般由共射级放大电14路组成。（3）输出级：为减少输出电阻，提高电路的带负载能力，通常采用互补对称式功放电路。此外，输出级还附有保护电路，以防意外短路或过载时造成损坏。在分析运算放大器时，一般可将它看成是一个理想运算放大器。根据所选的光电倍增管型号EMI9514S的放大倍数10 可以得到从光电倍增管阳极7输出的电脉冲信号的幅值为：为了使该电脉冲信号被整形后能被单片机接收，所以根据设计需要设计放大电路如图3.4对于运算放大电路我们选择通用型系列MAX4353。图3.4 放大电路根据设计放大电路的放大作用后输出的电脉冲信号的幅值为：Uo=36/10.16=5.26V从上面的放大电路输出的信号是经
44、过放大的脉冲信号，故还需要将其转换为方波信号，这里就需要对脉冲波形整形，在这里我们使用555 定时器构成的施密特触发器对脉冲信号进行整形。而且它对信号的周期是没影响的。所以可以将脉冲整形电路设计为如图3.5所示。15图3.5 脉冲整形电路第四章 精度分析4.1 报警设计本次设计的测厚仪对钢板的厚度的测量值是在一定的范围内。即根据生产工艺的需要被测的钢板的厚度是在一定的范围内。当生产出来的钢板被测厚仪测量到的厚度不在设定的范围内，则会给出一个信号来显示生产出来的钢板的厚度是不满足生产工艺要求的，这就是所要求的设计的报警装置。由于此次设计的报警装置只需有报警功能就可以了，所以在这次设计中报警显示使
45、用发光二极管的发光来表示报警。发光二极管，LED是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的、能直接将电能转变成光能的发光显示器件。发光二极管也与普通二极管一样由 PN 结构成，也具有单向导电性。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。也就是说在钢板的动态测量中，如果钢板的厚度是在允许的范围内，发光二极管是不发光的，只有在测厚仪得到的厚度超出范围时，由系统给出信号来控制发光二极管发光。发光二极管有多种分类方法按其使用材料可分为磷化镓(GaP)发光二极管、磷砷化镓(GaAsP)发光二极管、砷化镓(GaAs)发光二极管、磷铟砷化镓(GaAsInP)发光二极管和砷铝化镓(GaAlAs)发光二极管等多种。
46、按其封装结构及封装形式除可分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装、树脂封装和无引线表面封装外，还可分为加色散射封装（D） 、无色散射封装（W） 、有色透明封装（C）和无色透明封装（T） 。按其封装外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种，按发光二极管的发光颜色又可人发为有色光和红外光。有色光又分为红色光、黄色光、橙色光、绿色光等。另外，发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二16极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。考虑到要在报警时，发光二极管发光时，有良好的视觉效果，我们选用高亮度单色发光二极管，通常，高
47、亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。可以知道高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。下面我们就给出选定的发光二极管的型号及参数。表 4.1 发光二极管的型号及参数根据设计需要设计报警装置如下图4.1所示：图4.1 报警装置设计图第五章 设计总结5.1 系统具有的功能课程设计是完成教学计划达到我们学生专业培养的一个重要环节，是我们学生在学习中应用性最强的一个学习设计环节，它在培养和提高我们学生综合应用专业17知识进行分析和解决实际问题有着很重要的意义，并初步培养了
48、我们独立分析问题和解决问题的能力。这次的课程设计题目是钢板厚度测试仪设计 ，设计模式大体分为信号采集部分和信号处理部分，信号采集部分由辐射源、荧光体、光电倍增管、放大电路和整形电路组成，穿过钢板后的射线强度与钢板的厚度有一确定的函数关系，不同强度的射线轰击荧光体会使荧光体发出不同频率的光，光信号通过光电倍增管产生同频率的电脉冲信号，电脉冲信号经过放大电路和整形电路的处理就可以被单片机接收了，也就是说信号采集部分能够实现将测量钢板的厚度转换为测量脉冲信号的频率，而信号处理部分则是将所测量到的钢板的厚度显示出来，并且当测量到的钢板的厚度不在设定的范围内时，它能实现超差报警，同时测厚仪的键盘上具有标定键和上下限键，具有标定和钢板的上下限厚度的设置等功能。而且由传感器的设计可以知道，对测侯厚仪标定3 次左右就可以使测量精度达到0.5%，本次设计的测厚仪的这些功能正是按设计任务的要求完成的，所以说这次课程设计进行的还是比较顺利的。5.2 系统的优点和缺点这次设计好的测厚仪基本能够满足设计要求，但回头看看自己设计的成果，有些设计的地方自己还是比较满意的，但由于设计的时间和个人的能力有限等原因，也会存在一定的欠缺的地方。自己比较满意的地方是在设计显示那一部分不局限于教材上的那种显示设计，设计采用Max7219来驱动数码管，设计来源与网上查阅的测
