一種簡(jiǎn)易型X射線測(cè)厚儀的研制

湯代斌

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的X射線測(cè)厚儀一般采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣控制、數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)控顯示等功能［1］，因而設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大;另外工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集板卡等關(guān)鍵性部件價(jià)格昂貴，設(shè)備生產(chǎn)成本較高，無(wú)法滿足中、小型企業(yè)和低端用戶的實(shí)際應(yīng)用需求。本文在分析X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理基礎(chǔ)上，對(duì)X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與電路集成，提出了基于高速單片機(jī)的簡(jiǎn)易型X－射線測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)方案，制作了試驗(yàn)樣機(jī)，并成功應(yīng)用于平板生產(chǎn)線。

1 X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由控制柜、C型架和監(jiān)控工作站三大部分組成［2］。其中控制柜內(nèi)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集板卡、射線源控制箱和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制箱;C型架內(nèi)裝有X射線源和X射線探頭;C型架由三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，監(jiān)控工作站用于現(xiàn)場(chǎng)操作人員監(jiān)控板材的質(zhì)量和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

X射線測(cè)厚儀工作時(shí)，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出C型架開進(jìn)信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制箱，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制箱控制電機(jī)工作，C型架前進(jìn)到測(cè)量位置。之后工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出射線源啟動(dòng)信號(hào)，射線源控制箱產(chǎn)生高壓送給的X射線源內(nèi)的X射線管并產(chǎn)生X射線，此時(shí)，X射線源的閥門并未打開。測(cè)量時(shí)，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制射線閥門打開，X射線穿透被測(cè)板材并產(chǎn)生一定的衰減，衰減后的X射線強(qiáng)度由X射線探測(cè)頭將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集并傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)采用專業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到被測(cè)板材的厚度值，同時(shí)將該厚度數(shù)據(jù)輸送監(jiān)控工作站顯示。

圖1 X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 簡(jiǎn)易型X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于以上分析，采用以高速單片機(jī)為控制核心的數(shù)據(jù)采集與處理模塊替代控制柜內(nèi)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集板卡，同時(shí)將該模塊與X射線探頭內(nèi)的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行優(yōu)化與集成，并將其安裝在X射線探頭內(nèi)，將控制柜內(nèi)的計(jì)算機(jī)采用由51單片機(jī)控制的數(shù)碼管顯示屏和開關(guān)按鈕組成的控制面板替代，從而縮小了控制柜的體積、極大地降低了設(shè)備的生產(chǎn)成本。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的簡(jiǎn)易型X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)易型X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

簡(jiǎn)易型X－射線測(cè)厚儀系統(tǒng)與原有系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)采集與處理功能主要由高速單片機(jī)來(lái)完成。電氣控制部分由控制面板上的開關(guān)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然電氣控制自動(dòng)化程度有所降低，但并不影響整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)功能。如圖3所示，系統(tǒng)開始工作時(shí)由控制面板啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)與后退按鈕控制C型架位置，射線源控制箱的高壓和X射線源的閥門由面板上的射線源開關(guān)和測(cè)量開關(guān)控制。測(cè)量時(shí)，X射線探測(cè)頭檢測(cè)到的信號(hào)直接由探頭內(nèi)的數(shù)據(jù)采集處理模塊轉(zhuǎn)換為被測(cè)板材的厚度值送控制柜內(nèi)的LED顯示屏和LED監(jiān)控顯示屏顯示。由此可見，數(shù)據(jù)采集與處理功能的高速單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

圖3 控制面板布局圖

3 數(shù)據(jù)采集與處理模塊設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)要求對(duì)信號(hào)采樣精度高，速率快，同時(shí)還要求能完成數(shù)據(jù)的處理與運(yùn)算功能?；谶@些因素，采用美國(guó)德州Silabs公司的混合信號(hào)SOC型8位高速單片機(jī)C8051F060。該單片機(jī)內(nèi)部有2個(gè)由DMA控制的16位精度1Msps速率 的ADC和2個(gè)增強(qiáng)型UART串口，采用流水線式指令結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度可達(dá)25MIPS，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求［4，8］。

采用C8051F060單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集處理模塊電路原理如圖4所示。X射線探頭的輸出信號(hào)Vi經(jīng)過(guò)高靈敏度的電流放大器U1放大調(diào)理后，經(jīng)U2運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器送到C8051F060單片機(jī)電壓采樣輸入通道Ain0，采樣后的數(shù)據(jù)直接在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理運(yùn)算后得到被測(cè)板材厚度值，通過(guò)增強(qiáng)型的串行口將厚度值送至MAX485通訊芯片轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)輸出到控制柜內(nèi)的LED顯示屏和監(jiān)控顯示屏顯示?？紤]到測(cè)厚儀使用一段時(shí)間后，因X射線強(qiáng)度、探頭的檢測(cè)靈敏度和放大電路的增益等影響，由控制面板上的K2～K4按鍵與模塊中的電阻R8～R13等一起構(gòu)成調(diào)零與校準(zhǔn)補(bǔ)償電路［5］。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

采集與處理程序主要包括初始化子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、厚度計(jì)算子程序、補(bǔ)償校準(zhǔn)子程序和通訊子程序等。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。初始化子程序主要是在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)上電之初對(duì)單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，通用輸入輸出端口GPIO和通訊等模塊按系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相應(yīng)的初始設(shè)置;數(shù)據(jù)處理子程序?qū)⒉杉瘉?lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和碼制轉(zhuǎn)換;測(cè)厚儀正常使用時(shí)不需要進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用必須進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)以提高測(cè)量的精度，該功能由補(bǔ)償校準(zhǔn)子程序?qū)崿F(xiàn);通訊子程序?qū)崿F(xiàn)X射線探測(cè)頭數(shù)據(jù)采集處理模塊與LED顯示屏和監(jiān)控顯示屏之間的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)采集采用外部事件信號(hào)啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理子程序直接從數(shù)據(jù)RAM中讀取采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)字濾波等處理后送厚度計(jì)算子程序進(jìn)行厚度計(jì)算。計(jì)算時(shí)將處理后的數(shù)值疊代入如下厚度計(jì)算公式，經(jīng)過(guò)運(yùn)算而得到被測(cè)板材厚度值［6］:

式中:h 為被測(cè)材料的厚度;k5，k4，k3，k2，k1，k0為不同材質(zhì)板材的擬合系數(shù);v0為X射線未經(jīng)衰減時(shí)采樣電壓值;hbc為校準(zhǔn)補(bǔ)償值。

4 試驗(yàn)分析

X射線穿過(guò)同種板材時(shí)的衰減強(qiáng)度程度是非線性的。樣機(jī)調(diào)試時(shí)，先采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣片進(jìn)行測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)并制成輔助文檔，然后采用專業(yè)軟件加載該文檔中的數(shù)據(jù)(圖6)。按照以上厚度計(jì)算公式，勾選相應(yīng)系數(shù)項(xiàng)，對(duì)系數(shù) k5，k4，k3，k2，k1，k0進(jìn)行曲線擬合［5，7］，并將擬合得到的系數(shù)值(圖6中右下)設(shè)定到數(shù)據(jù)處理程序厚度計(jì)算子程序中。

圖4 數(shù)據(jù)采集處理模塊電路原理圖

圖5 采集與處理程序設(shè)計(jì)流程圖

圖6 系數(shù)擬合示意圖

再次啟動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)以上標(biāo)準(zhǔn)樣片重新進(jìn)行測(cè)量以驗(yàn)證測(cè)量的精確性。記錄測(cè)量結(jié)果并求出測(cè)量誤差示于表1中。

由表1數(shù)據(jù)可見，該簡(jiǎn)易型X射線測(cè)厚儀測(cè)量0.1 ～1.0 mm 范圍內(nèi)板材的誤差為 0.1% ～0.2%，1.0～2.0 mm 范圍的誤差在0.1%以內(nèi)，這是由 X射線穿透衰減強(qiáng)度的非線性與測(cè)量范圍變化造成的。因數(shù)據(jù)采樣與處理過(guò)程是在X射線探頭由高速單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，避免了X射線探頭檢測(cè)到的模擬信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中的衰減、延遲和易受干擾等問(wèn)題，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，達(dá)到良好的在線精確測(cè)量效果。

表1 測(cè)量精度記錄表

5 結(jié)語(yǔ)

采用高速單片機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在X射線測(cè)厚儀系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理功能，并對(duì)測(cè)厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和集成設(shè)計(jì)，既滿足了低端用戶的實(shí)際需求，又降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，也彌補(bǔ)了該類產(chǎn)品的空缺。采用本方案設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易型X射線測(cè)厚儀在平板生產(chǎn)線投運(yùn)試用，能滿足生產(chǎn)要求的測(cè)量精度，且運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)方便，得到客戶的認(rèn)可。

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