摘要:伽马射线测厚仪用于薄膜钢板厚度的在线生成测量,其待测的钢板厚度一般在1-2毫米为宜,测量误差是千分之一毫米。这种测厚仪的工作原理是通过探测伽马射线管发出的射线在经过被测钢板后的强度差来测量被测物体的厚度。一套完整的测厚仪系统包括机械和电路两部分,本文将设计一套高性能伽马射线测厚仪的数据采集与处理系统,实现实时控制的功能,即系统的电路部分。
关键字:伽马射线;测厚仪;数据采集;
中图分类号:T 文献标识码:A
Abstract: γ ray thickness gauge is used in the real-time gauge of film plate, the thickness of the plate is 1-2 mm usually, the error is micron. The principle of this system is γ ray strikes the film plate, then the intension of γ ray falls, we can get the thickness through the interpolation between γ ray that before strikes the film stuff and after strikes the film plate. A intact system include mechanism and circuitry. This paper design data acquisition and processing system of High-Powered γ ray thickness gauge which is the circuitry part of γ Ray Thickness Gauge.
Keywords: γ ray ;thickness gauge; data acquisition;
0 引言
伽马射线测厚仪的电路部分设计,主要是数据的采集和处理过程。伽马射线在穿过被测钢板后射到电离室,电离室将光强信号转化成电压信号V,电压V经过差分运算放大电路并在AD转换后送给CPU,再与设定厚度值比较得到一个差值即反馈值,反馈值经过模拟电路处理后回送测厚仪的机械部分,从而对待测钢板进行实时控制,使其厚度保持一个恒定值。其中模数转换和数模转换都是16位的,而且所选用的单片机主频达到40兆赫兹,具有256KB的片外SRAM和FLASH,所以这个数据采集系统是高精度系统,所测量的钢板厚度是毫米级别,误差是千分之一毫米。
1 硬件电路设计
1.1 差分运算放大电路
从工业现场来的信号是0~5伏的电压信号,并且其中夹杂着一些共模干扰信号。工业现场的地线信号和钢板厚度电压信号V都受到相同的干扰,所以通常情况下使用双绞线将这两个信号缠绕在一起送给电路模块,由电路模块去除那些共模干扰信号,待消除共模干扰信号后,使用放大电路将0~5伏的信号范围变成0~10伏,这样才可以送入后面的模数转换芯片。下图使用了两级运算电路实现上述要求。
图1 两级运算放大电路
根据运算放大器虚短虚断的原理,图中,并且,,当,,由上面两式可以得到,,则,即输出是两个输入的差值。由此可知,当信号夹杂着共模干扰时,与的干扰信号是大小相同的,在经过了上面的电路之后,两个相同的共模信号相减正好可以约去,从而保留了原始的输入信号。信号经过差分运算之后,送入后面的放大单元。
根据虚短和虚断原理,,引脚2处没有电流,所以。在上面的电路中,电流从经过电阻流经,再由经过电阻流到,所以可得:。当=0V,时,可以得到,这就是典型放大电路的运算公式。当与的阻值不同时,电路的放大倍数就会改变,理论上可以由0到无穷大,实际应用可达几千倍。
在经过上述模拟电路后,待测钢板的厚度值转化成为0~10伏的电压信号被送入模数转换芯片LTC1605,经过AD转换后成为16位的数字量传递给CPU以便对钢板的厚度与标准值进行比较和差值运算。下面讲述CPU与模数转换芯片LTC1605的接口电路。
图2 CPU与LTC1605的接口电路
在图2中,只是将CPU与LTC1605芯片的相关引脚连接电路给出,其余引脚电路图并没有画出来。图中的CPU是Intel公司生产的AM186ES型号CPU,属于186系列产品。CPU的16位数据线与LTC1605的数据线相连接;通用输入输出引脚P12,P17分别连接AD芯片的读/转换控制信号和片选信号,由这两个信号来控制LTC1605芯片的工作。
由LTC1446输出的电压范围是0~4.095伏,这个电压经过后置放大处理被送到工业现场,控制机械部分的操作,从而实现闭环负反馈,实时控制待测钢板的厚度围绕在标准值附近。在图2中,LTC1446的时钟信号与CPU的通用输入输出引脚P12连接,数字输入信号与CPUD通用输入输出引脚P26相连,转换/输出控制信号与CPU的P29引脚连接。它的引脚5和引脚8是模拟量输出引脚,输出0~4.095伏的电压。图3是将LTC1446的模拟输出经过3级放大变成0~10伏,送往机械部分,S信号连接LTC1446的8引脚。
图3 数模转换的模拟量输出电路
2 软件设计部分
在软件部分的设计里面,主要是模数转换,测定值与标准值的比较以及数模转换3部分。下面首先介绍模数转换的程序。
图4 模数转换芯片LTC1605的时序图
从图4中可以看出,R/C信号与/CS信号同时为低电平则芯片进行模数转换,当R/C为高电平而/CS为低电平时则芯片将转换结果传出。其余的/BUSY信号与MODE信号是显示信号,没有控制功能。数据线当/BUSY位低电平的时候,即AD转换在进行时为高组态,当/CS信号为低电平而R/C信号为高电平的时候才是有效的数据。
经过对数据的处理后,钢板的实际值与标准值有一个差值,根据这个差值得到负反馈值,对这个负反馈值进行数模转换变成模拟量就可以控制后面的机械部分,使整个系统实现闭环负反馈。下面介绍数模转换的编程,芯片是LTC1446。
图5 数模转换芯片LTC1446的时序图
从图5看出,在/CS\LD信号为低电平的时间内,输入信号以时钟信号为基准,以串行数据的格式一位一位地输入片内移位寄存器;当/CS\LD信号变成高电平时,输入信号从移位寄存器送入数模转换寄存器,开始进行数模转换并在转换结束后将结果输出。下图是本次设计中软件流程图。
图6 软件流程图
3 结论
从现场使用情况来看,本测厚仪系统的高精度和高速度,提高了薄膜钢板的轧制质量,增加了成材率,充分发挥了在轧制过程中对钢板厚度的有效测量和纠正作用,给厂家带来可观的收益。