电涡流式金属板材测厚仪的设计.docx

沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计0目 录0 前言····················································11 总体方案设计············································12 硬件电路设计············································23 软件设计················································64 调试分析················································65 结论及进一步设想········································76 参看文献················································7沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计17 课设体会················································88 附录Ⅰ··················································99 附录Ⅱ··················································10电涡流式金属板材测厚仪的设计 苑庆爽 沈阳航空航天大学自动化学院沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计2摘要:本设计是基于电涡流传感器测量厚度的设计。

电涡流传感器,具有灵敏度高、 频响范围宽、 可实现非接触式测量及适用性强等特点此种传感器在金属镀层、 板材厚度测量及材质鉴别中应用广泛电涡流传感器有两种类型:低频透射式和高频反射式其中低频透射式适于测量较薄的金属镀层或板材的厚度高频反射式适于测量较厚板材的厚度关键词： 89C52 单片机，电涡流传感器，测量厚度0 前言从结构上来看, 电涡流传感器就是一个线圈, 圈内通以交流电,则圈周围将产生交变磁场金属导体置于变化着的磁场中, 导体内就会产生感应电流, 这种电流象水中漩涡那样在导体内转圈,所以称为电涡流,这种现象称为电涡流效应在金属板材、带材的轧制过程中成品的厚度是最重要的物理指标之一目前 国内的钢铁和有色金属行业多采用非接触式的测厚系统，如射线式、电容式等等 其中，射线测厚系统有一定的应用，但其存在着射线管的老化和易损问题，高压发生器的准确度和稳定性以及整套设备造价过于昂贵等而电容式测厚系统则受引线电容，寄生电容的干扰较大，不易消除以单片机系统为核心，利用电涡流式传感器对钢板厚度进行检测，通过实时数据采集，由单片机进行数据处理分析，并发出相应控制指令的系统建立在电涡流效应原理上的测量技术，具有结构简单、频率响应带宽、灵敏度高、线性范围大、体积小等优点，在冷轧钢板生产过程中，采用高频反射式涡流传感器对钢板厚度作测量，应用前景广泛。

电涡流传感器是建立在电磁场理论的基础上工作的拥有如此广阔前景的电涡流式传感器，如果能够更好的开发以及利用，必定给我们的生活和1 总体方案设计针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计用电涡流传感器进行厚度测量，将测得的距离变化转换为电信号，通过 A/D 转换，转换为能供单片机直接识别的数字信号单片机将得到的信号进行处理，如果满足测量范围，正常输出信号，通过 LED 显示如果不满足，则通过发光二极管显示来表示具体情况该电涡流测厚度的设计，总体上大致可分为一下几个部分组成：电涡流检测部分，A/D 转化部分，单片机处理部分，LED 显示部分,键盘输入部分，不同颜色二极管发光报警部分沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计3图 1 系统框图2 硬件电路设计2.1 电涡流传感器如图 2 所示，在金属板一侧的电感线圈中通以高频激励电流 I1 时 线圈将产生高频磁场 由于集肤效应 高频磁场作用于金属板表面薄层 并在这薄层中产生涡流 涡流 I2 会产生交变磁通 Φ2 反过作有于线圈 使得线圈中的磁通 Φ1 发生变化而引起自感量变化 圈中产生感应电势 电感的变化随涡流而变 而涡流又随线圈与金属板间距 X 而变化 因此可以用高频反射式涡流传感器来测量位移 X 的变化图 2 涡流传感器基本原理图 2 为涡流效应等效电路 R1 为线圈电阻 L1 为线圈电感 R2 为短路电阻 L2 为短路环电感 U1 为激励电压 M 为线圈与短路环间的互感回路方程：电涡流传感器 A/D 转换电路 单片机机数码管显示二极管发光报警超量程沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计4受涡流影响后线圈的等效阻抗为：线圈阻抗只与 L1 L2 M 有关而 L1 L2 M 都与 J 有关即 Z =f J 因此 如固定传感器的位置 当间距 J 发生变化时 Z 就发生变化 从而达到以传感器阻抗变化值来检测被测金属位移量的值。

图 3 涡流效应等效电路2.2 单片机最小工作系统89C52 系列单片机的复位电路的极性电容 C1 的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用 10~30uF，单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短89C52 单片机最小系统晶振 Y1 也可以采用 6MHz 或者 11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，52 单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快52 单片机最小系统起振电容C2、C3 一般采用 15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好P0 口为开漏输出，作为输出口时需要加上拉电阻，阻值一般为 10K其他接口沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计5内部有上拉电阻，作为输出口时不需要外加上拉电阻即最小系统包含晶振电路、复位电路、电源电路图 4 单片机最小系统电路2.3 A/D 转换电路采用芯片 ADC0804工作电压：+5V，即 VCC=+5V模拟输入电压范围：0～+5V，即 0≤Vin≤+5V分辨率：8 位，即分辨率为 1/2=1/256，转换值介于0～255 之间转换时间：100us（fCK=640KHz 时）。

转换误差：±1LSB参考电压：2.5V，即 Vref=2.5VADC0804 是属于连续渐进式的 A/D 转换器，这类型的 A/D 转换器除了转换速度快（几十至几百 us） 、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上CS、RD 、WR （引脚 1、2、3）：是数字控制输入端，满足标准 TTL 逻辑电平其中 CS 和 WR 用来控制 A/D 转换的启动信号CS 、RD 用来读 A/D 转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器 DB0~DB7 各端上出现 8 位并行二进制数码CLKI（引脚 4）和 CLKR（引脚 19）：ADC0801~0805 片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生 A/D 转换所要求的时钟，其振荡频率为 fCLK≈1/1.1RC其典型应用参数为：沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计6R=10KΩ，C=150PF，fCLK≈640KHZ，转换速度为 100μｓ若采用外部时钟，则外部 fCLK 可从 CLKI 端送入，此时不接 R、C允许的时钟频率范围为100KHZ～1460KHZ。

INTR （引脚 5）： INTR 是转换结束信号输出端，输出跳转为低电平表示本次转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号如果将 CS 和 WR 端与 INTR 端相连，则 ADC0804 就处于自动循环转换状态CS ＝0 时，允许进行 A/D 转换WR 由低跳高时 A/D 转换开始，8 位逐次比较需 8×8=64 个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要 66～73 个时钟周期在典型应用 fCLK＝640KHZ 时，转换时间约为 103μｓ～114μｓ当fCLK 超过 640KHZ，转换精度下降，超过极限值 1460KHZ 时便不能正常工作图 5 A/D 转换电路2.4 报警电路报警电路采用发光二极管报警由于二极管一段接在+5V 电源上，即二极管低电平有效，在开始给 P2.3 口和 P2.4 口使能为 1，程序中设定当二极管负极为高电平时为灭，低电平有效，即发光两种颜色，红色二极管为低于下限报警，绿色二极管为超出上限报警3 软件设计根据设计方案，应用 Protuse 软件进行仿真设计的主要思想是模块化设计，总体分为主程序模块、数据采集模块、数据显示（数码管显示）模块、键盘扫描模块、阈值比较模块、报警模块。

程序通过主程序调用子程序来完成所需要的各种功能沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计7图 7 程序总体流程图4 调试分析将生产的 Hex 文件拷入单片机后，数码管正常显示采集到的数据，然后通过键盘设定 0~5mm 之间任意的阈值范围当采集到的数据不在设定范围之内的时候，发光二极管点亮，既是启动了报警系统程序及硬件都正常运行5 结论及进一步设想 设计的电涡流式金属板材测厚仪正常运行，表明设计的初步结果取得成功NYY初始化数据采集数据处理数码管显示键盘扫描报警键按下？过报警上限?主程序N设置阈值阈值比较沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计8电涡流的另外一方面既是测量厚度较薄的物体，如对材料表面保护、装饰形成的覆盖层，如涂层、镀层、敷层、贴层、化学生成膜等，在有关国家和国际标准中称为覆层（coating） 覆层厚度测量已成为加工工业、表面工程质量检测的重要一环，是产品达到优等质量标准的必备手段为使产品国际化，我国出口商品和涉外项目中，对覆层厚度有了明确的要求覆层厚度的测量方法主要有：楔切法，光截法，电解法，厚度差测量法，称重法，X 射线荧光法，ȕ射线反向散射法，电容法、磁性测量法及涡流测量法等。

这些方法中前五种是有损检测，测量手段繁琐，速度慢，多适用于抽样检验X 射线和 ȕ 射线法是无接触无损测量，但装置复杂昂贵，测量范围较小因有放射源，使用者必须遵守射线防护规范X 射线法可测极薄镀层、双镀层、合金镀层ȕ 射线法适合镀层和底材原子序大于 3 的镀层测量电容法仅在薄导电体的绝缘覆层测厚时采用随着技术的日益进步，特别是近年来引入微机技术后，采用磁性法和涡流法的测厚仪向微型、智能、多功能、儈精度、实用化的方向进了一步测量的分辨率已达 0.1 微米，精度可达到 1%，有了大幅度的提儈它适用范围广，量程宽、操作简便且价廉，是工业和科研使用最广泛的测厚仪器采用无损方法既不破坏覆层也不破坏基材，检测速度快，能使大量的检测工作经济地进行6 参考文献[1].刘利秋 《基于电涡流传感器测厚及材质鉴别的研究》 沈阳航空工业学院自动控制系, 辽宁 沈阳[2].吴蓉 《反射式涡流传感器金属测厚研究》[期刊论文]-兰州交通大学学报 2002(6)[3].胡乾斌，李光斌 《单片微型计算机原理与应用》 1996[4].袁希光 《传感器技术手册》 1986[5].余席桂，赵燕 《测试技术 》1996[6].黄长艺, 严普强《机械工程测试技术基础 》机械工业出版社, 1995[7].刘金环, 任玉田《机械工程测试技术 》 北京理工大学出版社, 1999课设体会在本次课程设计中，通过上网查资料，到图书馆借阅图书等方法了解了单片机电路的设计方法，并通过使用 Protuse 软件成功仿真出来了。

总体设计方沈阳航空航天大学课程设计论文 电涡流式金属板材测厚仪的设计9案是模块化的，在做计数显示电路的时候，通过将以前学习的数字电路的知识应用其中，从而方便的解决了这一问题，在仿真过程中，。