光电综合课程设计报告--测量纸张厚度

3)为使光源、光路和探测器在 和 波长处性能一致， 和 应该比较靠近，同时，由于滤光片一般不可能做刊绝对的单色滤光，因此，若 和 太靠近，双色光的滤光片特性将发生重叠而引起误差。
4) 不宜选得过大，因为 过大将会给光路的设计增加困难。
2.2
探测器是整个装置的关键器件之一，它的任务是将接收到的信号 和 转换成电量。探测器的响应时间(驰豫时问)应小于 和 脉冲的宽度，在 和 范围内，它的探测率较高且比较平稳，以保证探测器有较大的输出量和较好的线性度。本装置中选用的是光电二极管。
2) 该设计采用浙江大学仪器系检测技术研究所生产的CSY10型传感器系统试验仪作为检测设备，将Φ30mm圆钢切成约8mm后的柱体上，上下表面磨平行，抛光，上下表面平行度为0.03mm，得到上下表面平行且反射率基本一致的试件，以满足电压只是Z的函数。该试件用作反光面。实验装置如右图：将纸片切片后放到试件于基面之间，则通过接收光强计算传感器探头端口间的距离，就可以算出纸张的厚度为Z0= 。
3.3
光照射到物体上将产生透射，通过测量透过纸张后的光强，再综合考虑数学模型的建立、被测物的厚度及表面光精度等因素，得出纸张的相关参数，进而计算出纸张厚度。具体方法如前文所述实物制作
3.4
序号
名称
型号及规格
数量
1
单片机
ATMEGA16L
1
2
液晶显示屏
1602
1
3
集成运放
Lm358t
1
4
探测器光电二极管
1
5
发光二极管
若干
6
电阻
1KΩ和10KΩ
若干

电容
22pF和0.1uF
若干
8
双排五针插座
若干
若干
9
5V电压输出电源
一个
10
开关
若干
11
电源插座
5V
1
3.5
3.5.1
选择avr作为MCU处理的芯片具有比89c51有如下几个优点：
1)工作电压范围为2.7~6.0V，电源抗干扰性能强；
2)片内集成16位指令的程序存储器，总线采用哈佛结构，程序存储器和数据存储器分开组织和寻址；
（4）电信号通过放大器放大后，进行采样和A/D转换。
（5）通过AVR单片机把测得结果通过液晶屏显示出来。
2
2.1
根据Beer—LamBert公式，某一波长光线的遁过率与样品的厚度存在如下关系：
I= （1）
式中 和I，分别为射入纸张和透过纸张的红外光线强度，T为纸张的厚度，a为吸收系数，吸收系数与光的波长及纸的材质有关。由于当红外光源发生漂移或光路、测量电路发生漂移时，对 和I将发生影响，造成在同一材质同一厚度的纸张的情况下， 与I的比值不同，同时，测量 的值比较困难。因此，运用单色光，根据式(1)研究纸厚传感器实际上是不可行的。为了解决上述问题，我们采用了双色光比较法。
3.6
图表6实物设计电路
4
4.1
表格1输入电压与各波长的对应的输出电压值
波长（nm）
输入电压（V）
440
530
560
600
660
5.5
0.086
0.118
0.086
0.113
0.142
6
0.096
0.13
0.097
0.126
0.159
6.5
0.105
0.142
0.108
0.137
0.14
7
0.113
光电综合课程设计报告
测量纸张测厚仪的设计
姓名（学号）：陈嘉伟（************）
刘信生（200730570217）
黎澄伦（200730570212）
沈其治（200730570224）
叶伟雄（200730570227）
班级：2007级电子科学与技术（2）班
指导老师：罗霞谢家兴赵懿琨张宇
日期：2010.12.27～2010.12.31
2)由于造纸的高速化对新闻纸、薄纸等纸质测定过程中会产生穿孔现象。
3)由于产品的多样化，用同一机器造纸的纸厚变化幅度大时会产生超过吸入量的允许范围。
4)接触式厚度计测定纸厚从定义来讲必须夹住住被铡定物，但是要在规定的接触压力(0．055MPa)下央住高速移动的纸，要求不弄破纸，实际是不可能的。
3.2
2.3
2.3.1
2.3.2
探测电路这部分通过将光电二极管反接，在光照下将电压信号输入到集成运放中进行放大，直接输送到单片机转换。在放大电路中引入深度负反馈，使得运放的放大倍数为 ，通过调节Rf和R1的比值控制放大倍数，使得单片机能够识别并转换光电信号。如右图2：
2.3.3
在这个模块中，采用功能强大的AVR单片机，其内部集成AD转换芯片，可以减少在制作电路板时产生的硬件方面误差。AVR单片机采用12Mhz的外部晶振和低电平的复位电路，利用芯片集成的AD模块，采用内部自带的电源和基准电压，使用单通道的10位AD转换，再将转换和处理后的数据输送到液晶显示屏显示。
双色光比较法是选用两束不同波长的红外光，其波长各为 和 ，由式(1)可得
= exp(- T)（2）
= exp(- )（3）
式(2)和(3)经过数学处理后可得
T= ( -ln )（4）
对一某一材质的纸张， 和 是一个与纸张厚度无关的定值， 和 也与T无关，若它们处于同一光路中,则红外光源或光路的漂移对 和 的比较值不会发生影响，因此，式(4)可写成
0.154
0.117
0.148
0.187
7.5
0.121
0.164
0.129
0.157
0.199
8
0.127
0.175
0.131
0.166
0.21
8.5
0.135
0.186
0.137
0.175
0.222
9
0.14
0.195
0.139
0.182
0.229
9.5
0.145
0.197
0.139
0.187
0.225
3.2.1
1) 通过传感器接收受到光强随传感器探头到反光面距离的改变而变化，经光电变换器件转变为直流电压或电流信号后由电路输出。该仪器受到的电压为U=f（σ,Ι0,α，ε,η,Ζ），σ为反光表面的反射率；Ι0为电源发光强度；α为光电转换效率；ε为电路增益；η为光路效率；Ζ为反射面到传感器探头端口的距离。假设当σ,Ι0,α，ε,η,Ζ一定时，电压就是Z的函数。
关键词：光电纸张测厚
附录3
前言
1.1
在加深对光电传感器与单片机的认识，更进一步地掌握光电检测技术。同时，在研制红外纸厚传感器的过程中，对发现的一些理论与技术问题进一步的分析研究。
1.2
（1）为了减少纸张所含水分吸收红外的影响，通过多次实验，选出合适的测量波长 和参考波长 。
（2）设计出合适的光路。
（3）使用探测器将接收到的光信号转换成电信号
自1 800年F．W．Hcr~ctwl发现红外辐射以来，红外技术己在许多领域内得到广泛应用，但在测量纸张厚度方面的应用国内外尚未见报道，说明在这方面的应用尚有一些理论与技术实践问题需要进行探索研究。
本文采用了红外纸张测厚仪，主要论述了红外纸张测厚仪的理论及个部件的设计，我们以实验报告纸为对象研制的红外纸厚传感器，配有放大，采样及模数转换等环节的信号处理单元，应用了AVR系列单片机的运算及控制功能，组成一台智能型的红外纸张测厚仪。与 射线定量仪比较，具有价格低，相应速度快，较好的稳定性，切避免了由于存放在放射性物质所引起的问题，最后对该研究结果及进一步的工作提出了看法。
我们研制的双色光单光路红外纸厚传感器的结构原理如图1所示。红外光源发出的光线穿过透镜后成为平行光，经置于调制盘上的滤光片滤光，得到某一波长的红外光，照射在纸上，再经截次片和光波导，被探测器接收，探测器输出的电信号进入信号处理单元
我们在确定 和 时，考虑了以下几个问题:
1) 应是纸纤维的特征吸收蜂， 应是纸纤维不吸收或是吸收较弱的波长。 和 分别称为测量波长和参考波长。
T=K·ln +C（5）
根据式(5)，测量出 和 的值，就可以求得纸张的厚度T.
根据式(5)设计红外纸厚传感器时，必须注意纸张中所含水分带来的影响。前面已经指出吸收系数a与纸的材质有关，电话电缆纸的成份主要是纤维素和水，它们对于红外光的辐射能量都有吸收作用。因此，同一纸张当某一波长的红外光 。透过纸张后的I，所含水分不同时，I的值也就不同。如仍用式(1)表示透过率与纸厚T的关系,则a是一个与水分有关的量，式(5)中的K,C值也将因纸张所含水分的不同而改变，这将给传感器的设计带来困难。
3.5.2
LM358P是一块双运算放大电路，该电路由两个独立的高增益运算放大器组成，具有内部频率补偿，该电路可在较宽的电源电压范围内单电源工作，亦可在双电源条件下工作，在电路的实际运用中，双电源正负5V的驱动电压，可带来所需要的输出电压宽，具有较高的输入电阻和较小的输出电阻，在内部频率补偿下，放大输出的电压值较稳定，输出电阻若再并联一个电阻可以使得输出的电压波形更好。
3)采用CMOS工艺技术，精简指令RISC结构，用32个通用工作寄存器代替了累加器，具有较高的MIPS/MHZ的能力，具有高速度，低功耗，休眠功能，指令执行速度可达50ns，
4)自带8路复用的单端输入通道的AD转换，具有10位精度，65~260微妙的转换时间，7路差分输入通道，具有可选的2.56VADC的参考电压，连续转换或单次转换模式，ADC转换结束中断
华南农业大学工程学院
摘要
国内外测量纸张厚度(或定量)的仪器有接触式和非接触两类，由于接触式纸张测厚仪会损坏纸张，因此现在工业生产中常用非接触式测厚仪来测量产品的厚度（如钢板、钢带、纸张等）。这类仪表中有利用α射线、β射线、γ射线穿透特性的放射性厚度计；有利用超声波频率变化的超声波厚度计；有利用涡流原理的电涡流厚度计；还有电容式厚度计等。纸张定量是衡量纸张质量的主要指标之一。纸的密度一定时，用其厚度或定量来衡量纸张质量指标是等效的。有些纸张(如电话电缆纸), 生产上要求直接检测其厚度.在线测量纸张厚度是保证纸张质量和实现造纸生产过程自动控制必须解决的重要课题。