电涡流式金属板材测厚仪的设计

目录

0前言 (1)

1总体方案设计 (1)

2硬件电路设计 (2)

3软件设计 (6)

4调试分析 (6)

5结论及进一步设想 (7)

6参看文献 (7)

7课设体会 (8)

8附录Ⅰ (9)

9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

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, 在线圈内通以交流电,则在线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在线检测，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。

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在线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：

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

2.3A/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=2.5V。ADC0804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：R=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。