一種簡易型X射線測厚儀的研制

湯代斌

(安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖 241000)

工業現場應用的X射線測厚儀一般采用工業控制計算機來實現電氣控制、數據采集處理和監控顯示等功能［1］，因而設備的結構復雜，系統龐大;另外工業控制計算機和數據采集板卡等關鍵性部件價格昂貴，設備生產成本較高，無法滿足中、小型企業和低端用戶的實際應用需求。本文在分析X－射線測厚儀系統結構和工作原理基礎上，對X射線測厚儀系統中的關鍵部件進行簡化設計與電路集成，提出了基于高速單片機的簡易型X－射線測厚儀的設計方案，制作了試驗樣機，并成功應用于平板生產線。

1 X射線測厚儀系統結構與工作原理

X射線測厚儀系統結構如圖1所示。該系統由控制柜、C型架和監控工作站三大部分組成［2］。其中控制柜內包括工業控制計算機、數據采集板卡、射線源控制箱和電機驅動控制箱;C型架內裝有X射線源和X射線探頭;C型架由三相交流電機驅動，監控工作站用于現場操作人員監控板材的質量和系統的工作狀態。

X射線測厚儀工作時，由工業控制計算機發出C型架開進信號給電機驅動控制箱，電機驅動控制箱控制電機工作，C型架前進到測量位置。之后工業控制計算機發出射線源啟動信號，射線源控制箱產生高壓送給的X射線源內的X射線管并產生X射線，此時，X射線源的閥門并未打開。測量時，由工業控制計算機控制射線閥門打開，X射線穿透被測板材并產生一定的衰減，衰減后的X射線強度由X射線探測頭將其轉換為電信號，經信號調理后由數據采集卡進行采集并傳輸到工業控制計算機，在計算機內采用專業軟件對數據進行處理，得到被測板材的厚度值，同時將該厚度數據輸送監控工作站顯示。

圖1 X射線測厚儀系統結構圖

2 簡易型X射線測厚儀系統結構與工作原理

2.1 系統結構

基于以上分析，采用以高速單片機為控制核心的數據采集與處理模塊替代控制柜內的工業控制計算機、數據采集板卡，同時將該模塊與X射線探頭內的信號調理電路進行優化與集成，并將其安裝在X射線探頭內，將控制柜內的計算機采用由51單片機控制的數碼管顯示屏和開關按鈕組成的控制面板替代，從而縮小了控制柜的體積、極大地降低了設備的生產成本。優化設計后的簡易型X射線測厚儀系統結構如圖2所示。

圖2 簡易型X－射線測厚儀系統結構圖

2.2 工作原理

簡易型X－射線測厚儀系統與原有系統相比，數據采集與處理功能主要由高速單片機來完成。電氣控制部分由控制面板上的開關按鈕來實現，雖然電氣控制自動化程度有所降低，但并不影響整個系統的檢測功能。如圖3所示，系統開始工作時由控制面板啟動按鈕啟動系統，通過電機驅動前進與后退按鈕控制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和測量開關控制。測量時，X射線探測頭檢測到的信號直接由探頭內的數據采集處理模塊轉換為被測板材的厚度值送控制柜內的LED顯示屏和LED監控顯示屏顯示。由此可見，數據采集與處理功能的高速單片機系統設計是方案實現的關鍵。

圖3 控制面板布局圖

3 數據采集與處理模塊設計

3.1 硬件電路設計

X射線測厚儀系統要求對信號采樣精度高，速率快，同時還要求能完成數據的處理與運算功能?；谶@些因素，采用美國德州Silabs公司的混合信號SOC型8位高速單片機C8051F060。該單片機內部有2個由DMA控制的16位精度1Msps速率 的ADC和2個增強型UART串口，采用流水線式指令結構，運行速度可達25MIPS，能夠滿足系統設計要求［4，8］。

采用C8051F060單片機設計的數據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Vi經過高靈敏度的電流放大器U1放大調理后，經U2運算放大器構成的電壓跟隨器送到C8051F060單片機電壓采樣輸入通道Ain0，采樣后的數據直接在單片機內部進行處理運算后得到被測板材厚度值，通過增強型的串行口將厚度值送至MAX485通訊芯片轉換成RS485信號輸出到控制柜內的LED顯示屏和監控顯示屏顯示?？紤]到測厚儀使用一段時間后，因X射線強度、探頭的檢測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等一起構成調零與校準補償電路［5］。

3.2 軟件設計

采集與處理程序主要包括初始化子程序、數據處理子程序、厚度計算子程序、補償校準子程序和通訊子程序等。程序設計流程圖如圖5所示。初始化子程序主要是在數據采集與處理系統上電之初對單片機的模數轉換器ADC，通用輸入輸出端口GPIO和通訊等模塊按系統設計要求進行相應的初始設置;數據處理子程序將采集來的數據進行數字濾波和碼制轉換;測厚儀正常使用時不需要進行補償校準，經過一段時間使用必須進行補償校準以提高測量的精度，該功能由補償校準子程序實現;通訊子程序實現X射線探測頭數據采集處理模塊與LED顯示屏和監控顯示屏之間的數據傳輸。

數據采集采用外部事件信號啟動ADC轉換，數據處理子程序直接從數據RAM中讀取采集到的數據，經數字濾波等處理后送厚度計算子程序進行厚度計算。計算時將處理后的數值疊代入如下厚度計算公式，經過運算而得到被測板材厚度值［6］:

式中:h 為被測材料的厚度;k5，k4，k3，k2，k1，k0為不同材質板材的擬合系數;v0為X射線未經衰減時采樣電壓值;hbc為校準補償值。

4 試驗分析

X射線穿過同種板材時的衰減強度程度是非線性的。樣機調試時，先采用標準測試樣片進行測量，記錄數據并制成輔助文檔，然后采用專業軟件加載該文檔中的數據(圖6)。按照以上厚度計算公式，勾選相應系數項，對系數 k5，k4，k3，k2，k1，k0進行曲線擬合［5，7］，并將擬合得到的系數值(圖6中右下)設定到數據處理程序厚度計算子程序中。

圖4 數據采集處理模塊電路原理圖

圖5 采集與處理程序設計流程圖

圖6 系數擬合示意圖

再次啟動系統，對以上標準樣片重新進行測量以驗證測量的精確性。記錄測量結果并求出測量誤差示于表1中。

由表1數據可見，該簡易型X射線測厚儀測量0.1 ～1.0 mm 范圍內板材的誤差為 0.1% ～0.2%，1.0～2.0 mm 范圍的誤差在0.1%以內，這是由 X射線穿透衰減強度的非線性與測量范圍變化造成的。因數據采樣與處理過程是在X射線探頭由高速單片機實現，避免了X射線探頭檢測到的模擬信號長距離傳輸過程中的衰減、延遲和易受干擾等問題，同時也提高了系統的動態響應速度，達到良好的在線精確測量效果。

表1 測量精度記錄表

5 結語

采用高速單片機實現工業控制計算機在X射線測厚儀系統中的數據采集與處理功能，并對測厚儀系統結構進行簡化和集成設計，既滿足了低端用戶的實際需求，又降低了生產成本，提高了企業產品的競爭力，也彌補了該類產品的空缺。采用本方案設計的簡易型X射線測厚儀在平板生產線投運試用，能滿足生產要求的測量精度，且運行簡單可靠，維護方便，得到客戶的認可。

［1］閻子明.微機在X射線測厚儀中的應用［J］.自動化與儀表，1987(3):19－21.

［2］徐敏，張秀華，何代惠.M215型X射線測厚儀的工作原理剖析［J］.鋁加工，1999，22(3):23 －26.

［3］李純，陰科，湛華海.基于C8051F060的高可靠性數據采集系統的研制［J］.自動化技術與應用，2010，29(2):114－116.

［4］黃劍，凌睿.基于嵌入式系統的X射線探測與數據采集系統［J］.激光雜志，2007，28(5):83－84.

［5］湯代斌，李蔚森，楊浩.基于單片機的X射線測厚儀數據采集系統設計［J］.安徽工業大學學報，2013，30(2):174－177.

［6］官曉峰.提高X射線測厚儀測量精度的研究［D］.沈陽:東北大學，2003.

［7］于子金，周意俊，朱晶.基于厚度增強因子的X射線厚度測量模型［J］.寶鋼技術，2012(5):50－54，58.