基于γ射線管材壁厚連續(xù)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、基于射線管材壁厚連續(xù)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要由于管材的局部嚴(yán)重減薄會(huì)對管道的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，所以在管材的使用過程中，需要定期對管材的厚度進(jìn)行檢測。作為同位素儀表的一個(gè)分支，射線測厚儀在工業(yè)測量中也越來越多地發(fā)揮重要作用。射線測厚儀由放射源、探測器、信號處理電路這三部分組成。本設(shè)計(jì)是對管材的壁厚進(jìn)行連續(xù)檢測，其中采用虛擬儀器對射線測厚儀進(jìn)行控制，取代了傳統(tǒng)的單片機(jī)控制。主要有這兩方面的容：其一、射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。由于電流電離室出來的信號很微弱，需要運(yùn)用信號放大電路對其進(jìn)行放大后送給數(shù)據(jù)采集卡。其二、基于虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)。其號的處理將采用LabVIEW來完成。主要考慮信號的濾波和放大，接著

2、再進(jìn)行標(biāo)度變換，最后的管材壁厚值分別用波形圖和具體數(shù)值顯示。關(guān)鍵詞：同位素儀表；射線；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集卡； 40 / 45-ray-based measurement system for pipe wall thickness designAbstractAs a result of severe local thinning pipe pipeline would pose a threat to the safe operation, so the use of tubes, the need to regularly test the thickness of pipe. Instr

3、ument as a branch of the isotope, -ray thickness measurement in industry is also increasingly playing an important role. by -ray thickness gauge sources, detectors, signal processing circuit which is composed of three parts.The design of the wall thickness of pipe for continuous detection, in which

4、the use of virtual machines on the -ray Thickness Gauge control to replace the traditional single-chip control. There are two aspects: first, -ray thickness measurement system for hardware design. As the current from the ionization chamber signal is very weak, need to use their signal amplification

5、circuit to the data acquisition card. Second, based on virtual instrument software design. Signal processing which will be used to complete LabVIEW. The main consideration signal filtering and amplification, and then scaling to transform, the final value of the pipe wall thickness, respectively, and

6、 specific numerical waveform display.Key words: Isotope Instrumentation; -ray; virtual instrument; data acquisition card;目 錄摘要IAbstractII第一章 引言11.1 課題研究的背景和意義11.1.1 研究背景11.1.2 研究意義11.2 無損檢測技術(shù)11.2.1 無損檢測的概述11.2.2 無損檢測的方法21.2.3 無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢41.3 管材壁厚測量的方法41.3.1射線測厚儀41.3.2 超聲波測厚儀51.3.3射線測厚儀5第二章 透射式射線測厚儀7

7、2.1射線的簡述72.2射線與物質(zhì)相互作用的形式72.2.1 光電效應(yīng)72.2.2 康普頓效應(yīng)82.2.3 電子對效應(yīng)82.3射線測厚儀92.3.1 透射式射線測厚儀92.3.2 散射式射線測厚儀102.4 透射式射線測厚儀的組成102.4.1 放射源112.4.2 探測器112.5 透射式射線測厚儀的工作原理12第三章 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)143.1 硬件基本結(jié)構(gòu)143.2Cs放射源143.3 電流電離室153.4 信號放大電路163.5 PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡173.5.1 數(shù)據(jù)采集卡的概述173.5.2 PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的組成183.5.3 PCI-6221數(shù)據(jù)采

8、集卡的規(guī)格與其引腳圖183.6 數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的通信193.7 本章小結(jié)20第四章 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)214.1 虛擬儀器簡介214.2 虛擬儀器的組成224.2.1 硬件結(jié)構(gòu)224.2.2 軟件結(jié)構(gòu)234.3 虛擬儀器的基本工作原理與特點(diǎn)244.4 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的軟件框圖244.5 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)254.6 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)軟件框圖程序274.6.1 數(shù)據(jù)采集274.6.2 濾波284.6.3 放大294.6.4 顯示與報(bào)警294.6.5 數(shù)據(jù)存儲304.6.6 數(shù)據(jù)讀取314.7 本章小結(jié)32第五章 調(diào)試與總結(jié)335.1 調(diào)試335.2 總結(jié)與

9、展望335.2.1 總結(jié)335.2.2 展望34參考文獻(xiàn)35附錄虛擬射線連續(xù)測厚系統(tǒng)框圖程序37致38第一章 引 言1.1 課題研究的背景和意義1.1.1 研究背景2006年1月31和2月15日某熱電廠B4水冷壁管連續(xù)發(fā)生破裂事故，事后對水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析、宏觀分析、斷口微觀分析與硬度檢驗(yàn)，結(jié)果表明，水冷壁管的破裂是由于向火面管側(cè)發(fā)生蒸汽腐蝕和氫腐蝕，使得管壁減薄所致。根據(jù)介質(zhì)特性與工藝條件的不同，金屬管道在使用過程中，其整體或局部可能受到腐蝕、沖蝕、磨損等破壞性作用，使管壁逐漸減薄。緩慢的均勻減薄對管道的安全運(yùn)行影響不大，局部的非均勻減薄會(huì)影響管道的強(qiáng)度，嚴(yán)重的局部減薄則會(huì)對管道的安全

10、運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此對在役金屬管道、尤其是壓力管道進(jìn)行定期檢測時(shí)均把壁厚檢測作為主要的檢測項(xiàng)目之一。1.1.2 研究意義對在役金屬管道進(jìn)行壁厚檢測的主要目的是為了探測管道在使用過程中壁厚的減薄程度，并依此推測壁厚減薄速度、在一定時(shí)期的減薄總量，通過計(jì)算分析判定剩余壁厚能否滿足強(qiáng)度與使用壽命的要求。1.2 無損檢測技術(shù)1.2.1 無損檢測的概述隨著監(jiān)督檢測手段的不斷完善，檢測儀器的不斷發(fā)展，質(zhì)量監(jiān)督檢測工作的科技含量也在不斷增加。無損檢測就是建立在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)之上監(jiān)督檢測技術(shù)。無損檢測技術(shù)(NDT)是在不損害材料/工件使用性能的前提下，用于檢測其特征質(zhì)量，確定其是否已達(dá)到特定的工程技術(shù)要求，是否還

11、可以繼續(xù)服役的方法，它是檢驗(yàn)產(chǎn)品的質(zhì)量、保證產(chǎn)品安全、延長產(chǎn)品壽命的必要的可靠技術(shù)手段。它有著比常規(guī)檢測方法更為突出的特點(diǎn)：非破壞性、隨機(jī)性、遠(yuǎn)距離探測、現(xiàn)場檢測，且檢測數(shù)據(jù)可連續(xù)性采集，并通過數(shù)理分析和邏輯判斷，能夠比較準(zhǔn)確地推定出質(zhì)量的狀況，從而彌補(bǔ)了以往質(zhì)量監(jiān)督檢測中單純以“查、看、審、量”的觀感檢查和外形質(zhì)量控制偏差來推與工程質(zhì)量優(yōu)劣的做法，使監(jiān)督檢測的結(jié)果更具有真實(shí)性、科學(xué)性和權(quán)威性。1.2.2 無損檢測的方法經(jīng)過各國科技工作者的不懈努力，無損檢測技術(shù)得到了很大的進(jìn)展，目前形成了五種常規(guī)的無損檢測的方法，即超聲檢測(Ultrasonic)、射線檢測(Radiographic)、渦流檢

12、測(EddyCurrent)、磁粉檢測(Magnetic Particle)、滲透檢測(Penetrant)。1）超聲檢測超聲檢測利用的是超聲波在介質(zhì)中傳播的特點(diǎn)。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播超聲時(shí)，在不同性質(zhì)的介面將發(fā)生反射、折射和復(fù)雜的波型轉(zhuǎn)換，使超聲波被吸收和散射，檢測、分析反射信號后透射信號即可實(shí)現(xiàn)對缺陷的檢測。超聲檢測具有很多優(yōu)點(diǎn)：具有很強(qiáng)的穿透力，并且對于很小的傷痕，也能夠準(zhǔn)確地檢測出并進(jìn)行定位，同時(shí)，配以一些自動(dòng)掃描裝置與微處理器計(jì)算機(jī)的設(shè)備，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用則更為完善和豐富。但該技術(shù)對操作者有較高的要求，對于一個(gè)很大的檢測，一次只能檢測很小的一部分。2）射線檢測射線的種類有很多，如x射線

13、、射線等。選擇什么樣的射線取決于待測物體材料的厚度。檢測時(shí)，射線靠近試樣，射線與物質(zhì)的原子將發(fā)生復(fù)雜的相互作用，導(dǎo)致透射射線強(qiáng)度衰減，而缺陷部位對射線的衰減不同于無缺陷的部位，由膠片捕捉記錄透射射線的強(qiáng)度。膠片經(jīng)過處理得到了圖像，進(jìn)行靈敏的實(shí)時(shí)監(jiān)測，但射線對人體有害。因此操作者除了必須懂得操作規(guī)程外，還應(yīng)有有效的保護(hù)措施與警告信號。3）渦流檢測渦流檢測有一定的局限性，僅能用于導(dǎo)體的電磁技術(shù)。渦流檢測是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)電材料在變交磁場作用下將產(chǎn)生渦流，導(dǎo)電材料的表面層和近表面層的缺陷會(huì)影響產(chǎn)生渦流的大小和分布。當(dāng)電磁線圈移到金屬物的表面，渦流就導(dǎo)入試樣中。這種由電流所建立起來的磁場剛好與原磁

14、場的方向相反。由于損傷的存在以與材料部的缺陷，渦流必將發(fā)生畸變，線圈的阻抗將因此而發(fā)生變化。通過儀器測量阻抗的變化，進(jìn)一步分析并研究材料的缺陷和損傷。4）磁粉檢測磁粉檢測的原理是利用損傷會(huì)改變磁力線的分布情況，從而顯現(xiàn)材料的缺陷。當(dāng)磁性材料工件磁化時(shí)，在工件表面和近表面的缺陷處將產(chǎn)生漏磁場，這些漏磁場可以吸引磁粉，磁粉的痕跡可以顯示缺陷的位置、形狀和尺寸?，F(xiàn)在可供使用的磁粉種類繁多，可依據(jù)要求來選擇。該檢測方法主要用于材料表面的探傷，有時(shí)也可用于淺表面的損傷。但隨著損傷的深度和類型的變化，其有效性會(huì)受到極大的影響，值得注意的是試樣表面的不平和劃痕也會(huì)對磁力線的走向產(chǎn)生影響。因而，在應(yīng)用這種方法

15、時(shí)，應(yīng)先對表面進(jìn)行處理。5）滲透檢測滲透檢測采用滲透劑滲入工件表面開口缺陷，在清除工件表面的滲透劑后，從缺陷滲入的滲透劑可顯示缺陷的位置、形狀和大小。滲透劑有熒光滲透劑和著色滲透劑兩種。滲透檢測可用于表面穿透性裂紋的檢測，具有簡便、快捷、可靠等特點(diǎn)。但在檢測前必須清潔工件，以消除滲透油和顯影液的污染。隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無損檢測技術(shù)也得到飛速發(fā)展，不僅超聲、射線等傳統(tǒng)的檢測技術(shù)青春長存，而且還產(chǎn)生了像激光全息干涉、電子剪切成像、激光超聲、紅外、聲發(fā)射、微波、遠(yuǎn)場渦流、電磁超聲、磁記憶、超聲相控陣等眾多的無損檢測新方法、新技術(shù)。1.2.3 無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢第十五屆世界無損檢測會(huì)議

16、(WCNDT)肯定了無損檢測技術(shù)未來的發(fā)展趨勢向無損評價(jià)(NDE:Non-Destructive Evaluation)方向發(fā)展。無損檢測不但要在不損傷被檢對象使用性能的前提下，探測其部或表面的各種宏觀缺陷，判斷缺陷的位置、大小、形狀和性能，還應(yīng)能對被評價(jià)對象的固有屬性、功能、狀態(tài)和發(fā)展趨勢(安全性和剩余壽命)等進(jìn)行分析、預(yù)測，并做出綜合評價(jià)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、電子測量技術(shù)的發(fā)展為無損檢測技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。無損檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用將呈現(xiàn)數(shù)字化、高智能化、自動(dòng)化等特點(diǎn)。1.3 管材壁厚測量的方法在工業(yè)生產(chǎn)中常用來連續(xù)測量產(chǎn)品厚度(如鋼板、鋼帶、紙等)的儀表中有利用射線、射線、

17、射線穿透特性的放射性厚度計(jì)；有利用超聲波頻率變化的超聲波厚度計(jì)；有利用渦流原理的電渦流厚度計(jì)；還有x射線測厚儀、電容式厚度計(jì)、微波厚度計(jì)和激光厚度計(jì)等。其中在工業(yè)上常用來測量管材壁厚的方法有：x射線測厚儀、超聲波測厚儀、射線測厚儀。1.3.1 射線測厚儀x射線是波長介于紫外線和 射線間的電磁輻射。由德國物理學(xué)家W.K.倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)，故又稱倫琴射線。實(shí)驗(yàn)室中x射線由x射線管產(chǎn)生，x射線管是具有陰極和陽極的真空管，陰極用鎢絲制成，通電后可發(fā)射熱電子，陽極（就稱靶極）用高熔點(diǎn)金屬制成（一般用鎢，用于晶體結(jié)構(gòu)分析的x射線管還可用鐵、銅、鎳等材料）。用幾萬伏至幾十萬伏的高壓加速電子，電子束轟擊靶

18、極，x射線從靶極發(fā)出。電子轟擊靶極時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，故靶極必須用水冷卻，有時(shí)還將靶極設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)動(dòng)式的。 x射線測厚儀的測厚原理是：根據(jù)x射線穿透被測物時(shí)的強(qiáng)度衰減來進(jìn)行轉(zhuǎn)換測量厚度的，即測量被測物所吸收的x射線量，根據(jù)該x射線的能量值，確定被測件的厚度。x射線測厚儀的優(yōu)點(diǎn)：透視靈敏度高；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡潔、部件更換快速、簡單，便于維護(hù)；厚度測量不受材料形狀限制；缺點(diǎn)：費(fèi)用高，透照厚度較射線小，有安全防護(hù)要求，還需要恒溫冷卻系統(tǒng)。1.3.2 超聲波測厚儀利用超聲波脈沖反射原理，通過發(fā)射的超聲波脈沖至涂層/基材，計(jì)算脈沖通過涂層/基材界面反射回發(fā)射器所花的時(shí)間來計(jì)算涂層的厚度。儀器通過一個(gè)發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波

19、進(jìn)入涂層，振動(dòng)波會(huì)穿透涂層，遇上不同力學(xué)性能的材料(如基材)時(shí)，振動(dòng)波會(huì)在不同材料的界面部分反射和傳遞。反射部分會(huì)被感應(yīng)器接收，傳遞的振動(dòng)波繼續(xù)傳遞到底材，同樣經(jīng)歷著所有材料界面間的反射、傳遞過程。傳感器將反射波轉(zhuǎn)換成電信號，這些信號會(huì)被儀器數(shù)碼化，數(shù)碼化反射波被分析后，便得到振蕩波所花的確切傳遞時(shí)間。超聲波測厚儀的優(yōu)點(diǎn)：超聲波測厚儀一般都具有超輕超薄機(jī)身，便于單手操作；測量精度高；有背景燈光，使得在各種環(huán)境下清晰可視；低功耗，兩節(jié)干電池可使用200小時(shí)以上；對人體無害；適合測量所有導(dǎo)聲材料，如鋼、鐵、塑料、瓷、有機(jī)玻璃等。缺點(diǎn)：對工件表面要求高；受到被測物周圍溫度的影響大；使用時(shí)間長了，探頭

20、接觸面會(huì)有一定程度的磨損。1.3.3 射線測厚儀射線測厚儀在對物體進(jìn)行厚度測量時(shí)，一般有兩種方法：一種是透射式射線測厚儀，另一類是散射式射線測厚儀。但無論是用哪種方法對物體進(jìn)行厚度檢測，其基本原理都是一樣的。當(dāng)射線穿透物質(zhì)后由于和被測物發(fā)生相互作用，使得入射前后的射線強(qiáng)度不同。通過檢測入射后的射線強(qiáng)度就可以得出被測物的厚度值。這就是射線測厚儀的基本原理。工業(yè)上廣泛采用人工同位素產(chǎn)生射線，由于射線的波長比x射線更短，所以具有更大的穿透能力。射線測厚儀的優(yōu)點(diǎn)是：能量穩(wěn)定，比X射線有更高的能量；作為射線源比x射線價(jià)廉；探測厚度大，穿透能力強(qiáng)；體積小，重量輕，特別適用于野外工作和在用設(shè)備的檢測；可以連

21、續(xù)運(yùn)行，且不受壓力、磁場等外界條件影響。缺點(diǎn)：固有不清晰度一般來說比x射線大；對安全防護(hù)要求高，管理嚴(yán)格。第二章 透射式射線測厚儀2.1 射線的簡述射線首先由法國科學(xué)家P.V.維拉德發(fā)現(xiàn)，是繼、射線后發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線。射線是因核能級間的躍遷而產(chǎn)生，原子核衰變和核反應(yīng)均可產(chǎn)生射線 。它具有比x射線還要強(qiáng)的穿透能力。當(dāng)射線通過物質(zhì)并與原子相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和正負(fù)電子對三種效應(yīng)。射線是一種強(qiáng)電磁波，它的波長比x射線還要短，一般波長0001納米。在原子核反應(yīng)中，當(dāng)原子核發(fā)生、衰變后，往往衰變到某個(gè)激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子核仍是不穩(wěn)定的，并且會(huì)通過釋放一系列能量使其躍遷到穩(wěn)定的狀

22、態(tài)，而這些能量的釋放是通過射線輻射來實(shí)現(xiàn)的，這種射線就是射線。射線具有極強(qiáng)的穿透本領(lǐng)。當(dāng)人體受到射線照射時(shí)，射線可以進(jìn)入到人體的部，并與體細(xì)胞發(fā)生作用，破壞人體部的正常生理過程。所以當(dāng)運(yùn)用射線時(shí)，必須做好防護(hù)工作。2.2 射線與物質(zhì)相互作用的形式在理解射線測厚儀的工作原理之前，必須了解光子與物質(zhì)相互作用的多種形式，對于射線測厚儀所用的放射源因其能量最高不超過2MeV（兆電子伏特），則其形式主要有以下三種： 2.2.1 光電效應(yīng)原子吸收了光子的全部能量，當(dāng)光子的能量大于殼層電子的束縛能時(shí)，電子發(fā)射出去，在殼層上形成電子空位，光子本身消失，原子處于激發(fā)態(tài)，在退激的過程中發(fā)射出殼層電子叫光電子，這一

23、過程叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)作用幾率用光電截面表示。作用截面的大小與射線的能量和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，即 (2-1) (2-2)為光子能量，為殼層光電效應(yīng)截面，Z為物質(zhì)原子序數(shù)，、分別為電子靜止質(zhì)量和光速?？偣怆娊孛娴挠?jì)算公式為： (2-3)2.2.2 康普頓效應(yīng)光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性散射的過程稱為康普頓效應(yīng)，在此過程中光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使之脫離原子，散射光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生變化?？灯疹D效應(yīng)與光電效應(yīng)不同，光電效應(yīng)中，光子本身消失，能量完全轉(zhuǎn)移給電子，主要發(fā)生在原子核的層電子，而康普頓效應(yīng)總是發(fā)生在外層電子，且光子只是失去一部分能量。散射光子能量的計(jì)算公式為： (2-4)

24、其中為散射光子的散射角。康普頓散射截面當(dāng)時(shí)與原子序數(shù)Z成正比，與入射光子能量無關(guān)；當(dāng)時(shí)截面與原子序數(shù)Z成正比而近似地與成反比。2.2.3 電子對效應(yīng)據(jù)能量守恒定律，只有即時(shí)才能發(fā)生光電效應(yīng)，入射光子的能量除一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎⒇?fù)電子對的靜止能量（小于）外，其余的作為它們的動(dòng)能。在電子對運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的正電子與負(fù)電子一樣在物質(zhì)過電離損失和輻射損失消耗動(dòng)能被慢化，最后一個(gè)正電子與吸收體中的電子相互作用轉(zhuǎn)化為能量一樣、方向相反的兩個(gè)光子，這一過程稱為電子對湮沒。電子對效應(yīng)截面p與光子能量Er的關(guān)系：當(dāng)稍大于時(shí)， (2-5)當(dāng)時(shí)， (2-6)由以上可以得出：1) 對于低能射線和高Z的吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)

25、勢；2) 對于中能射線和低Z的吸收物質(zhì)，康普頓散射占優(yōu)勢；3) 對于高能射線和高Z的吸收物質(zhì)，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。2.3 射線測厚儀射線測厚儀按照測量的方法可以分成兩類：其中一類是透射式射線測厚儀，另一類是散射式射線測厚儀。2.3.1 透射式射線測厚儀透射式射線測厚儀是直接測量射線穿透物質(zhì)后強(qiáng)度變化的儀表。其特點(diǎn)是放射源和探測器分別置于被測物體的兩側(cè)。由于物質(zhì)的吸收射線穿透物質(zhì)后強(qiáng)度要降低，降低的程度與物體的厚度、密度與成分有關(guān)。因此，在其中一個(gè)因素發(fā)生改變而其他條件不變時(shí)，探測器測得的射線強(qiáng)度便僅和變化的因素有關(guān)，可用于測量與之有關(guān)的參數(shù)。透射式厚度計(jì)應(yīng)用十分廣泛，可以無接觸、迅速、精確、連續(xù)

26、的自動(dòng)檢測和控制紙、塑料、各種金屬板材、電影膠片或其他板狀材料的厚度。2.3.2 散射式射線測厚儀散射式射線測厚儀是測量被物質(zhì)散射或反射的射線強(qiáng)度的儀表。其特點(diǎn)是放射源和探測器置于被測物體的同一側(cè)。由于射入物質(zhì)的射線與被測物體的相互作用，其中一部分射線被散射。射入探測器的射線強(qiáng)度與放射源至被測物體的距離以與被測物體的成分、密度、厚度、表面狀態(tài)等因素有關(guān)。與透射式射線測厚儀一樣，在其它條件不變的情況下，只改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí)，測得的反散射射線強(qiáng)度就僅隨著這個(gè)參數(shù)變化了。散射式射線測厚儀主要用于透射式射線測厚儀不能運(yùn)用的場合，例如，被測材料很寬、很大、很厚或另一側(cè)不可能安裝儀表或者不易接近的情況下。

27、散射式射線測厚儀也具有非破壞、無接觸的特點(diǎn)。但比起透射式射線測厚儀，在同樣的放射源強(qiáng)度與探測器情況下，信號要小一至兩個(gè)信號級，同時(shí)對幾何位置更加敏感，同樣精度要求下比透射式射線測厚儀更難達(dá)到要求。上述分別對兩種類型的射線測厚儀進(jìn)行了介紹，通過比較本設(shè)計(jì)采用透射式射線測厚儀。 2.4 透射式射線測厚儀的組成本設(shè)計(jì)是基于射線的管材壁厚連續(xù)測量系統(tǒng)，所以需要先設(shè)計(jì)一個(gè)射線測厚儀。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)出透射式射線測厚儀的基本結(jié)構(gòu)如下圖2.1所示：圖2.1 透射式射線測厚儀結(jié)構(gòu)圖透射式射線測厚儀的組成包括：放射源、探測器和信號處理這三大部分。2.4.1 放射源產(chǎn)生射線的裝置或物質(zhì)叫放射源。射線與、射線

28、相比較，穿透力最強(qiáng)，它常用于對較硬的物質(zhì)諸如鋼、鋁、塑料等材料的厚度測量。目前在國外使用的幾種射線源有137Cs（銫-137）、60Co（鈷-60）、241Am（镅-241）等幾種放射性同位素。2.4.2 探測器探測器可分為兩類：計(jì)數(shù)器。有電離室、正比計(jì)數(shù)器 、蓋革-米勒計(jì)數(shù)器 、閃爍計(jì)數(shù)器、切倫科夫計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體探測器等。它的目的主要是用來記錄粒子的數(shù)目。一般要求計(jì)數(shù)器具有一定的時(shí)間分辨率，即先后兩個(gè)粒子射入計(jì)數(shù)器可分辨的時(shí)間。通常計(jì)數(shù)器常與定標(biāo)電路和符合電路聯(lián)合使用。定標(biāo)電路是一種將脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)制的電路，通過計(jì)數(shù)器與定標(biāo)電路的聯(lián)用，可對粒子快速計(jì)數(shù) ；符合電路是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的計(jì)數(shù)管同電子

29、線路配合而成，它可以專門只記錄那些使計(jì)數(shù)管協(xié)同動(dòng)作的粒子，而對于只使一個(gè)計(jì)數(shù)管動(dòng)作的粒子不作反應(yīng)，從而記錄所需尋找的粒子。徑跡探測器。有云室、氣泡室、流光室、火花室、多絲正比室、核乳膠等。它可以顯示粒子穿行的徑跡。徑跡探測器配以適當(dāng)?shù)拇艌?，可根?jù)徑跡的長短、粗細(xì)、彎曲的方向和彎曲的曲率半徑推測出粒子的電荷、質(zhì)量和能量。2.5 透射式射線測厚儀的工作原理射線在通過物質(zhì)時(shí)，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)的作用而被吸收。然而射線在通過物質(zhì)時(shí)，只是強(qiáng)度逐漸減弱，沒有與物質(zhì)發(fā)生過相互作用的光子穿過吸收層時(shí)其能量保持不變，因此沒有射程的概念。射線通過物質(zhì)后強(qiáng)度的變化是按指數(shù)衰減的關(guān)系式：(2-7)射

30、線入射被測物質(zhì)前的射線強(qiáng)度；射線入射被測物質(zhì)后的射線強(qiáng)度；被測物質(zhì)的厚度；被測物質(zhì)的吸收系數(shù)；自然對數(shù)底數(shù)；在上式中吸收系數(shù)是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)等作用之總和，若分別考慮每種作用的影響則總吸收系數(shù)u可以用下式表達(dá)：(2-8)光電吸收系數(shù)；康普頓吸收系數(shù)；電子對吸收系數(shù)；探測器測得的射線強(qiáng)度與吸收體厚度的關(guān)系為：(2-9)被測材料對射線的質(zhì)量吸收系數(shù)；被測材料的質(zhì)量厚度；被測材料的密度；經(jīng)過簡單的推導(dǎo)可以得到：(2-10)對一定材料即可以確定和，只要測得和即可以計(jì)算出材料的厚度，這就是透射式射線測厚儀的基本原理。第三章 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件基本結(jié)構(gòu)透射式射線連續(xù)

31、測厚系統(tǒng)的基本硬件方框圖如下圖3.1所示：圖3.1 透射式射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的基本硬件方框圖放射源選擇137Cs，探測器選用電流電離室，數(shù)據(jù)采集卡使用PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡。在信號送往數(shù)據(jù)采集卡前，需要對從電流電離室出來的信號進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成電壓信號才能夠送給數(shù)據(jù)采集卡，所以需要加個(gè)放大電路來滿足所需要的要求。3.2 Cs放射源137Cs的半衰期為30年，衰變時(shí)主要發(fā)射平均能量為0.662 MeV的輻射。137Cs的測厚圍為1047*104mg/cm2。常溫下為固態(tài)，毒性分組為中毒組。 放射源封裝于不銹鋼管，再裝入帶閘塞的鉛屏蔽容器。其基本結(jié)構(gòu)圖如下圖3.2所示：圖3.2 137Cs放射

32、源的基本結(jié)構(gòu)圖3.3 電流電離室電離室有兩類：一類是，測量單個(gè)入射離子的稱為脈沖電離室，這在測厚儀表中很少應(yīng)用。另一類是，測量大量離子產(chǎn)生的平均累積效應(yīng)，稱為電流電離室，這是測厚儀表中最常用的一種探測器。這種探測器的最大優(yōu)點(diǎn)是測量圍寬、穩(wěn)定性好、壽命長。但輸出信號為直流微弱電流，測量儀表易受到外界的干擾。溫度漂移與長期漂移是影響測量精度的主要因素。本設(shè)計(jì)采用的是電流電離室。電離室的構(gòu)造比較簡單，可以說就是兩個(gè)收集電荷的電極，并在電離室中充以一定壓力的氣體。兩個(gè)電極可以由兩塊平行板組成，也可以做成圓柱形，外圍的圓柱為一個(gè)電極。中心由圓棒、圓筒或細(xì)絲形成另一個(gè)電極。此外還可以做成球形。上述各種結(jié)構(gòu)

33、的電離室分別稱之為平行板電離室、圓柱形電離室和球形電離室。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)需要來決定結(jié)構(gòu)形式。圖3.3 電流電離室結(jié)構(gòu)圖電流電離室的結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。當(dāng)射線穿過電離室靈敏區(qū)時(shí)，由于射線與工作氣體作用產(chǎn)生次級電子，次級電子引起室氣體電離，生成正負(fù)離子對，在電場的作用下，正負(fù)離子對分別向所加電壓極性相反的方向漂移，產(chǎn)生電離電流I=eN，N為在電離室中單位時(shí)間產(chǎn)生的平均離子對數(shù)。電流經(jīng)常是很微弱的，例如，一個(gè)空氣電離室，設(shè)入射粒子能量為5.3 MeV，n=4×3.7×104個(gè)/s，如果粒子能量全部損失在電離室中，則電離電流為3.5×10-9A。對于這樣小的電流，是無

34、法直接用普通的電流表測量的，常用的是集成運(yùn)放或場效應(yīng)管組成的弱電流放大器，它把電離電流在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的電壓降放大后測量。由于電離電流很小，為了得到足夠的電壓降，RL值應(yīng)取得特別高。3.4 信號放大電路由于從電離室出來的電壓信號比較微弱，需要經(jīng)過放大后才能夠把信號傳給PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，所以需要對從電離室出來的電流信號進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)選用的放大電路如下圖3.4所示：圖3.4 信號放大電路其輸入與輸出的關(guān)系如下式3.1所示： (3.1)3.5 PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡3.5.1 數(shù)據(jù)采集卡的概述在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁

35、。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采集或產(chǎn)生信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。通常，必須在數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集之前調(diào)制傳感器信號,包括對其進(jìn)行增益或衰減和隔離等。數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。3.5.2 PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的組成數(shù)據(jù)采集卡主要由以下四個(gè)部分組成：1)多路開關(guān)多路開關(guān)將多路信號輪流切換到放大器的輸入端，以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多

36、路信號的分時(shí)采集。2)放大器放大器將待采集的信號放大或衰減至采樣環(huán)節(jié)的量程圍。在實(shí)際系統(tǒng)中，放大器的增益通常是可調(diào)的，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號幅值的大小選擇不同的增益倍數(shù)。3)采樣保持器采樣保持器取出待測信號在某一瞬時(shí)的值，即實(shí)現(xiàn)信號的時(shí)間離散化，并在A/D轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變。如果被測信號變化很慢，也可不用采樣保持器。4)A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，通常將采樣保持器同A/D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個(gè)部分都處在計(jì)算機(jī)的前向通道上，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要部分。其他相關(guān)電路，如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、總線接口電路等，也集成在一塊電路

37、板上，以完成對信號的采集、放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。很多數(shù)據(jù)采集卡電路板上還裝有數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A)，它處在計(jì)算機(jī)的后向輸出通道上，用于將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。3.5.3 PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)格與其引腳圖PCI- 6221是NI公司推出的M系列低價(jià)位多功能數(shù)據(jù)采集卡，它的主要規(guī)格是：具有2路的模擬輸出，16路模擬輸入；分辨率為16Bit；采樣率為250 kS/s； AI、AO通道可承受的最大電壓圍是-10伏到10伏。下圖3.5為其管腳圖。圖3.5 PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的引腳圖3.6 數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的通信PCI是Peripheral Com

38、ponent Interconnect(外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))的縮寫，是Intel公司1991年推出的用于定義局部總線的標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時(shí)鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時(shí)取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。PCI插槽是基于PCI局部總線的擴(kuò)展插槽，其顏色一般為乳白色，位于主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。其位寬為32位或64位，

39、工作頻率為33MHz,最大數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位)。可插接顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、置Modem、置ADSL Modem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、電視卡、視頻采集卡以與其它種類繁多的擴(kuò)展卡。PCI插槽是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎所有功能，是名副其實(shí)的“萬用”擴(kuò)展插槽。而PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡則就是插放在PCI插槽，連通了數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)，使得計(jì)算機(jī)可以讀取采集卡所采集的數(shù)據(jù)。3.7 本章小結(jié)以上是透射式射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的硬件部分。137Cs放射源提供了能量，而電流電離室則

40、是分析放射源在入射被測物體前后，能量的損耗量。再通過微小電流放大電路，將從電流電離室出來的微弱電壓信號給予放大，再將放大后的電壓信號傳給PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡。最后用數(shù)據(jù)采集卡連接本設(shè)計(jì)的硬件部分和軟件部分。第四章 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 虛擬儀器簡介LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的圖形化編程語言，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析，以與數(shù)據(jù)表達(dá)等方面，它提供了一種全新的程序編寫方法，即對稱之為“虛擬儀器”（Virtual Instruments簡稱VI）的軟件對象進(jìn)行圖形化的組合操作，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能支持

41、，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件與數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程與使用過程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語

42、言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲，甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察

43、程序中的數(shù)據(jù)與其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更快捷。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測試儀器，開發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)；測試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充分保證；具有很高的性能價(jià)格比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴(kuò)充。本設(shè)計(jì)介紹目前虛擬儀器的主流開發(fā)工具LabVIEW8.5，該軟件提供了非常豐富的數(shù)據(jù)采集和數(shù)學(xué)分析函數(shù)和工具，具有創(chuàng)造力的圖形語言（G語言）開發(fā)環(huán)境，使得程序的編輯、調(diào)試等都非常方便，快捷，高效。從而擺脫了基于文本編程語言的繁雜的變量命名，文本編輯與修改與復(fù)雜的程序調(diào)試過程，使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的測試技術(shù)或儀器的開發(fā)人員也可以開發(fā)出一流的測試系統(tǒng)或測量儀器。4.2 虛擬儀器的組成4.

44、2.1 硬件結(jié)構(gòu)虛擬儀器由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）和應(yīng)用軟件兩大部分組成。目前常用的虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種，如圖4.1所示。圖4.1 虛擬儀器的構(gòu)成框圖PC-DAQ系統(tǒng)：它是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用PCI或ISA計(jì)算機(jī)本身的總線，故將數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。GPIB系統(tǒng)：它是以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)：它是以VXI(VME eXtension For Instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)

45、。PXI系統(tǒng)：以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。串口系統(tǒng)：它是以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。無論上述哪種VI系統(tǒng)組成一臺虛擬儀器后，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合，其中，PC-DAQ系統(tǒng)是構(gòu)成VI的最基本的方式，也是最廉價(jià)的方式。而本設(shè)計(jì)采用的是PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，故采用的是PC-DAQ系統(tǒng)。4.2.2 軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成：應(yīng)用程序和I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。(1) 應(yīng)用程序應(yīng)用程序含兩個(gè)方面：一方面是實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序；另一方面是定義測試功能的流程圖軟件程序。(2)

46、 I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信。開發(fā)虛擬儀器必須有合適的軟件工具，目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩類：文本式編程語言如Visual C+、Visual BASIC、LabWindows/CVI等；圖形化編程語言如LabVIEW、HPVEE等。這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計(jì)虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。本設(shè)計(jì)使用圖形化編程語言LabVIEW8.5版本。4.3 虛擬儀器的基本工作原理與特點(diǎn)虛擬儀器是利用計(jì)算機(jī)和一組專用軟件，加上硬件設(shè)備，以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，建立中英文界面的虛擬儀

47、器面板，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示，形成既有普通儀器的功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。從虛擬儀器的組成和結(jié)構(gòu)，可以看出虛擬儀器具有以下特點(diǎn)：(1) 可以由用戶定義測量功能。虛擬儀器是一種軟件化的測量裝置，用戶可以通過軟件定義一臺虛擬儀器和虛擬面板，然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，計(jì)算機(jī)就像一臺萬用的儀器一樣，只要改變軟件就可以改變它的功能。虛擬儀器不需要大量的開關(guān)、連接線和按鍵，要改變功能只需通過軟件構(gòu)成虛擬面板，由用戶自行定義儀表的用途以與控制、顯示方式?？梢哉f虛擬儀器完全是一種由用戶自己組裝，自己選擇功能的一種儀器。(2) 虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作。虛擬儀器一般運(yùn)行于Wi

48、ndows環(huán)境，因此可以同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)對象，組成一個(gè)測量系統(tǒng)。例如可以同時(shí)測量電壓數(shù)值、波形以與對波形進(jìn)行頻譜分析，而且建立系統(tǒng)速度快，無需像傳統(tǒng)儀表那樣，要組成一個(gè)測量系統(tǒng)，不但需要許多專用儀器，而且需要將這些專用儀器進(jìn)行復(fù)雜的連接才能完成。(3) 虛擬儀器的研究周期比傳統(tǒng)儀器大為縮短。(4) 虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)與其它周邊設(shè)備互聯(lián)。4.4 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的軟件框圖本設(shè)計(jì)的軟件框圖如下圖4.2所示：圖4.2 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的軟件框圖首先是由數(shù)據(jù)采集卡采集信號，接著將信號進(jìn)行濾波放大處理，再將處理后的信號進(jìn)行標(biāo)度變換，標(biāo)度變換后用波形圖和數(shù)值兩種形式顯示，如

49、果最后的厚度值沒有在上、下限圍之，則報(bào)警提示。為了以后能夠方便的讀取之前的測量結(jié)果，本設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。4.5 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分兩部分：一部分是硬件部分，一部分是軟件部分。本設(shè)計(jì)中軟件部分擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、上下限報(bào)警、數(shù)據(jù)的存儲與讀取等重要任務(wù)。軟件設(shè)計(jì)用LabVIEW8.5實(shí)現(xiàn)，其程序前面板如圖4.3(a)和4.3(b)所示，其總框圖程序如附錄所示。圖4.3(a) 射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的前面板由圖4.3(a)可以看出，本設(shè)計(jì)的射線連續(xù)測厚系統(tǒng)前面板有四個(gè)圖形顯示控件，分別是原始信號波形圖、濾波后的信號波形圖、放大后的信號波形圖以與厚

50、度曲線圖。這四個(gè)信號波形顯示圖，分別顯示著信號在各個(gè)時(shí)刻的情況，有利于檢測人員對各個(gè)時(shí)刻的信號進(jìn)行分析處理。圖4.3(b) 數(shù)據(jù)查詢的前面板圖4.3(b)是數(shù)據(jù)查詢的前面板圖，當(dāng)需要查詢某一時(shí)段的的數(shù)據(jù)時(shí)，只需要在檢索條件里輸入想要查詢的時(shí)間段，點(diǎn)擊查詢。在表格中就會(huì)出現(xiàn)按時(shí)間先后順序排列的數(shù)據(jù)。4.6 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)軟件框圖程序4.6.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集程序是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的至關(guān)重要的部分。只有信號被采集了，才能夠進(jìn)行接下去的各個(gè)信號處理部分。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集框圖程序如下圖4.4所示圖4.4數(shù)據(jù)采集程序4.6.2 濾波在信號傳輸過程中，經(jīng)常會(huì)混入高頻噪聲，噪聲的能量甚至?xí)^信號的能量

51、，接收端收到信號后，通常首先要進(jìn)行濾波，然后才能進(jìn)一步對信號進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)采用的濾波器如下圖4.5(a)所示：圖4.5(a) 帶通濾波器說明圖 本設(shè)計(jì)對信號的濾波處理程序如下圖4.5(b)所示：圖4.5(b) 信號濾波處理程序本設(shè)計(jì)在帶通濾波器的高截止頻率和低截止頻率分別引出一個(gè)輸入控件以便在前面板的操作中，能夠方便快捷的對高截止頻率和低截止頻率進(jìn)行調(diào)整。把濾波后的信號再進(jìn)行波形圖顯示，與原始信號進(jìn)行對比。濾波后，把信號轉(zhuǎn)換成數(shù)組的形式，再將信號傳給放大器。此過程是用如下圖4.5(c)所示的框圖程序?qū)崿F(xiàn)的：圖4.5(c) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)組框圖程序4.6.3 放大濾波后的信號再進(jìn)行放大，并把

52、放大后的信號進(jìn)行波形顯示，以便檢測人員的觀察。本設(shè)計(jì)的信號放大程序如下圖4.6(a)所示：圖4.6(a) 信號放大程序放大后的信號，運(yùn)用如下圖4.6(b)所示的數(shù)據(jù)大小計(jì)算器，來運(yùn)算出整個(gè)數(shù)組里包含多少個(gè)元素，再把得出來的數(shù)據(jù)傳給顯示與報(bào)警程序中的For循環(huán)中。以確定For循環(huán)中的循環(huán)次數(shù)。圖4.6(b) 數(shù)組中元素個(gè)數(shù)計(jì)算器4.6.4 顯示與報(bào)警當(dāng)信號由數(shù)據(jù)采集卡采集后，再通過信號的濾波和放大處理，最后再進(jìn)行顯示和報(bào)警，一個(gè)簡單的射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的框圖程序就完成了。本設(shè)計(jì)的顯示和報(bào)警框圖程序如下圖4.7(a)所示。由于是連續(xù)的測厚，需要連續(xù)的顯示，所以將顯示和報(bào)警的框圖程序放在一個(gè)For循環(huán)

53、當(dāng)中，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)顯示。圖4.7(a) 顯示報(bào)警程序圖4.7(b) 索引數(shù)組框圖程序由圖可以看出，放大后的信號經(jīng)過索引數(shù)組（如圖4.7(b)所示）后，把數(shù)組中的元素傳給公式計(jì)算中，進(jìn)行標(biāo)度變換。通過標(biāo)度變換，把電壓信號轉(zhuǎn)換成具體的厚度值顯示。由于是測厚系統(tǒng)，對于管材的壁厚值有個(gè)合格值，所以在厚度值顯示后，再運(yùn)用大于、小于對測量出來的厚度值與給定的上、下限合格值進(jìn)行比較，如果超過給定的圍，就報(bào)警顯示。4.6.5 數(shù)據(jù)存儲在運(yùn)行程序時(shí)，點(diǎn)擊前面板的開始檢測后，就可以選擇點(diǎn)擊數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲就是把測得的各個(gè)厚度值都保存起來，以便日后的查詢需要。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲框圖程序如下圖4.8所示：圖4.8

54、 數(shù)據(jù)存儲程序4.6.6 數(shù)據(jù)讀取本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)讀取的框圖程序如下圖4.9所示：圖4.9 數(shù)據(jù)讀取程序當(dāng)需要讀取某一時(shí)刻的厚度值時(shí)，只需要在前面板的查詢結(jié)果中輸入所要查詢的時(shí)間段，在點(diǎn)擊查詢，即可以得到該時(shí)間段所保存的數(shù)據(jù)。4.7 本章小結(jié)以上是本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)部分。綜合上述的情況，可以看出本設(shè)計(jì)運(yùn)用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了信號的采集與處理、具體厚度值的顯示與報(bào)警和數(shù)據(jù)的保存與讀取。用數(shù)據(jù)采集卡接收了來自電流電離室并通過放大后的電壓信號，進(jìn)行濾波和放大信號處理，再通過標(biāo)度變化顯示出具體的厚度值，并給定上、下限合格值，與顯示出的厚度值進(jìn)行對比，超過上、下限合格值的給予報(bào)警，最后對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存

55、，以便日后的讀取需要。第五章 調(diào)試與總結(jié)5.1 調(diào)試LabVIEW的程序錯(cuò)誤大致可以分為硬件連接錯(cuò)誤、I/O接口錯(cuò)誤、程序結(jié)構(gòu)和邏輯錯(cuò)誤。程序結(jié)構(gòu)和邏輯錯(cuò)誤是最常見的錯(cuò)誤。如果存在語法錯(cuò)誤，則當(dāng)啟動(dòng)快捷工具欄的“運(yùn)行”按鈕時(shí)，該按鈕變成一個(gè)折斷的箭頭，程序不能被執(zhí)行。單擊該按鈕，則將彈出錯(cuò)誤清單窗口，窗口列出錯(cuò)誤的項(xiàng)目，然后單擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，單擊“顯示錯(cuò)誤”功能按鈕，則出錯(cuò)的對象或端口就會(huì)變成高亮。在“詳細(xì)信息”欄里有詳細(xì)的錯(cuò)誤原因，也可以單擊“幫助”功能按鈕打開幫助窗口，窗口中詳細(xì)說明了出錯(cuò)原因以與解決辦法。運(yùn)行快捷工具欄中的“高亮執(zhí)行”按鈕，該圖標(biāo)變成高亮形式，再單擊“運(yùn)行”按

56、鈕，程序就以較慢的速度運(yùn)行。在沒有被執(zhí)行的代碼將呈灰色顯示，執(zhí)行后的代碼呈高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流上的數(shù)據(jù)值。這樣，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)流流動(dòng)狀態(tài)，跟蹤程序的執(zhí)行。5.2 總結(jié)與展望5.2.1 總結(jié)本設(shè)計(jì)課題是就目前在管材的生產(chǎn)和使用過程中，需要運(yùn)用到無損檢測技術(shù)來測量厚度而提出來的。在硬件電路部分達(dá)到了最初設(shè)計(jì)時(shí)提出的功能要求。測量精度也達(dá)到了預(yù)定要求。儀器在以下幾方面將有突破：(1)硬件電路由PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，相比目前國市場上現(xiàn)有的透射式射線測厚儀，成本大幅度下降。(2)操作界面圖形化顯示，不需要手動(dòng)操作儀器各個(gè)旋扭，使操作簡單方便。(3)儀器許多參數(shù)調(diào)整沒有固化，根據(jù)自己的使用要求，用戶還可以自己直接通過前面板調(diào)整所需功能，使得儀器設(shè)計(jì)更加開放。(4)系統(tǒng)可方便的利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，擴(kuò)展儀器的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。當(dāng)然，由于時(shí)間、實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)者自身水平等關(guān)系，有些功能還不理想，設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步改進(jìn)。就硬件而言，為了進(jìn)一步提高測量精度，實(shí)現(xiàn)更完善的測厚功能，系統(tǒng)會(huì)對硬件提出更高的要求，系統(tǒng)硬件的提高主要是控制核心速度的提高，在以后進(jìn)一步的研究中，可以采用速度更快，I/O功能更多的芯片。系統(tǒng)硬件接口電路只起到數(shù)據(jù)采集的作用，數(shù)據(jù)的處理是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，因此，對大量數(shù)據(jù)的采集處理，傳輸速度是一個(gè)很