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（0201）刘信生（0217）黎澄伦（0212）沈其治（0224）叶伟雄（0227）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：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。
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。
关键词：光电纸张测厚目录1 前言............................................. 错误!未定义书签。
研究目的和意义................................. 错误!未定义书签。
研究内容....................................... 错误!未定义书签。
2 设计原理......................................... 错误!未定义书签。
设计原理....................................... 错误!未定义书签。
探测器原理与设计............................... 错误!未定义书签。
电路处理原理与设计............................. 错误!未定义书签。
总原理框图..................................... 错误!未定义书签。
探测电路模块................................... 错误!未定义书签。
单片机处理与AD转换模块........................ 错误!未定义书签。
3 方案比较......................................... 错误!未定义书签。
方案一——传统接触式测厚仪..................... 错误!未定义书签。
设计原理....................................... 错误!未定义书签。
方案分析....................................... 错误!未定义书签。
方案二——射式光强位移传感器测量纸张厚度....... 错误!未定义书签。
设计原理....................................... 错误!未定义书签。
方案分析....................................... 错误!未定义书签。
方案三——光电纸张测厚仪....................... 错误!未定义书签。
4 实物制作......................................... 错误!未定义书签。
电路元器件..................................... 错误!未定义书签。
元器件介绍..................................... 错误!未定义书签。
芯片avrmega16l ............................. 错误!未定义书签。
集成运放lm358t ............................. 错误!未定义书签。
字符型液晶显示屏LCM1602 .................... 错误!未定义书签。
探测器--光电二极管......................... 错误!未定义书签。
设计实物图..................................... 错误!未定义书签。
5 数据测试和分析................................... 错误!未定义书签。
数据测试....................................... 错误!未定义书签。
数据分析....................................... 错误!未定义书签。
6 误差分析......................................... 错误!未定义书签。
7 结论............................................. 错误!未定义书签。
附录. (3)前言1.1研究目的和意义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研究内容（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（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设计原理2.1设计原理根据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。
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。
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1．光源2．透镜3．光阑4．滤波片5．纸张6．光波导7．光电探测器8．放大电路9．微机处理电路10．LCD显示电路我们在确定和时，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。
2)为了尽量减小水的红外吸收带来的影响，和既不应是水的红外吸收特征波长O，也不宜与O比较接近，以使式(2)和式(3)中的和基本上只与纤维素有关,式(5)中的K和C可以近似地认为与水份无关，再考虑到在线测量纸张厚度时，纸张所含水份是控制在一定的范围内(如电话电缆纸为8 ～12 )。
上述处理，可使按式(5)设计的纸厚传感器最大限度地减小由于纸张所含水份不同引起的误差。
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探测器原理与设计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。
2.3电路处理原理与设计2.3.1总原理框图2.3.2探测电路模块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图表 1总原理框图图表 2 探测电路模块放中进行放大，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单片机处理与AD转换模块在这个模块中，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。
图表 3 单片机处理单元3方案比较3.1方案一——传统接触式测厚仪3.1.1设计原理采用机械的压住方式。
如图2上部触头设计在上游侧和下游侧的二纸导引之间，从下部吸住的基准面加压，压在高速移动的纸的表面上。
但是用这种方式对造纸的变化出现的下列问题考虑如下：图表 4 接触式测量3.1.2方案分析1)要求最大限度地生产纸，要求纸端边有效利用，为了不使产品的质量降低，必须放松卷绕力。
此外，进行各种测定时为了减小张力，下侧单元的基准面机械压入会产生测定不稳定现象。
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。