便攜式超聲波厚度測量儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)　

作者/ 寧鐸 楊杰 鄧力凱 王旭 王康樂 陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院(陜西 西安 710021)

摘要：針對傳統(tǒng)厚度測量儀器精度問題，本課題利用脈沖回波法，設(shè)計(jì)一種便攜式超聲波厚度測量儀器，系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊、發(fā)射模塊、接收電路模塊、液晶顯示模塊和按鍵模塊，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對物品厚度的精確測量。測量數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)測量的相對誤差在±1%以內(nèi)。

引言

　　傳統(tǒng)的超聲波測厚儀應(yīng)用廣泛，例如石油化工業(yè)、電站、汽車制造、機(jī)械制造業(yè)，可以測量船殼、甲板、鍋爐、管道、儲油罐、軌道、板坯、鑄件、機(jī)加工零件的厚度和被腐蝕情況^[1]。目前，各行業(yè)中大多數(shù)的測厚儀顯示信息量有限，顯示方式單一，并且不具備通信功能，數(shù)據(jù)讀取不方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便攜式超聲波測厚儀系統(tǒng)可以通過LCD12864實(shí)時(shí)地顯示測量信息，儲存大量數(shù)據(jù)，同時(shí)能把測量所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)際測量厚度比較和分析。本系統(tǒng)儀器具備快速、便捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，測量精度滿足實(shí)際需求，可以為各行業(yè)測量工作帶來極大的方便。

1 超聲波測厚原理

1.1 超聲波的主要參數(shù)

　　1)頻率：F≥20kHz(我們把F≥15kHz的聲波定義為超聲波);

　　2)功率密度：p=發(fā)射功率/發(fā)射面積;通常p≥0.3W/cm²。

1.2 超聲波的特性

　　1)超聲波傳播過程中具有能量集中、方向性強(qiáng)的特點(diǎn);

　　2)超聲波可以在不同的介質(zhì)中傳播，傳播的距離也足夠遠(yuǎn);

　　3)超聲波與介質(zhì)之間的相互作用適中，具有攜帶傳聲媒質(zhì)狀態(tài)信息的特點(diǎn)。

1.3 超聲波測厚原理

　　本系統(tǒng)對工件進(jìn)行厚度測量時(shí)，利用超聲波的脈沖回波法作為測量方法。

　　超聲波和光波類似，具備反射性，因此，當(dāng)超聲波在工件中傳播時(shí)，遇到不同物質(zhì)間的接觸面時(shí)，一部分超聲波就會(huì)反射，剩下的一部分超聲波穿過分界面繼續(xù)傳播^[2-3]。本系統(tǒng)利用超聲波的反射性特點(diǎn)，可以在被測樣品的表面放置一個(gè)超聲波的發(fā)射探頭和一個(gè)超聲波的接收探頭，當(dāng)超聲波信號到達(dá)樣品另一面時(shí)，由于超聲波的反射性，會(huì)有一部分超聲波反射回來，反射信號由接收探頭接收。此時(shí)，可以計(jì)算超聲波發(fā)射探頭發(fā)射信號到超聲波接收探頭收到信號的時(shí)間差，當(dāng)發(fā)射端發(fā)射信號后，時(shí)間差再與超聲波的聲速在此種媒介中的傳播速度相乘，此時(shí)得到的數(shù)據(jù)即為被測物體厚度值的2倍。

2 超聲波測厚儀的硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的便攜式測厚儀采用的是雙晶直探頭^[4]作為超聲波的發(fā)射探頭和接收探頭，控制電路以STC89C52單片機(jī)為核心，發(fā)射電路模塊和接收電路模塊分別以NE555和CX20106A芯片為核心。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便攜式測厚儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 發(fā)射電路

　　本系統(tǒng)的超聲波發(fā)射電路可以分為2個(gè)部分，一個(gè)是可以產(chǎn)生40kHz脈沖信號的振蕩電路，另一個(gè)是用來驅(qū)動(dòng)超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)電路。

　　系統(tǒng)的振蕩電路是基于NE555集成計(jì)時(shí)器組成的多諧振蕩器，NE555定時(shí)器主要是與電阻、電容構(gòu)成充放電電路，通過兩個(gè)比較器來檢測電容器上的電壓值大小，從而確定輸出電平的高低^[5-6]。其中，NE555芯片電路圖如圖3所示。

　　由于硬件電路接入了二極管D1和D2，電容的充電電流和放電電流可以流經(jīng)不同的回路，充電電流只流經(jīng)R1，VCC則可以通過R1、D1向電容C充電，充電時(shí)間T1為：

(1)

　　而放電電流只流經(jīng)R2，電容通過D2、R2及NE555中的三極管T放電，放電時(shí)間大小為0.693R2C，因此，可得振蕩電路的頻率為：

(2)

　　電路輸出波形的占空比為：

(3)

　　通過計(jì)算，要得到40kHz左右的信號，需取C=0.01μF，R₁=R₂=1.6kΩ。

　　本系統(tǒng)采用74LS04芯片作為驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)系統(tǒng)振蕩電路產(chǎn)生了40kHz脈沖信號條件下，可以生成頻率為40kHz的方波信號^[7]。其中，驅(qū)動(dòng)電路的電路圖如圖4所示。

2.2 接收電路

　　本系統(tǒng)采用CX20106A芯片處理接收到的超聲波信號。CX20106A是我們生活中常用的一款紅外線檢波接收芯片，例如，家用電視的紅外遙控接收器就會(huì)用到CX20106A芯片^[8]。由于測距超聲波頻率40kHz與紅外遙控常用的載波頻率38kHz比較接近，所以，本系統(tǒng)基于CX20106A芯片的超聲波檢測電路可以滿足設(shè)計(jì)需要。CX20106A的內(nèi)部構(gòu)成及工作原理如5圖所示。

3 超聲波測厚儀的軟件設(shè)計(jì)

　　便攜式超聲波測厚儀接入電源后，要進(jìn)行儀器系統(tǒng)的初始化，計(jì)數(shù)器和液晶LCD12864顯示屏清零。此時(shí)，按下“確認(rèn)”按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，發(fā)射電路(即發(fā)射探頭)開始工作，產(chǎn)生一個(gè)頻率大小為40kHz的超聲波，同時(shí)，系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器開始運(yùn)行，此時(shí)，發(fā)射電路停止工作，一段時(shí)間過去后，接收探頭啟動(dòng)，當(dāng)接收電路收到超聲波的反射信號時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并進(jìn)入中斷程序;在中斷程序中，系統(tǒng)將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成厚度值，由LCD12864顯示實(shí)際測量厚度值，此時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，完成一次測量過程。

　　多次重復(fù)以上步驟，記錄數(shù)據(jù)計(jì)算平均值。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測厚度的要求，在檢測過程中，若按下“記錄”按鍵，可以把儀器此刻所顯示的數(shù)值及測量信息記錄下來并在液晶屏上顯示，并且不會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測?？偝绦蛟O(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

3.1 超聲波發(fā)射程序設(shè)計(jì)

　　在測厚儀的測量過程中，超聲波的生成是其關(guān)鍵的一步，如果發(fā)射電路不運(yùn)行，此時(shí)，系統(tǒng)就難以工作。當(dāng)初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)測量系統(tǒng)檢測到“啟動(dòng)”按鍵按下后，單片機(jī)控制電路會(huì)送給NE555芯片一個(gè)啟動(dòng)信號，產(chǎn)生40kHz的脈沖信號，送到驅(qū)動(dòng)電路，可以生成40kHz的方波信號，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波信號。超聲波發(fā)射程序設(shè)計(jì)框圖如7圖所示。

3.2 中斷程序設(shè)計(jì)

　　當(dāng)系統(tǒng)的接收探頭接收到超聲波的反射波信號時(shí)，此時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷狀態(tài)。中斷程序中，首先將計(jì)數(shù)結(jié)果賦值給變量num，再根據(jù)計(jì)數(shù)值計(jì)算距離值，考慮到盲區(qū)的等待^[9-10]，因此，超聲波從發(fā)射到接收的總用時(shí)需要加上盲區(qū)等待的時(shí)間，通過計(jì)算得到厚度值。最后將實(shí)際測量厚度數(shù)值通過LCD12864液晶顯示屏顯示。中斷程序設(shè)計(jì)框圖如8圖所示。

4 測試實(shí)驗(yàn)

　　在測試實(shí)驗(yàn)中，本文選擇普通鋼作為測試對象，分別對厚度為20mm、50mm和100mm的鋼體進(jìn)行測試，得到測試結(jié)果如表1所示。

　　需要強(qiáng)調(diào)的是，上述測試數(shù)據(jù)均是盲區(qū)修正之后的值^[11]。通過對表格中的數(shù)據(jù)分析可知，在測試實(shí)驗(yàn)中，本文所設(shè)計(jì)的厚度測量儀的測量相對誤差基本保持在±1%以內(nèi)。

5 結(jié)論

　　本課題設(shè)計(jì)的便攜式超聲波測厚儀不但體積小，便于攜帶，同時(shí)，測量精度高，具備對測量數(shù)據(jù)定時(shí)存儲、查看和通信的功能。本文通過多次測量計(jì)算平均值，最終數(shù)據(jù)表明測量系統(tǒng)誤差小，可以滿足實(shí)際測量需要，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。 在調(diào)試過程中，盡管選用的雙晶直探頭存在靈敏度高、盲區(qū)較小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在不可避免的缺點(diǎn)，例如，隨著使用次數(shù)的增加，探頭表面容易磨損，進(jìn)而影響測量結(jié)果的精度，所以在測量時(shí)需要對探頭加固，通過實(shí)際測量加固后的誤差情況，最后確定選擇加固的材料，以硬度較高金屬材料較宜。其次，測量的精度還與測量物件的材質(zhì)、平整度等相關(guān)，如果在某次測量中出現(xiàn)異常讀數(shù)，也需要從這幾點(diǎn)進(jìn)行考慮，這都需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，超聲波探頭是影響測量精度至關(guān)重要的因素，隨著制造工藝的提升，相信超聲波測量誤差將會(huì)進(jìn)一步減小。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第54頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。