作者/ 寧鐸 楊杰 鄧力凱 王旭 王康樂(lè) 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(duì)傳統(tǒng)厚度測(cè)量?jī)x器精度問(wèn)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(cè)量?jī)x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(duì)物品厚度的精確測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)測(cè)量的相對(duì)誤差在±1%以內(nèi)。

引言

傳統(tǒng)的超聲波測(cè)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(cè)量船殼、甲板、鍋爐、管道、儲(chǔ)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(cè)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(cè)厚儀系統(tǒng)可以通過(guò)LCD12864實(shí)時(shí)地顯示測(cè)量信息，儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)，同時(shí)能把測(cè)量所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)際測(cè)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(cè)量精度滿足實(shí)際需求，可以為各行業(yè)測(cè)量工作帶來(lái)極大的方便。

1 超聲波測(cè)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(guò)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(cè)厚原理

本系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行厚度測(cè)量時(shí)，利用超聲波的脈沖回波法作為測(cè)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(guò)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(cè)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(hào)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(lái)，反射信號(hào)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(hào)到超聲波接收探頭收到信號(hào)的時(shí)間差，當(dāng)發(fā)射端發(fā)射信號(hào)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(cè)物體厚度值的2倍。

2 超聲波測(cè)厚儀的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的便攜式測(cè)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(cè)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(hào)的振蕩電路，另一個(gè)是用來(lái)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(guò)兩個(gè)比較器來(lái)檢測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)計(jì)算，要得到40kHz左右的信號(hào)，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(hào)條件下，可以生成頻率為40kHz的方波信號(hào)^[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(hào)。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(cè)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(cè)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(cè)厚儀的軟件設(shè)計(jì)

便攜式超聲波測(cè)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(kāi)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(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)，發(fā)射電路停止工作，一段時(shí)間過(guò)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(hào)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(cè)量厚度值，此時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，完成一次測(cè)量過(guò)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(cè)厚度的要求，在檢測(cè)過(guò)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(cè)量信息記錄下來(lái)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(cè)?？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(cè)厚儀的測(cè)量過(guò)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(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)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(hào)，產(chǎn)生40kHz的脈沖信號(hào)，送到驅(qū)動(dòng)電路，可以生成40kHz的方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生超聲波信號(hào)。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(hào)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(guò)計(jì)算得到厚度值。最后將實(shí)際測(cè)量厚度數(shù)值通過(guò)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(cè)試實(shí)驗(yàn)

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

需要強(qiáng)調(diào)的是，上述測(cè)試數(shù)據(jù)均是盲區(qū)修正之后的值^[11]。通過(guò)對(duì)表格中的數(shù)據(jù)分析可知，在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，本文所設(shè)計(jì)的厚度測(cè)量?jī)x的測(cè)量相對(duì)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(cè)厚儀不但體積小，便于攜帶，同時(shí)，測(cè)量精度高，具備對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)定時(shí)存儲(chǔ)、查看和通信的功能。本文通過(guò)多次測(cè)量計(jì)算平均值，最終數(shù)據(jù)表明測(cè)量系統(tǒng)誤差小，可以滿足實(shí)際測(cè)量需要，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。 在調(diào)試過(guò)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(cè)量結(jié)果的精度，所以在測(cè)量時(shí)需要對(duì)探頭加固，通過(guò)實(shí)際測(cè)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(cè)量的精度還與測(cè)量物件的材質(zhì)、平整度等相關(guān)，如果在某次測(cè)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(cè)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(cè)量誤差將會(huì)進(jìn)一步減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]柯細(xì)勇,王占元,楊劍峰,等.一種新型便攜式超聲波測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(12):119-122.

[2]劉九慶,蔣云飛.植物葉片厚度微增量精確測(cè)量系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J].森林工程,2008,24(6):18-21.

[3]吳伏家,趙長(zhǎng)瑞,尹曉霞.超聲波測(cè)厚系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代制造工程,2009,(11):40-41.

[4]蔡維,史留勇,張燕,等.容柵技術(shù)的電子樹(shù)皮測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與精度分析[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(9):87-90.

[5]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.5

[6]趙越,屈國(guó)普,鄭賢利,等.透射式特征X射線測(cè)厚儀研制[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2011,30(5):591-594.

[7]苑潔.基于STM32單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].華北電力大學(xué),2012.

[8]鄒軼.近距離高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué),2009.

[9]段偉亮,康磊,張曉輝,等.基于FPGA的電磁超聲測(cè)厚儀[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010,(4):14-19.

[10]張玉健,游春霞.測(cè)厚儀高壓逆變直流電源的設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2013,50(574):102-106.

[11]張青峰,鄧建華,何振輝.歐美三種測(cè)厚儀在國(guó)內(nèi)鋁板箔生產(chǎn)中應(yīng)用的比較[J].輕工合金加工技術(shù),2011,39(4):23-27.

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

關(guān)鍵詞： 測(cè)厚儀 脈沖回波法 超聲波 相對(duì)誤差 201705