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便攜式超聲波測(cè)厚儀的原理
日期：2024-08-20 13:00
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摘要：
便攜式超聲波測(cè)厚儀的原理
超聲波是一種機(jī)械縱波，是由于機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的波動(dòng)。超聲波在同一均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其波速為一常數(shù)。超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生反射。潔度要求較高，且裝置復(fù)雜，使用局限性大，難于自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)控制。脈沖反射法一般只能測(cè)量厚度為1mm以上的材料，精度較差，但對(duì)工件表面光潔度要求不高，可測(cè)略粗糙的材料。如采用一些精度處理，非常適用工業(yè)生產(chǎn)使用。
1．2 便攜式超聲波測(cè)厚儀的原理
便攜式超聲波測(cè)厚儀的原理主要采用脈沖反射式超聲波測(cè)厚的原理.
其方法是將超聲波短脈沖送入物體，當(dāng)遇到物體的邊果界時(shí)返回，得到回波，測(cè)量超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)件所需的時(shí)間間隔，然后根據(jù)脈沖在被測(cè)件中的傳播速度求出被測(cè)件厚度。被測(cè)件厚度D可用下式求出：
D＝VT／2（1）
式中V為被測(cè)材料中的聲速，T為超聲脈沖在被測(cè)件兩表面之間往返一次的時(shí)間。
脈沖反射式超聲波測(cè)厚的原理簡(jiǎn)單，以脈沖方式工作，使它在儀器上更容易實(shí)現(xiàn)，且易做到體積小、速度快、精度高、耗電少。
2、脈沖反射式超聲波測(cè)厚儀的實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)原理主要由超聲波發(fā)射電路及接收電路、單片機(jī)控制電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路等組成。由單片機(jī)控制發(fā)射電路輸出寬度很窄，前沿很陡的周期性電脈沖，通過(guò)電纜加到探頭上，激勵(lì)壓電晶片產(chǎn)生脈沖超聲波，超聲波在被測(cè)件上下兩面形成多次反射，反射波經(jīng)過(guò)壓電晶片轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)放大濾波后，由計(jì)時(shí)電路測(cè)出聲波在被測(cè)件上下兩面之間的傳播時(shí)間t，送入單片機(jī)，然后通過(guò)單片機(jī)計(jì)算處理后，換算成厚度，送入驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)給LCD顯示器進(jìn)行厚度顯示。
3、測(cè)厚儀研制中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的討論
3．1 往返時(shí)間的測(cè)量
往返時(shí)間的測(cè)量有以下三種方法：
（1）測(cè)量發(fā)射波T與**次底波B1之間的時(shí)間；
（2）測(cè)量**次底波B1與**次底波B2之間的時(shí)間；
（3）測(cè)量其后任意兩相鄰波之間的時(shí)間。
以上三種測(cè)量方式的選擇可以通過(guò)不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但它們對(duì)儀器的性能有很大的影響。如果選擇**種測(cè)量方法，則因發(fā)射脈沖幅度特別大，且種測(cè)量方法，由于脈寬窄，能探測(cè)薄的材料，此時(shí)若用高頻探頭（10MHz），就能探測(cè)更薄的材料，因而拓寬了儀器測(cè)量下限。如果選擇第三種測(cè)量方法，效果和**種不相上下，但數(shù)據(jù)采集較困難，且雜波較多。**和第三種測(cè)量方法的測(cè)量電路較復(fù)雜，成本較高。我們?cè)谘兄七^(guò)程中，考慮到量程要求，采用了**種測(cè)量方法。為了方便實(shí)現(xiàn)電路，我們?cè)诎l(fā)射超聲波的同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)門(mén)，由門(mén)脈沖控制計(jì)數(shù)的起始位置。
3．2 高速數(shù)據(jù)采集
由于探頭工作頻率*高為5MHz，按照采樣定理，數(shù)據(jù)采集速度需在10MHz以上，通常選擇為工作*高頻率的4～5倍*好，本系統(tǒng)中使用的采樣頻率為50MHz。儀器的精度也和數(shù)據(jù)采集速度密切相關(guān)，例如，鋼在聲波縱波的傳播速度為5900m／s，在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)的折反距離為 147（mm）（2）
所以?xún)x器的測(cè)量精度基本能滿(mǎn)足要求，然后再采取一些其它補(bǔ)償措施，例如自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)龋箖x器的精度達(dá)到0．01mm。
3．3 計(jì)數(shù)問(wèn)題
在硬件設(shè)計(jì)中，我們始終以小型化為標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少硬件數(shù)量，所以單片機(jī)選用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的高性能AT89C51－20PC的單片機(jī)，片內(nèi)有E2PROM，采用電擦除方式，程序修改方便，內(nèi)存容量足夠，不增加任何外圍設(shè)備。而計(jì)數(shù)器采用三態(tài)輸出的8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC590一片。但儀器要求測(cè)量上限為200mm，因此計(jì)數(shù)上限為：
通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)只用一片8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC590是不能滿(mǎn)足計(jì)數(shù)要求的。所以在設(shè)計(jì)中為了避免74HC590的級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)中用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0也參與計(jì)數(shù)。但單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的*高頻率一般僅為振蕩頻率的1／24，即在單片機(jī)外接12MHz晶振時(shí)，計(jì)數(shù)的*高頻率為0．5MHz，而74HC590的進(jìn)位信號(hào)為一個(gè)與計(jì)數(shù)時(shí)鐘同頻的脈沖，因此單片機(jī)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，把T0腳接到74HC590的*高輸出端，對(duì)計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行28分頻后計(jì)數(shù)，這樣，當(dāng)T0工作于方式1，則總計(jì)數(shù)值可以到2 8＋16 ＝2 24 。
3．4 多功能的體現(xiàn)
多功能主要由AT89C51－20PC的軟件處理的實(shí)現(xiàn)及更換不同探頭及達(dá)到不同測(cè)量范圍來(lái)體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）體積小，便于攜帶
在電路中的除了選用低功耗的單片機(jī)外，器件盡量使用CMOS集成電路。由于儀器中很多元件都有特殊要求，特別是高頻、高壓、低噪等的特殊器件，盡量使用MAXIM公司貼片式芯片。
（2）操作簡(jiǎn)單
整個(gè)操作鍵僅五個(gè)，不需任何操作訓(xùn)練。
（3）自動(dòng)校準(zhǔn)
如（1）式所示，要想得到**的測(cè)量結(jié)果還必須修正由于探頭接觸測(cè)試件所引起的接觸滯后及其它裝配所引起的滯后，我們采用下列公式來(lái)進(jìn)行修正：
D＝V（t－Tn）／2（4）
式中，Tn為初值補(bǔ)償系數(shù)。我們?cè)趦x器中采用自動(dòng)設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)達(dá)到自動(dòng)校準(zhǔn)目的。
（4）測(cè)量狀態(tài)顯示
可由儀器提示是測(cè)材料厚度還是測(cè)聲速。如測(cè)聲速則輸入厚度值；如測(cè)厚度則首先進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)后即可測(cè)量。還可通過(guò)顯示屏上的顯示符號(hào)可知當(dāng)前測(cè)厚儀是處于哪一種測(cè)量狀態(tài)，提示操作者。
（5）耦合狀態(tài)顯示
如果在測(cè)量操作中，測(cè)量探頭和工作面耦合得不好，立即會(huì)有一個(gè)符號(hào)提示操作者。
（6）背光顯示
在液晶顯示器下有一個(gè)背光條，便于在光線不好的工作現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)打開(kāi)背光。
（7）公英制轉(zhuǎn)換
主要考慮到測(cè)量顯示單位和國(guó)際儀器單位接軌。
（8）上、下限報(bào)警
操作員可根據(jù)自己的需要設(shè)置上、下限報(bào)警值，若超出此值，儀器自動(dòng)報(bào)警。
（9）數(shù)據(jù)保存
每次開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)保持上一此測(cè)量結(jié)果。
（10）電源電壓不足顯示
儀器電源由于采用的是干電池，電路除了采用低功耗的器件外，電源設(shè)計(jì)成斷續(xù)小電流工作方式，探頭未接觸樣品時(shí)，儀器僅工作在維持啟動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)探頭接觸樣品時(shí)，電路才開(kāi)始工作。在使用一段時(shí)間后，若電源電壓不足時(shí)，為防止誤操作，儀器自動(dòng)提醒使用者。
（11）更換不同探頭，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量范圍。
超聲波是一種機(jī)械縱波，是由于機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的波動(dòng)。超聲波在同一均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其波速為一常數(shù)。超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生反射。潔度要求較高，且裝置復(fù)雜，使用局限性大，難于自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)控制。脈沖反射法一般只能測(cè)量厚度為1mm以上的材料，精度較差，但對(duì)工件表面光潔度要求不高，可測(cè)略粗糙的材料。如采用一些精度處理，非常適用工業(yè)生產(chǎn)使用。
1．2 便攜式超聲波測(cè)厚儀的原理
便攜式超聲波測(cè)厚儀的原理主要采用脈沖反射式超聲波測(cè)厚的原理.
其方法是將超聲波短脈沖送入物體，當(dāng)遇到物體的邊果界時(shí)返回，得到回波，測(cè)量超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)件所需的時(shí)間間隔，然后根據(jù)脈沖在被測(cè)件中的傳播速度求出被測(cè)件厚度。被測(cè)件厚度D可用下式求出：
D＝VT／2（1）
式中V為被測(cè)材料中的聲速，T為超聲脈沖在被測(cè)件兩表面之間往返一次的時(shí)間。
脈沖反射式超聲波測(cè)厚的原理簡(jiǎn)單，以脈沖方式工作，使它在儀器上更容易實(shí)現(xiàn)，且易做到體積小、速度快、精度高、耗電少。
2、脈沖反射式超聲波測(cè)厚儀的實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)原理主要由超聲波發(fā)射電路及接收電路、單片機(jī)控制電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路等組成。由單片機(jī)控制發(fā)射電路輸出寬度很窄，前沿很陡的周期性電脈沖，通過(guò)電纜加到探頭上，激勵(lì)壓電晶片產(chǎn)生脈沖超聲波，超聲波在被測(cè)件上下兩面形成多次反射，反射波經(jīng)過(guò)壓電晶片轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)放大濾波后，由計(jì)時(shí)電路測(cè)出聲波在被測(cè)件上下兩面之間的傳播時(shí)間t，送入單片機(jī)，然后通過(guò)單片機(jī)計(jì)算處理后，換算成厚度，送入驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)給LCD顯示器進(jìn)行厚度顯示。
3、測(cè)厚儀研制中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的討論
3．1 往返時(shí)間的測(cè)量
往返時(shí)間的測(cè)量有以下三種方法：
（1）測(cè)量發(fā)射波T與**次底波B1之間的時(shí)間；
（2）測(cè)量**次底波B1與**次底波B2之間的時(shí)間；
（3）測(cè)量其后任意兩相鄰波之間的時(shí)間。
以上三種測(cè)量方式的選擇可以通過(guò)不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但它們對(duì)儀器的性能有很大的影響。如果選擇**種測(cè)量方法，則因發(fā)射脈沖幅度特別大，且種測(cè)量方法，由于脈寬窄，能探測(cè)薄的材料，此時(shí)若用高頻探頭（10MHz），就能探測(cè)更薄的材料，因而拓寬了儀器測(cè)量下限。如果選擇第三種測(cè)量方法，效果和**種不相上下，但數(shù)據(jù)采集較困難，且雜波較多。**和第三種測(cè)量方法的測(cè)量電路較復(fù)雜，成本較高。我們?cè)谘兄七^(guò)程中，考慮到量程要求，采用了**種測(cè)量方法。為了方便實(shí)現(xiàn)電路，我們?cè)诎l(fā)射超聲波的同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)門(mén)，由門(mén)脈沖控制計(jì)數(shù)的起始位置。
3．2 高速數(shù)據(jù)采集
由于探頭工作頻率*高為5MHz，按照采樣定理，數(shù)據(jù)采集速度需在10MHz以上，通常選擇為工作*高頻率的4～5倍*好，本系統(tǒng)中使用的采樣頻率為50MHz。儀器的精度也和數(shù)據(jù)采集速度密切相關(guān)，例如，鋼在聲波縱波的傳播速度為5900m／s，在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)的折反距離為 147（mm）（2）
所以?xún)x器的測(cè)量精度基本能滿(mǎn)足要求，然后再采取一些其它補(bǔ)償措施，例如自動(dòng)校準(zhǔn)補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)龋箖x器的精度達(dá)到0．01mm。
3．3 計(jì)數(shù)問(wèn)題
在硬件設(shè)計(jì)中，我們始終以小型化為標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少硬件數(shù)量，所以單片機(jī)選用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的高性能AT89C51－20PC的單片機(jī)，片內(nèi)有E2PROM，采用電擦除方式，程序修改方便，內(nèi)存容量足夠，不增加任何外圍設(shè)備。而計(jì)數(shù)器采用三態(tài)輸出的8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC590一片。但儀器要求測(cè)量上限為200mm，因此計(jì)數(shù)上限為：
通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)只用一片8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC590是不能滿(mǎn)足計(jì)數(shù)要求的。所以在設(shè)計(jì)中為了避免74HC590的級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)中用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0也參與計(jì)數(shù)。但單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的*高頻率一般僅為振蕩頻率的1／24，即在單片機(jī)外接12MHz晶振時(shí)，計(jì)數(shù)的*高頻率為0．5MHz，而74HC590的進(jìn)位信號(hào)為一個(gè)與計(jì)數(shù)時(shí)鐘同頻的脈沖，因此單片機(jī)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，把T0腳接到74HC590的*高輸出端，對(duì)計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行28分頻后計(jì)數(shù)，這樣，當(dāng)T0工作于方式1，則總計(jì)數(shù)值可以到2 8＋16 ＝2 24 。
3．4 多功能的體現(xiàn)
多功能主要由AT89C51－20PC的軟件處理的實(shí)現(xiàn)及更換不同探頭及達(dá)到不同測(cè)量范圍來(lái)體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）體積小，便于攜帶
在電路中的除了選用低功耗的單片機(jī)外，器件盡量使用CMOS集成電路。由于儀器中很多元件都有特殊要求，特別是高頻、高壓、低噪等的特殊器件，盡量使用MAXIM公司貼片式芯片。
（2）操作簡(jiǎn)單
整個(gè)操作鍵僅五個(gè)，不需任何操作訓(xùn)練。
（3）自動(dòng)校準(zhǔn)
如（1）式所示，要想得到**的測(cè)量結(jié)果還必須修正由于探頭接觸測(cè)試件所引起的接觸滯后及其它裝配所引起的滯后，我們采用下列公式來(lái)進(jìn)行修正：
D＝V（t－Tn）／2（4）
式中，Tn為初值補(bǔ)償系數(shù)。我們?cè)趦x器中采用自動(dòng)設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)達(dá)到自動(dòng)校準(zhǔn)目的。
（4）測(cè)量狀態(tài)顯示
可由儀器提示是測(cè)材料厚度還是測(cè)聲速。如測(cè)聲速則輸入厚度值；如測(cè)厚度則首先進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)后即可測(cè)量。還可通過(guò)顯示屏上的顯示符號(hào)可知當(dāng)前測(cè)厚儀是處于哪一種測(cè)量狀態(tài)，提示操作者。
（5）耦合狀態(tài)顯示
如果在測(cè)量操作中，測(cè)量探頭和工作面耦合得不好，立即會(huì)有一個(gè)符號(hào)提示操作者。
（6）背光顯示
在液晶顯示器下有一個(gè)背光條，便于在光線不好的工作現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)打開(kāi)背光。
（7）公英制轉(zhuǎn)換
主要考慮到測(cè)量顯示單位和國(guó)際儀器單位接軌。
（8）上、下限報(bào)警
操作員可根據(jù)自己的需要設(shè)置上、下限報(bào)警值，若超出此值，儀器自動(dòng)報(bào)警。
（9）數(shù)據(jù)保存
每次開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)保持上一此測(cè)量結(jié)果。
（10）電源電壓不足顯示
儀器電源由于采用的是干電池，電路除了采用低功耗的器件外，電源設(shè)計(jì)成斷續(xù)小電流工作方式，探頭未接觸樣品時(shí)，儀器僅工作在維持啟動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)探頭接觸樣品時(shí)，電路才開(kāi)始工作。在使用一段時(shí)間后，若電源電壓不足時(shí)，為防止誤操作，儀器自動(dòng)提醒使用者。
（11）更換不同探頭，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量范圍。