便攜式超聲波測厚儀的原理

　　1.便攜式超聲波測厚儀的原理

　　便攜式超聲波測厚儀的原理主要采用脈沖反射式超聲波測厚的原理.

　　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返回，得到回波，測量超聲波脈沖通過被測件所需的時間間隔，然后根據(jù)脈沖在被測件中的傳播速度求出被測件厚度。被測件厚度D可用下式求出：

　　D=VT/2(1)

　　式中V為被測材料中的聲速，T為超聲脈沖在被測件兩表面之間往返一次的時間。

　　脈沖反射式超聲波測厚的原理簡單，以脈沖方式工作，使它在儀器上更容易實現(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厚儀的實現(xiàn)

　　實現(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，通過電纜加到探頭上，激勵壓電晶片產(chǎn)生脈沖超聲波，超聲波在被測件上下兩面形成多次反射，反射波經(jīng)過壓電晶片轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大濾波后，由計時電路測出聲波在被測件上下兩面之間的傳播時間t，送入單片機(jī)，然后通過單片機(jī)計算處理后，換算成厚度，送入驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路輸出信號給LCD顯示器進(jìn)行厚度顯示。

　　3、測厚儀研制中幾個關(guān)鍵問題的討論

　　3.1　往返時間的測量

　　往返時間的測量有以下三種方法：

　　(1)測量發(fā)射波T與**次底波B1之間的時間;

　　(2)測量**次底波B1與**次底波B2之間的時間;

　　(3)測量其后任意兩相鄰波之間的時間。

　　以上三種測量方式的選擇可以通過不同的電路來實現(xiàn)，但它們對儀器的性能有很大的影響。如果選擇**種測量方法，則因發(fā)射脈沖幅度特別大，且種測量方法，由于脈寬窄，能探測薄的材料，此時若用高頻探頭(10MHz)，就能探測更薄的材料，因而拓寬了儀器測量下限。如果選擇第三種測量方法，效果和**種不相上下，但數(shù)據(jù)采集較困難，且雜波較多。**和第三種測量方法的測量電路較復(fù)雜，成本較高。我們在研制過程中，考慮到量程要求，采用了**種測量方法。為了方便實現(xiàn)電路，我們在發(fā)射超聲波的同時設(shè)計了一個計數(shù)門，由門脈沖控制計數(shù)的起始位置。

　　3.2　高速數(shù)據(jù)采集

　　由于探頭工作頻率**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**頻率的4～5倍**，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，在一個周期內(nèi)通過的折反距離為 147(mm)(2)

　　所以儀器的測量精度基本能滿足要求，然后再采取一些其它補(bǔ)償措施，例如自動校準(zhǔn)補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)?，使儀器的精度達(dá)到0.01mm。

　　3.3　計數(shù)問題

　　在硬件設(shè)計中，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。而計數(shù)器采用三態(tài)輸出的8位二進(jìn)制計數(shù)器74HC590一片。但儀器要求測量上限為200mm，因此計數(shù)上限為：

　　通過計算發(fā)現(xiàn)只用一片8位二進(jìn)制計數(shù)器74HC590是不能滿足計數(shù)要求的。所以在設(shè)計中為了避免74HC590的級聯(lián)，設(shè)計中用單片機(jī)內(nèi)部計數(shù)器T0也參與計數(shù)。但單片機(jī)的計數(shù)器的**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，計數(shù)的**頻率為0.5MHz，而74HC590的進(jìn)位信號為一個與計數(shù)時鐘同頻的脈沖，因此單片機(jī)無法對其進(jìn)行計數(shù)。為了解決這個問題，把T0腳接到74HC590的**輸出端，對計數(shù)時鐘進(jìn)行28分頻后計數(shù)，這樣，當(dāng)T0工作于方式1，則總計數(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的軟件處理的實現(xiàn)及更換不同探頭及達(dá)到不同測量范圍來體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　(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)操作簡單

　　整個操作鍵僅五個，不需任何操作訓(xùn)練。

　　(3)自動校準(zhǔn)

　　如(1)式所示，要想得到**的測量結(jié)果還必須修正由于探頭接觸測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)。我們在儀器中采用自動設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)達(dá)到自動校準(zhǔn)目的。

　　(4)測量狀態(tài)顯示

　　可由儀器提示是測材料厚度還是測聲速。如測聲速則輸入厚度值;如測厚度則首先進(jìn)行自動校準(zhǔn)后即可測量。還可通過顯示屏上的顯示符號可知當(dāng)前測厚儀是處于哪一種測量狀態(tài)，提示操作者。

　　(5)耦合狀態(tài)顯示

　　如果在測量操作中，測量探頭和工作面耦合得不好，立即會有一個符號提示操作者。

　　(6)背光顯示

　　在液晶顯示器下有一個背光條，便于在光線不好的工作現(xiàn)場操作時打開背光。

　　(7)公英制轉(zhuǎn)換

　　主要考慮到測量顯示單位和國際儀器單位接軌。

　　(8)上、下限報警

　　操作員可根據(jù)自己的需要設(shè)置上、下限報警值，若超出此值，儀器自動報警。

　　(9)數(shù)據(jù)保存

　　每次開機(jī)時自動保持上一此測量結(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)計成斷續(xù)小電流工作方式，探頭未接觸樣品時，儀器僅工作在維持啟動狀態(tài)，當(dāng)探頭接觸樣品時，電路才開始工作。在使用一段時間后，若電源電壓不足時，為防止誤操作，儀器自動提醒使用者。

　　(11)更換不同探頭，實現(xiàn)不同測量范圍。