便携式超声波厚度测量仪系统的设计　

作者/ 宁铎 杨杰 邓力凯 王旭 王康乐 陕西科技大学电气与信息工程学院(陕西 西安 710021)

摘要：针对传统厚度测量仪器精度问题，本课题利用脉冲回波法，设计一种便携式超声波厚度测量仪器，系统包括单片机控制模块、发射模块、接收电路模块、液晶显示模块和按键模块，结合软件设计，实现了对物品厚度的精确测量。测量数据表明，系统测量的相对误差在±1%以内。

引言

　　传统的超声波测厚仪应用广泛，例如石油化工业、电站、汽车制造、机械制造业，可以测量船壳、甲板、锅炉、管道、储油罐、轨道、板坯、铸件、机加工零件的厚度和被腐蚀情况^[1]。目前，各行业中大多数的测厚仪显示信息量有限，显示方式单一，并且不具备通信功能，数据读取不方便。本系统设计的便携式超声波测厚仪系统可以通过LCD12864实时地显示测量信息，储存大量数据，同时能把测量所得数据传输到计算机中进行实际测量厚度比较和分析。本系统仪器具备快速、便捷、准确的特点，测量精度满足实际需求，可以为各行业测量工作带来极大的方便。

1 超声波测厚原理

1.1 超声波的主要参数

　　1)频率：F≥20kHz(我们把F≥15kHz的声波定义为超声波);

　　2)功率密度：p=发射功率/发射面积;通常p≥0.3W/cm²。

1.2 超声波的特性

　　1)超声波传播过程中具有能量集中、方向性强的特点;

　　2)超声波可以在不同的介质中传播，传播的距离也足够远;

　　3)超声波与介质之间的相互作用适中，具有携带传声媒质状态信息的特点。

1.3 超声波测厚原理

　　本系统对工件进行厚度测量时，利用超声波的脉冲回波法作为测量方法。

　　超声波和光波类似，具备反射性，因此，当超声波在工件中传播时，遇到不同物质间的接触面时，一部分超声波就会反射，剩下的一部分超声波穿过分界面继续传播^[2-3]。本系统利用超声波的反射性特点，可以在被测样品的表面放置一个超声波的发射探头和一个超声波的接收探头，当超声波信号到达样品另一面时，由于超声波的反射性，会有一部分超声波反射回来，反射信号由接收探头接收。此时，可以计算超声波发射探头发射信号到超声波接收探头收到信号的时间差，当发射端发射信号后，时间差再与超声波的声速在此种媒介中的传播速度相乘，此时得到的数据即为被测物体厚度值的2倍。

2 超声波测厚仪的硬件设计

　　本系统所设计的便携式测厚仪采用的是双晶直探头^[4]作为超声波的发射探头和接收探头，控制电路以STC89C52单片机为核心，发射电路模块和接收电路模块分别以NE555和CX20106A芯片为核心。系统设计的便携式测厚仪的硬件结构图如图2所示。

2.1 发射电路

　　本系统的超声波发射电路可以分为2个部分，一个是可以产生40kHz脉冲信号的振荡电路，另一个是用来驱动超声波探头的驱动电路。

　　系统的振荡电路是基于NE555集成计时器组成的多谐振荡器，NE555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，通过两个比较器来检测电容器上的电压值大小，从而确定输出电平的高低^[5-6]。其中，NE555芯片电路图如图3所示。

　　由于硬件电路接入了二极管D1和D2，电容的充电电流和放电电流可以流经不同的回路，充电电流只流经R1，VCC则可以通过R1、D1向电容C充电，充电时间T1为：

(1)

　　而放电电流只流经R2，电容通过D2、R2及NE555中的三极管T放电，放电时间大小为0.693R2C，因此，可得振荡电路的频率为：

(2)

　　电路输出波形的占空比为：

(3)

　　通过计算，要得到40kHz左右的信号，需取C=0.01μF，R₁=R₂=1.6kΩ。

　　本系统采用74LS04芯片作为驱动电路，当系统振荡电路产生了40kHz脉冲信号条件下，可以生成频率为40kHz的方波信号^[7]。其中，驱动电路的电路图如图4所示。

2.2 接收电路

　　本系统采用CX20106A芯片处理接收到的超声波信号。CX20106A是我们生活中常用的一款红外线检波接收芯片，例如，家用电视的红外遥控接收器就会用到CX20106A芯片^[8]。由于测距超声波频率40kHz与红外遥控常用的载波频率38kHz比较接近，所以，本系统基于CX20106A芯片的超声波检测电路可以满足设计需要。CX20106A的内部构成及工作原理如5图所示。

3 超声波测厚仪的软件设计

　　便携式超声波测厚仪接入电源后，要进行仪器系统的初始化，计数器和液晶LCD12864显示屏清零。此时，按下“确认”按键，系统进入工作状态，发射电路(即发射探头)开始工作，产生一个频率大小为40kHz的超声波，同时，系统的计数器开始运行，此时，发射电路停止工作，一段时间过去后，接收探头启动，当接收电路收到超声波的反射信号时，计数器停止计数，并进入中断程序;在中断程序中，系统将计数值转换成厚度值，由LCD12864显示实际测量厚度值，此时，计数器清零，完成一次测量过程。

　　多次重复以上步骤，记录数据计算平均值。实现实时检测厚度的要求，在检测过程中，若按下“记录”按键，可以把仪器此刻所显示的数值及测量信息记录下来并在液晶屏上显示，并且不会影响系统的实时检测。总程序设计框图如图6所示。

3.1 超声波发射程序设计

　　在测厚仪的测量过程中，超声波的生成是其关键的一步，如果发射电路不运行，此时，系统就难以工作。当初始化完成后，系统进入待机状态，当测量系统检测到“启动”按键按下后，单片机控制电路会送给NE555芯片一个启动信号，产生40kHz的脉冲信号，送到驱动电路，可以生成40kHz的方波信号，驱动超声波发射探头产生超声波信号。超声波发射程序设计框图如7图所示。

3.2 中断程序设计

　　当系统的接收探头接收到超声波的反射波信号时，此时，系统进入中断状态。中断程序中，首先将计数结果赋值给变量num，再根据计数值计算距离值，考虑到盲区的等待^[9-10]，因此，超声波从发射到接收的总用时需要加上盲区等待的时间，通过计算得到厚度值。最后将实际测量厚度数值通过LCD12864液晶显示屏显示。中断程序设计框图如8图所示。

4 测试实验

　　在测试实验中，本文选择普通钢作为测试对象，分别对厚度为20mm、50mm和100mm的钢体进行测试，得到测试结果如表1所示。

　　需要强调的是，上述测试数据均是盲区修正之后的值^[11]。通过对表格中的数据分析可知，在测试实验中，本文所设计的厚度测量仪的测量相对误差基本保持在±1%以内。

5 结论

　　本课题设计的便携式超声波测厚仪不但体积小，便于携带，同时，测量精度高，具备对测量数据定时存储、查看和通信的功能。本文通过多次测量计算平均值，最终数据表明测量系统误差小，可以满足实际测量需要，具有很好的工程实用价值。 在调试过程中，尽管选用的双晶直探头存在灵敏度高、盲区较小等诸多优点，但是也存在不可避免的缺点，例如，随着使用次数的增加，探头表面容易磨损，进而影响测量结果的精度，所以在测量时需要对探头加固，通过实际测量加固后的误差情况，最后确定选择加固的材料，以硬度较高金属材料较宜。其次，测量的精度还与测量物件的材质、平整度等相关，如果在某次测量中出现异常读数，也需要从这几点进行考虑，这都需要大量的实验验证，超声波探头是影响测量精度至关重要的因素，随着制造工艺的提升，相信超声波测量误差将会进一步减小。

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　　本文来源于《电子产品世界》2017年第5期第54页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。