作者/ 宁铎 杨杰 邓力凯 王旭 王安康 陕西科技大学电气与信息工程学院(陕西 西安 710021)
摘要：针对传统厚度丈量仪器精度问题，本课题运用脉冲回波法，规划一种便携式超声波厚度丈量仪器，体系包含单片机操控模块、发射模块、接纳电路模块、液晶显现模块和按键模块，结合软件规划，完结了对物品厚度的准确丈量。丈量数据标明，体系丈量的相对差错在±1%以内。
导言
传统的超声波测厚仪运用广泛，例如石油化工业、电站、轿车制作、机械制作业，能够丈量船壳、甲板、锅炉、管道、储油罐、轨迹、板坯、铸件、机加工零件的厚度和被腐蚀状况[1]。现在，各行业中大大都的测厚仪显现信息量有限，显现方法单一，而且不具有通讯功用，数据读取不便利。本体系规划的便携式超声波测厚仪体系能够经过LCD12864实时地显现丈量信息，贮存很多数据，一起能把丈量所得数据传输到核算机中进行实践丈量厚度比较和剖析。本体系仪器具有快速、快捷、准确的特色，丈量精度满意实践需求，能够为各行业丈量作业带来极大的便利。
1 超声波测厚原理
1.1 超声波的主要参数
1)频率：F≥20kHz(咱们把F≥15kHz的声波界说为超声波);
2)功率密度：p=发射功率/发射面积;一般p≥0.3W/cm2。
1.2 超声波的特性
1)超声波传达进程中具有能量会集、方向性强的特色;
2)超声波能够在不同的介质中传达，传达的间隔也满意远;
3)超声波与介质之间的相互作用适中，具有带着传声媒质状况信息的特色。
1.3 超声波测厚原理
本体系对工件进行厚度丈量时，运用超声波的脉冲回波法作为丈量方法。
超声波和光波相似，具有反射性，因而，当超声波在工件中传达时，遇到不同物质间的接触面时，一部分超声波就会反射，剩余的一部分超声波穿过分界面持续传达[2-3]。本体系运用超声波的反射性特色，能够在被测样品的外表放置一个超声波的发射探头和一个超声波的接纳探头，当超声波信号抵达样品另一面时，因为超声波的反射性，会有一部分超声波反射回来，反射信号由接纳探头接纳。此刻，能够核算超声波发射探头发射信号到超声波接纳探头收到信号的时刻差，当发射端发射信号后，时刻差再与超声波的声速在此种前言中的传达速度相乘，此刻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规划
本体系所规划的便携式测厚仪选用的是双晶直探头[4]作为超声波的发射探头和接纳探头，操控电路以STC89C52单片机为中心，发射电路模块和接纳电路模块别离以NE555和CX20106A芯片为中心。体系规划的便携式测厚仪的硬件结构图如图2所示。
2.1 发射电路
本体系的超声波发射电路能够分为2个部分，一个是能够发生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。
体系的振荡电路是依据NE555集成计时器组成的多谐振荡器，NE555守时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，经过两个比较器来检测电容器上的电压值巨细，然后承认输出电平的凹凸[5-6]。其间，NE555芯片电路图如图3所示。
因为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能够流经不同的回路，充电电流只流经R1，VCC则能够经过R1、D1向电容C充电，充电时刻T1为：
(1)
而放电电流只流经R2，%&&&&&%经过D2、R2及NE555中的三极管T放电，放电时刻巨细为0.693R2C，因而，可得振荡电路的频率为：
(2)
电路输出波形的占空比为：
(3)
经过核算，要得到40kHz左右的信号，需取C=0.01μF，R1=R2=1.6kΩ。
本体系选用74LS04芯片作为驱动电路，当体系振荡电路发生了40kHz脉冲信号条件下，能够生成频率为40kHz的方波信号[7]。其间，驱动电路的电路图如图4所示。
2.2 接纳电路
本体系选用CX20106A芯片处理接纳到的超声波信号。CX20106A是咱们日子中常用的一款红外线检波接纳芯片，例如，家用电视的红外遥控接纳器就会用到CX20106A芯片[8]。因为测距超声波频率40kHz与红外遥控常用的载波频率38kHz比较挨近，所以，本体系依据CX20106A芯片的超声波检测电路能够满意规划需求。CX20106A的内部构成及作业原理如5图所示。
3 超声波测厚仪的软件规划
便携式超声波测厚仪接入电源后，要进行仪器体系的初始化，计数器和液晶LCD12864显现屏清零。此刻，按下“承认”按键，体系进入作业状况，发射电路(即发射探头)开端作业，发生一个频率巨细为40kHz的超声波，一起，体系的计数器开端运转，此刻，发射电路中止作业，一段时刻曩昔后，接纳探头发动，当接纳电路收到超声波的反射信号时，计数器中止计数，并进入中止程序;在中止程序中，体系将计数值转换成厚度值，由LCD12864显现实践丈量厚度值，此刻，计数器清零，完结一次丈量进程。
屡次重复以上过程，记载数据核算平均值。完结实时检测厚度的要求，在检测进程中，若按下“记载”按键，能够把仪器此刻所显现的数值及丈量信息记载下来并在液晶屏上显现，而且不会影响体系的实时检测。总程序规划框图如图6所示。
3.1 超声波发射程序规划
在测厚仪的丈量进程中，超声波的生成是其要害的一步，假如发射电路不运转，此刻，体系就难以作业。当初始化完结后，体系进入待机状况，当丈量体系检测到“发动”按键按下后，单片机操控电路会送给NE555芯片一个发动信号，发生40kHz的脉冲信号，送到驱动电路，能够生成40kHz的方波信号，驱动超声波发射探头发生超声波信号。超声波发射程序规划框图如7图所示。
3.2 中止程序规划
当体系的接纳探头接纳到超声波的反射波信号时，此刻，体系进入中止状况。中止程序中，首要将计数成果赋值给变量num，再依据计数值核算间隔值，考虑到盲区的等候[9-10]，因而，超声波从发射到接纳的总用时需求加上盲区等候的时刻，经过核算得到厚度值。终究将实践丈量厚度数值经过LCD12864液晶显现屏显现。中止程序规划框图如8图所示。
4 测验试验
在测验试验中，本文挑选一般钢作为测验目标，别离对厚度为20mm、50mm和100mm的钢体进行测验，得到测验成果如表1所示。
需求着重的是，上述测验数据均是盲区批改之后的值[11]。经过对表格中的数据剖析可知，在测验试验中，本文所规划的厚度丈量仪的丈量相对差错根本保持在±1%以内。
5 定论
本课题规划的便携式超声波测厚仪不光体积小，便于带着，一起，丈量精度高，具有对丈量数据守时存储、检查和通讯的功用。本文经过屡次丈量核算平均值，终究数据标明丈量体系差错小，能够满意实践丈量需求，具有很好的工程实用价值。 在调试进程中，虽然选用的双晶直探头存在灵敏度高、盲区较小等许多长处，可是也存在不可避免的缺陷，例如，跟着运用次数的添加，探头外表简单磨损，从而影响丈量成果的精度，所以在丈量时需求对探头加固，经过实践丈量加固后的差错状况，终究承认挑选加固的资料，以硬度较高金属资料较宜。其次，丈量的精度还与丈量物件的原料、平整度等相关，假如在某次丈量中出现异常读数，也需求从这几点进行考虑，这都需求很多的试验验证，超声波探头是影响丈量精度至关重要的要素，跟着制作工艺的提高，信任超声波丈量差错将会进一步减小。
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本文来源于《电子产品世界》2017年第5期第54页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
