作者/ 寧鐸 楊杰 鄧力凱 王旭 王康樂 陜西科技大學電氣與信息工程學院(陜西 西安 710021)

摘要：針對傳統厚度測量儀器精度問題，本課題利用脈沖回波法，設計一種便攜式超聲波厚度測量儀器，系統包括單片機控制模塊、發射模塊、接收電路模塊、液晶顯示模塊和按鍵模塊，結合軟件設計，實現了對物品厚度的精確測量。測量數據表明，系統測量的相對誤差在±1%以內。

引言

傳統的超聲波測厚儀應用廣泛，例如石油化工業、電站、汽車制造、機械制造業，可以測量船殼、甲板、鍋爐、管道、儲油罐、軌道、板坯、鑄件、機加工零件的厚度和被腐蝕情況^[1]。目前，各行業中大多數的測厚儀顯示信息量有限，顯示方式單一，并且不具備通信功能，數據讀取不方便。本系統設計的便攜式超聲波測厚儀系統可以通過LCD12864實時地顯示測量信息，儲存大量數據，同時能把測量所得數據傳輸到計算機中進行實際測量厚度比較和分析。本系統儀器具備快速、便捷、準確的特點，測量精度滿足實際需求，可以為各行業測量工作帶來極大的方便。

1 超聲波測厚原理

1.1 超聲波的主要參數

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=發射功率/發射面積;通常p≥0.3W/cm²。

1.2 超聲波的特性

1)超聲波傳播過程中具有能量集中、方向性強的特點;

2)超聲波可以在不同的介質中傳播，傳播的距離也足夠遠;

3)超聲波與介質之間的相互作用適中，具有攜帶傳聲媒質狀態信息的特點。

1.3 超聲波測厚原理

本系統對工件進行厚度測量時，利用超聲波的脈沖回波法作為測量方法。

超聲波和光波類似，具備反射性，因此，當超聲波在工件中傳播時，遇到不同物質間的接觸面時，一部分超聲波就會反射，剩下的一部分超聲波穿過分界面繼續傳播^[2-3]。本系統利用超聲波的反射性特點，可以在被測樣品的表面放置一個超聲波的發射探頭和一個超聲波的接收探頭，當超聲波信號到達樣品另一面時，由于超聲波的反射性，會有一部分超聲波反射回來，反射信號由接收探頭接收。此時，可以計算超聲波發射探頭發射信號到超聲波接收探頭收到信號的時間差，當發射端發射信號后，時間差再與超聲波的聲速在此種媒介中的傳播速度相乘，此時得到的數據即為被測物體厚度值的2倍。

2 超聲波測厚儀的硬件設計

本系統所設計的便攜式測厚儀采用的是雙晶直探頭^[4]作為超聲波的發射探頭和接收探頭，控制電路以STC89C52單片機為核心，發射電路模塊和接收電路模塊分別以NE555和CX20106A芯片為核心。系統設計的便攜式測厚儀的硬件結構圖如圖2所示。

2.1 發射電路

本系統的超聲波發射電路可以分為2個部分，一個是可以產生40kHz脈沖信號的振蕩電路，另一個是用來驅動超聲波探頭的驅動電路。

系統的振蕩電路是基于NE555集成計時器組成的多諧振蕩器，NE555定時器主要是與電阻、電容構成充放電電路，通過兩個比較器來檢測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不同的回路，充電電流只流經R1，VCC則可以通過R1、D1向電容C充電，充電時間T1為：

(1)

而放電電流只流經R2，電容通過D2、R2及NE555中的三極管T放電，放電時間大小為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)

通過計算，要得到40kHz左右的信號，需取C=0.01μF，R₁=R₂=1.6kΩ。

本系統采用74LS04芯片作為驅動電路，當系統振蕩電路產生了40kHz脈沖信號條件下，可以生成頻率為40kHz的方波信號^[7]。其中，驅動電路的電路圖如圖4所示。

2.2 接收電路

本系統采用CX20106A芯片處理接收到的超聲波信號。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用到CX20106A芯片^[8]。由于測距超聲波頻率40kHz與紅外遙控常用的載波頻率38kHz比較接近，所以，本系統基于CX20106A芯片的超聲波檢測電路可以滿足設計需要。CX20106A的內部構成及工作原理如5圖所示。

3 超聲波測厚儀的軟件設計

便攜式超聲波測厚儀接入電源后，要進行儀器系統的初始化，計數器和液晶LCD12864顯示屏清零。此時，按下“確認”按鍵，系統進入工作狀態，發射電路(即發射探頭)開始工作，產生一個頻率大小為40kHz的超聲波，同時，系統的計數器開始運行，此時，發射電路停止工作，一段時間過去后，接收探頭啟動，當接收電路收到超聲波的反射信號時，計數器停止計數，并進入中斷程序;在中斷程序中，系統將計數值轉換成厚度值，由LCD12864顯示實際測量厚度值，此時，計數器清零，完成一次測量過程。

多次重復以上步驟，記錄數據計算平均值。實現實時檢測厚度的要求，在檢測過程中，若按下“記錄”按鍵，可以把儀器此刻所顯示的數值及測量信息記錄下來并在液晶屏上顯示，并且不會影響系統的實時檢測。總程序設計框圖如圖6所示。

3.1 超聲波發射程序設計

在測厚儀的測量過程中，超聲波的生成是其關鍵的一步，如果發射電路不運行，此時，系統就難以工作。當初始化完成后，系統進入待機狀態，當測量系統檢測到“啟動”按鍵按下后，單片機控制電路會送給NE555芯片一個啟動信號，產生40kHz的脈沖信號，送到驅動電路，可以生成40kHz的方波信號，驅動超聲波發射探頭產生超聲波信號。超聲波發射程序設計框圖如7圖所示。

3.2 中斷程序設計

當系統的接收探頭接收到超聲波的反射波信號時，此時，系統進入中斷狀態。中斷程序中，首先將計數結果賦值給變量num，再根據計數值計算距離值，考慮到盲區的等待^[9-10]，因此，超聲波從發射到接收的總用時需要加上盲區等待的時間，通過計算得到厚度值。最后將實際測量厚度數值通過LCD12864液晶顯示屏顯示。中斷程序設計框圖如8圖所示。

4 測試實驗

在測試實驗中，本文選擇普通鋼作為測試對象，分別對厚度為20mm、50mm和100mm的鋼體進行測試，得到測試結果如表1所示。

需要強調的是，上述測試數據均是盲區修正之后的值^[11]。通過對表格中的數據分析可知，在測試實驗中，本文所設計的厚度測量儀的測量相對誤差基本保持在±1%以內。

5 結論

本課題設計的便攜式超聲波測厚儀不但體積小，便于攜帶，同時，測量精度高，具備對測量數據定時存儲、查看和通信的功能。本文通過多次測量計算平均值，最終數據表明測量系統誤差小，可以滿足實際測量需要，具有很好的工程實用價值。 在調試過程中，盡管選用的雙晶直探頭存在靈敏度高、盲區較小等諸多優點，但是也存在不可避免的缺點，例如，隨著使用次數的增加，探頭表面容易磨損，進而影響測量結果的精度，所以在測量時需要對探頭加固，通過實際測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，測量的精度還與測量物件的材質、平整度等相關，如果在某次測量中出現異常讀數，也需要從這幾點進行考慮，這都需要大量的實驗驗證，超聲波探頭是影響測量精度至關重要的因素，隨著制造工藝的提升，相信超聲波測量誤差將會進一步減小。

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本文來源于《電子產品世界》2017年第5期第54頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。

關鍵詞： 測厚儀 脈沖回波法 超聲波 相對誤差 201705