掌上多功能超聲波測厚儀的原理及實現(xiàn)方法

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1、掌上多功能超聲波測厚儀的原理及實現(xiàn)方法

2、第1500)this.style.ouseg(this)">其方法是將超聲波短脈沖送入物體，當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?！　∶}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)原理及框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路及

3、接收電路、單片機控制電路、顯示驅(qū)動電路等組成。由單片機控制發(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，然后通過單片機計算處理后，換算成厚度，送入驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路輸出信號給LCD顯示器進行厚度顯示。500)this.style.ouseg(this)">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與第一次底波B1之間的

4、時間；　?。?）測量第一次底波B1與第二次底波B2之間的時間；（3）測量其后任意兩相鄰波之間的時間?！　∫陨先N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。如果選擇第一種測量方法，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，效果和第二種不相上下，但數(shù)據(jù)采集較困難，且雜波較多。第二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，采用了第二種測量方法。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

5、數(shù)門，由門脈沖控制計數(shù)的起始位置。500)this.style.ouseg(this)">3．2　高速數(shù)據(jù)采集　　由于探頭工作頻率最高為5MHz，按照采樣定理，數(shù)據(jù)采集速度需在10MHz以上，通常選擇為工作最高頻率的4～5倍最好，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，在一個周期內(nèi)通過的折反距離為500)this.style.ouseg(this)">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償措施，例如自動校準補償、軟件補償?shù)?，使儀器的精度達到0．01mm。3．

6、3　計數(shù)問題　　在硬件設(shè)計中，我們始終以小型化為標準，盡量減少硬件數(shù)量，所以單片機選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的高性能AT89C51－20PC的單片機，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：500)this.style.ouseg(this)">通過計算發(fā)現(xiàn)只用一片8位二進制計數(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)計中用單片機內(nèi)部計數(shù)器T0也參與計數(shù)。但單片機的計數(shù)器的最高頻率一般僅

7、為振蕩頻率的1／24，即在單片機外接12MHz晶振時，計數(shù)的最高頻率為0．5MHz，而74HC590的進位信號為一個與計數(shù)時鐘同頻的脈沖，因此單片機無法對其進行計數(shù)。為了解決這個問題，把T0腳接到74HC590的最高輸出端，對計數(shù)時鐘進行28分頻后計數(shù)，這樣，當T0工作于方式1，則總計數(shù)值可以到28＋16＝224。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

8、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　　如（1）式所示，要想得到精確的測量結(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行修正：D＝V（t－Tn）／2（4）　　式中，Tn為初值補償系數(shù)。我們在儀器中采用自動設(shè)置補償系數(shù)達到自動校準目的。（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；如測厚度則首先進行自動校準后即可測量。還可通過顯示屏上