工業生產和產品質量檢測中，經常需要在無損條件下測出工件的厚度，從而確定是否符合設計要求。目前，鋼板是鋼材的四大品種(板、管、型、絲)之一，被廣泛應用于高層建筑、橋梁、海上石油平臺、大型輪船等工程項目中，其厚度直接關系著這些工程項目的平安性和可靠性，鋼板測厚方面，超聲波無損測厚方法將(jiang)得到廣泛應用(yong)。

1超聲測厚的原理

   超(chao)(chao)聲(sheng)測(ce)厚的基本原理是利用超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)在介質(zhi)中(zhong)的傳達特性來發現資(zi)(zi)料缺陷(xian)和壁厚，脈(mo)沖(chong)反(fan)射式(shi)測(ce)厚法(fa)實(shi)質(zhi)上(shang)是丈量超(chao)(chao)聲(sheng)波(bo)脈(mo)沖(chong)在資(zi)(zi)料中(zhong)的往返傳達時(shi)間。

   超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)丈量按工作原理(li)分，有共振法(fa)(fa)、干涉法(fa)(fa)及脈沖(chong)回波(bo)(bo)(bo)(bo)法(fa)(fa)等幾種。由于脈沖(chong)回波(bo)(bo)(bo)(bo)法(fa)(fa)不涉及共振機理(li)，與被(bei)測物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)表面的(de)光潔度(du)(du)(du)關系不密切，所以(yi)超(chao)聲脈沖(chong)回波(bo)(bo)(bo)(bo)法(fa)(fa)也(ye)是應用(yong)(yong)比擬廣泛的(de)一(yi)種，其原理(li)用(yong)(yong)超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)探頭(tou)向被(bei)測物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)發(fa)出超(chao)聲脈沖(chong)，此超(chao)聲脈沖(chong)便在被(bei)測物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)內(nei)傳播，傳達(da)至被(bei)測物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)的(de)底面時反射(she)，反射(she)回來的(de)超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)又被(bei)超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)探頭(tou)接(jie)收，這(zhe)樣(yang)，從(cong)超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)探頭(tou)發(fa)出超(chao)聲脈沖(chong)到超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)探頭(tou)接(jie)收到反射(she)脈沖(chong)所用(yong)(yong)的(de)時間t可通過電路(lu)精確地(di)檢(jian)測出來，t時間內(nei)超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)在被(bei)測物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)內(nei)完(wan)成了(le)一(yi)個往返，如(ru)圖1所示(shi)。如(ru)果被(bei)測物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)的(de)厚(hou)度(du)(du)(du)用(yong)(yong)d表示(shi)，超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)總行(xing)程就是2d由于聲波(bo)(bo)(bo)(bo)在某(mou)一(yi)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)內(nei)傳播的(de)速(su)度(du)(du)(du)c常數，所以(yi)被(bei)測物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)的(de)厚(hou)度(du)(du)(du)可由下式算出：d=vt2式中(zhong)：d-被(bei)測物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)體(ti)(ti)厚(hou)度(du)(du)(du)；v-超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)速(su)度(du)(du)(du)；t-超(chao)聲波(bo)(bo)(bo)(bo)從(cong)管射(she)到接(jie)收回波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)時間。

   超聲(sheng)波傳感器(qi)(qi)分(fen)發射器(qi)(qi)和(he)接收器(qi)(qi)兩(liang)部(bu)分(fen)，超聲(sheng)波傳感器(qi)(qi)按其作用原理(li)可分(fen)為壓(ya)電式(shi)、磁致伸縮式(shi)、電磁式(shi)等數種，最(zui)常(chang)用的(de)壓(ya)電式(shi)傳感器(qi)(qi)。

   壓(ya)(ya)電(dian)式(shi)超聲(sheng)波傳感(gan)器(qi)探頭(tou)的(de)核(he)心為(wei)壓(ya)(ya)電(dian)晶片，利用(yong)壓(ya)(ya)電(dian)效應實現聲(sheng)電(dian)轉換，其振(zhen)動(dong)頻率(lv)在幾百千(qian)赫以上，當它兩電(dian)極加脈(mo)沖信號(hao)(觸發脈(mo)沖)若其頻率(lv)等于晶片的(de)固有頻率(lv)時(shi)，壓(ya)(ya)電(dian)晶片就會發生(sheng)共(gong)(gong)(gong)振(zhen)，并帶動(dong)共(gong)(gong)(gong)振(zhen)板(ban)振(zhen)動(dong)，從(cong)而發生(sheng)超聲(sheng)波。相反，若電(dian)極間未加電(dian)壓(ya)(ya)，則當共(gong)(gong)(gong)振(zhen)板(ban)接收到回(hui)波信號(hao)時(shi)，將壓(ya)(ya)迫兩壓(ya)(ya)電(dian)晶片振(zhen)動(dong)，從(cong)而將機(ji)械能轉換為(wei)電(dian)信號(hao)，此時(shi)的(de)傳感(gan)器(qi)就成(cheng)了超聲(sheng)波接收器(qi)。

2超聲(sheng)波測厚系(xi)統電路總(zong)體結構及工作原理(li)

   超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)測厚系統模塊的(de)主要任務是發生(sheng)一(yi)個超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)信(xin)號(hao)(hao)，將超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)信(xin)號(hao)(hao)放大后加載到超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)探頭上，超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)探頭帶動(dong)被測物體(ti)發生(sheng)共振(zhen)，然后將得到數據采(cai)樣并且峰值堅持，然后送給信(xin)號(hao)(hao)處(chu)置模塊，因(yin)此它本設計的(de)基(ji)礎局(ju)部，實(shi)現將檢測信(xin)息(xi)(xi)娩出，得到良好超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)回(hui)波(bo)信(xin)息(xi)(xi)的(de)關鍵所在

   本超聲波(bo)測(ce)厚系(xi)統模(mo)(mo)塊主要由觸發信號發生電(dian)路，發射接收放大電(dian)路，放大檢波(bo)電(dian)路，采樣峰值堅持電(dian)路，模(mo)(mo)數(shu)轉(zhuan)換電(dian)路，液(ye)晶顯示電(dian)路和CPLD運算及控制電(dian)路等構(gou)成(cheng)。其電(dian)路構(gou)成(cheng)設計(ji)如圖(tu)2

   當通電開始測厚(hou)時(shi)(shi)，由CPU中央處(chu)置器)發出測厚(hou)同步信號，觸發發射(she)(she)電路，使直探頭發生超(chao)聲波入(ru)射(she)(she)至工件(jian)，當超(chao)聲波返回探頭時(shi)(shi)，首先經過衰減，然后放(fang)大(da)檢(jian)波取樣，所得厚(hou)度時(shi)(shi)間方波經積分堅持器送ADC574模(mo)數(shu)轉換器，模(mo)數(shu)轉換之后送CPLD進(jin)行數(shu)據(ju)處(chu)置，并顯(xian)示之12864液晶顯(xian)示模(mo)塊。

3軟件順序設計

   軟(ruan)(ruan)件順(shun)序設(she)計(ji)框圖如圖3所示(shi)(shi)，系(xi)統(tong)軟(ruan)(ruan)件是根據(ju)本儀(yi)器的功(gong)能而(er)設(she)計(ji)的主程(cheng)序中，首(shou)先進行初始(shi)化(hua)，初始(shi)化(hua)中完成設(she)置堆棧指針，定義顯(xian)示(shi)(shi)單(dan)元，設(she)置顯(xian)示(shi)(shi)緩沖區地址(zhi)，顯(xian)示(shi)(shi)數據(ju)地址(zhi)，然后讀開(kai)關(guan)量，根據(ju)手(shou)動開(kai)關(guan)的要(yao)求轉入校(xiao)正，探(tan)傷或測厚處理程(cheng)序，若以上三種(zhong)情況都不(bu)是則使得數碼管上顯(xian)示(shi)(shi)為零，最后返(fan)回讀開(kai)關(guan)量。

4測厚程序設計

   由于(yu)本系統采(cai)用的(de)(de)12位(wei)輸(shu)出的(de)(de)ADC574模數轉(zhuan)換(huan)器，所以可保(bao)證(zheng)很高的(de)(de)測厚精度，本系統超聲(sheng)測厚儀采(cai)用VerilogHD編程實(shi)現數據采(cai)集處置模塊門，CPLD軟件實(shi)現方法如圖4所示，丈量的(de)(de)過(guo)程如下。

   1儀器上電(dian)，進入丈量狀態，CPU首先對CPLD進行初始化，使計數器及鎖存(cun)器清零，CPLD等待CPU發(fa)射請求(qiu)。

   2若接收到CPU發(fa)(fa)射請(qing)求(qiu)，CPLD發(fa)(fa)生一個幾百納秒的(de)觸發(fa)(fa)信號，開通(tong)高(gao)壓(ya)電路，激勵探頭發(fa)(fa)生超聲(sheng)波，同時啟動計(ji)數(shu)器(qi)(qi)開始計(ji)數(shu)。根據測(ce)厚(hou)儀(yi)1300mm丈量范圍(wei)，采(cai)用(yong)(yong)軟件自(zi)帶的(de)一個16位計(ji)數(shu)器(qi)(qi)即可涵蓋所需要的(de)丈量范圍(wei)。如果CPLD資源(yuan)比擬(ni)緊(jin)張，還(huan)可以(yi)用(yong)(yong)VerilogHDL語言設計(ji)一個合(he)適位數(shu)的(de)計(ji)數(shu)器(qi)(qi)(例(li)如12位計(ji)數(shu)器(qi)(qi))以(yi)達到合(he)理利(li)用(yong)(yong)資源(yuan)的(de)效果。

   3如果(guo)CPLD合(he)理(li)的(de)(de)時間(jian)內未接收到(dao)回(hui)(hui)波(bo)(bo)信號，則回(hui)(hui)波(bo)(bo)有(you)效標(biao)志位為(wei)0鎖存(cun)器里(li)的(de)(de)數(shu)據無效，CPU不(bu)讀取。當(dang)CPLD接收到(dao)回(hui)(hui)波(bo)(bo)信號時，還需(xu)對接收的(de)(de)回(hui)(hui)波(bo)(bo)信號做寬度檢測(ce)，僅當(dang)回(hui)(hui)波(bo)(bo)寬度在合(he)理(li)范圍內，才認(ren)為(wei)是(shi)有(you)效的(de)(de)回(hui)(hui)波(bo)(bo)寬度檢測(ce)是(shi)為(wei)了防止由于探頭藕合(he)不(bu)良而引起(qi)讀數(shu)不(bu)準確的(de)(de)情況。

   4CPLD檢測到有效(xiao)回波(bo)(bo)時，鎖存回波(bo)(bo)從發射到接(jie)收(shou)所(suo)用的(de)時間、回波(bo)(bo)的(de)前沿(yan)(yan)及后沿(yan)(yan)等相(xiang)關(guan)信息，回波(bo)(bo)有效(xiao)標(biao)志(zhi)位置1CPU讀(du)取(qu)所(suo)需的(de)信息。值得注意的(de)超聲測厚儀回波(bo)(bo)的(de)數據(ju)采集中，只檢測回波(bo)(bo)的(de)前、后沿(yan)(yan)，根據(ju)對稱性(xing)計(ji)算出其(qi)中點，而不(bu)用花費(fei)更多的(de)資(zi)源計(ji)算其(qi)峰(feng)值。這樣做使(shi)儀器(qi)的(de)結構更簡單，體積更小巧，功(gong)耗也較低。本順序進(jin)行(xing)連(lian)續采集256次(ci)數據(ju)累加求厚度的(de)平(ping)均值，再(zai)進(jin)行(xing)十六(liu)進(jin)制(zhi)到十進(jin)制(zhi)的(de)轉換，顯示出十進(jin)制(zhi)的(de)厚度值。

5結束語

   超聲測厚儀(yi)中應用低(di)(di)功耗CPLD可降低(di)(di)產品(pin)的(de)生產本錢，提高系統的(de)可靠性，縮(suo)小設計(ji)的(de)物理體(ti)積，靈活(huo)性更好，而且在滿足丈(zhang)量精度的(de)前提下，大大降低(di)(di)了儀(yi)器整體(ti)的(de)靜態功耗。本系統的(de)結論(lun)：

   1本系(xi)統探頭(tou)及測厚不受工件形(xing)狀厚薄限制，靈敏度(du)高。

   2本系統性能(neng)指標達到如下(xia)數(shu)值(zhi)：

   探傷靈敏度余(yu)量>=46dB

   垂直(zhi)線性(xing)誤(wu)差<=5％；

   水平線性誤差<=1％；

   衰(shuai)減(jian)精度每12dB±0．6

   分辯率>=22dB

   動態范圍>=32dB

   測(ce)厚(hou)精度0．05mm