摘要：介紹了超聲波測犀以及用CPLD來實(shí)現(xiàn)測量控制與數(shù)據(jù)處理的原理,，并著重介紹了一些具體的處理方法,。通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地測量數(shù)據(jù),，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單,、工作可靠、測量誤差小等特點(diǎn),。
關(guān)鍵詞：超聲波,；CPLD；測厚
0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量檢測中,，常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(shè)計(jì)要求。目前,，鋼板是鋼材的四大品種(板,、管、型,、絲)之一,，被廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁,、海上石油平臺(tái),、大型輪船等工程項(xiàng)目中，其厚度直接關(guān)系著這些工程項(xiàng)目的安全性和可靠性,，在鋼板測厚方面,，超聲波無損測厚方法將得到廣泛應(yīng)用,。
1 超聲測厚的原理
超聲測厚的基本原理是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性來發(fā)現(xiàn)材料缺陷和壁厚，脈沖反射式測厚法實(shí)質(zhì)上是測量超聲波脈沖在材料中的往返傳播時(shí)間,。
超聲波測量按工作原理分,，有共振法、干涉法及脈沖回波法等幾種,。由于脈沖回波法不涉及共振機(jī)理,，與被測物表面的光潔度關(guān)系不密切，所以超聲脈沖回波法也是應(yīng)用比較廣泛的一種,，其原理用超聲波探頭向被測物體發(fā)出超聲脈沖,，此超聲脈沖便在被測物體內(nèi)傳播，傳播至被測物體的底面時(shí)反射,，反射回來的超聲波又被超聲波探頭接收,，這樣，從超聲波探頭發(fā)出超聲脈沖到超聲波探頭接收到反射脈沖所用的時(shí)間t可通過電路精確地檢測出來,，在t時(shí)間內(nèi)超聲波在被測物體內(nèi)完成了一個(gè)往返,，如圖1所示。如果被測物體的厚度用d表示,，超聲波的總行程就是2d,，由于聲波在某一物體內(nèi)傳播的速度c是常數(shù)，所以被測物體的厚度可由下式算出：d=vt／2,。式中：d-被測物體厚度,；v-超聲波速度；t-超聲波從管射到接收回波的時(shí)間,。
超聲波傳感器分發(fā)射器和接收器兩部分,，超聲波傳感器按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式,、電磁式等數(shù)種,，最常用的是壓電式傳感器。
壓電式超聲波傳感器探頭的核心為壓電晶片,，利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換,，其振動(dòng)頻率在幾百千赫以上，當(dāng)它的兩電極加脈沖信號(hào)(觸發(fā)脈沖),，若其頻率等于晶片的固有頻率時(shí),，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng),，從而產(chǎn)生超聲波,。相反，若電極間未加電壓,，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí),，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng),，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器,。
2 超聲波測厚系統(tǒng)電路總體結(jié)構(gòu)及工作原理
超聲波測厚系統(tǒng)模塊的主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)超聲波信號(hào),，將超聲波信號(hào)放大后加載到超聲波探頭上，超聲波探頭帶動(dòng)被測物體發(fā)生共振,，然后將得到的數(shù)據(jù)采樣并且峰值保持,，然后送給信號(hào)處理模塊，因此它是本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)部分,，是實(shí)現(xiàn)將檢測信息娩出,，得到良好超聲波回波信息的關(guān)鍵所在。
本超聲波測厚系統(tǒng)模塊主要由觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路,，發(fā)射接收放大電路,，放大檢波電路,，采樣峰值保持電路,，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，液晶顯示電路和CPLD運(yùn)算及控制電路等構(gòu)成,。其電路構(gòu)成設(shè)計(jì)如圖2：
當(dāng)通電開始測厚時(shí),，由CPU(中央處理器)發(fā)出測厚同步信號(hào)，觸發(fā)發(fā)射電路,，使直探頭產(chǎn)生超聲波入射至工件,，當(dāng)超聲波返回探頭時(shí)，首先經(jīng)過衰減,，然后放大檢波取樣,，所得厚度時(shí)間方波經(jīng)積分保持器送ADC574模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換之后送CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，并顯示之12864液晶顯示模塊,。
3 軟件程序設(shè)計(jì)
軟件程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，系統(tǒng)軟件是根據(jù)本儀器的功能而設(shè)計(jì)的,，在主程序中,，首先進(jìn)行初始化，在初始化中完成設(shè)置堆棧指針,，定義顯示單元,，設(shè)置顯示緩沖區(qū)地址，顯示數(shù)據(jù)地址,，然后讀開關(guān)量,，根據(jù)手動(dòng)開關(guān)的要求轉(zhuǎn)入校正，探傷或測厚處理程序,，若以上三種情況都不是,，則使得數(shù)碼管上顯示為零,，最后返回讀開關(guān)量。
4 測厚程序設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)采用的是12位輸出的ADC574模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，所以可保證很高的測厚精度,，本系統(tǒng)超聲測厚儀采用VerilogHD編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理模塊門，它的CPLD軟件實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示,，測量的過程如下,。
(1)儀器上電，進(jìn)入測量狀態(tài),，CPU首先對(duì)CPLD進(jìn)行初始化,，使計(jì)數(shù)器及鎖存器清零，CPLD等待CPU的發(fā)射請(qǐng)求,。
(2)若接收到CPU的發(fā)射請(qǐng)求,，CPLD產(chǎn)生一個(gè)幾百納秒的觸發(fā)信號(hào)，開通高壓電路,，激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波,，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。根據(jù)測厚儀1～300 mm的測量范圍,，采用軟件自帶的一個(gè)16位計(jì)數(shù)器即可涵蓋所需要的測量范圍,。如果CPLD的資源比較緊張，還可以用VerilogHDL語言設(shè)計(jì)一個(gè)合適位數(shù)的計(jì)數(shù)器(例如12位計(jì)數(shù)器),，以達(dá)到合理利用資源的效果,。
(3)如果CPLD在合理的時(shí)間內(nèi)未接收到回波信號(hào)，則回波有效標(biāo)志位為0,，鎖存器里的數(shù)據(jù)無效,，CPU不讀取。當(dāng)CPLD接收到回波信號(hào)時(shí),，還需對(duì)接收的回波信號(hào)做寬度檢測,，僅當(dāng)回波寬度在合理范圍內(nèi)，才認(rèn)為是有效的,，回波寬度檢測是為了避免由于探頭藕合不良而引起讀數(shù)不準(zhǔn)確的情況,。
(4)CPLD檢測到有效回波時(shí)，鎖存回波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間,、回波的前沿及后沿等相關(guān)信息,，回波有效標(biāo)志位置1，CPU讀取所需的信息,。值得注意的是,，在超聲測厚儀回波的數(shù)據(jù)采集中，只檢測回波的前、后沿,，根據(jù)對(duì)稱性計(jì)算出其中點(diǎn),，而不必花費(fèi)更多的資源計(jì)算其峰值。這樣做使儀器的結(jié)構(gòu)更簡單,，體積更小巧,，功耗也較低。本程序進(jìn)行連續(xù)采集256次數(shù)據(jù)累加求厚度的平均值,，再進(jìn)行十六進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換,，顯示出十進(jìn)制的厚度值。
5 結(jié)束語
超聲測厚儀中應(yīng)用低功耗CPLD,，可降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,，提高系統(tǒng)的可靠性，縮小設(shè)計(jì)的物理體積,，靈活性更好,，而且在滿足測量精度的前提下，大大降低了儀器整體的靜態(tài)功耗,。本系統(tǒng)的結(jié)論：
(1)本系統(tǒng)探頭及測厚不受工件形狀厚薄限制,，靈敏度高。
(2)本系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到如下數(shù)值：
探傷靈敏度余量>=46 dB,；
垂直線性誤差<=5％,；
水平線性誤差<=1％；
衰減精度每12 dB±0．6,；
分辯率>=22 dB；
動(dòng)態(tài)范圍>=32 dB,；
測厚精度0．05 mm,。