自动化与仪器仪表
ZIDONGHUAYUYIQIYIBIAO 2002年第2期(总第100期) 文章编号:1001-9227(2002)02-0045-03
掌上多功能超声波测厚仪的原理及实现方法
李行健 杨陶3 陈绪跃33
(武汉大学电子信息学院)3
() 摘 要:,着重介绍了一种以AT89C51单片机为核心的超声波测厚仪
的基本原理及控制电路的实现方法。
关键词:超声检测 测厚仪 单片机
ABSTRACT:Throughpracticalexperencethispaperintroducesabasicprincipleofaultyasonic,thicnessgagebassedonaAT89C51Siglechipmicrocomputerandtherealizingmethodofthecontrolcir2cuit.
KEYWORDS:Ultrasonictesting Thicknessgage Siglechipmicrocomputer
中图分类号:TP368.1文献标识码:B
的材料,精度很高,但对工件表面光洁度要求较高,且
0 引 言
由于钢铁、航空、运输、化工、压力容器等行业对
厚度检测的迫切需要,超声波测厚的研究在国内外广泛开展,掌上多功能超声波测厚仪以其检验区小、检测范围宽、精度高、功能齐全、体积小、携带方便等优点而广泛应用,在某些场合更是非其它测厚仪所能替代。
1 超声波测厚的原理1.1 基本原理
装置复杂,使用局限性大,难于自动检测,自动控制。
脉冲反射法一般只能测量厚度为1mm以上的材料,精度较差,但对工件表面光洁度要求不高,可测略粗糙的材料。如采用一些精度处理,非常适用工业生产使用。
1.2 掌上多功能超声波测厚仪原理
掌上多功能超声波测厚仪的原理主要采用脉冲反射式超声波测厚的原理,如图1所示
。
超声波是一种机械纵波,是由于机械振动在弹性介质中产生的波动。超声波在同一均匀介质中传播时,其波速为一常数。超声波从一种介质传播到另一种介质时,在两介质的分界面上会产生反射。所以超声波脉冲自被测材料表面发出到接收底面反射脉冲的间隔时间正比于材料厚度,将这个时间转化为厚度值表示,即为被测材料厚度。这就是超声波测厚的基本原理。超声测厚其原理有共振法、干涉法、脉冲反射法三种。共振法、干涉法,可测厚度为0.1mm以上
其方法是将超声波短脉冲送入物体,当遇到物体
的边界时返回,得到回波,测量超声波脉冲通过被测
45
件所需的时间间隔,然后根据脉冲在被测件中的传播速度求出被测件厚度。被测件厚度D可用下式求出:
(1)D=VT/2
式中V为被测材料中的声速,T为超声脉冲在被测件两表面之间往返一次的时间。
脉冲反射式超声波测厚的原理简单,以脉冲方式工作,使它在仪器上更容易实现,且易做到体积小、速度快、精度高、耗电少。2 脉冲反射式超声波测厚仪的实现
频探头(10MHz),就能探测更薄的材料,因而拓宽了
仪器测量下限。如果选择第三种测量方法,效果和第二种不相上下,但数据采集较困难,且杂波较多。第二和第三种测量方法的测量电路较复杂,成本较高。我们在研制过程中,考虑到量程要求,采用了第二种测量方法。为了方便实现电路,我们在发射超声波的同时设计了一个计数门,由门脉冲控制计数的起始位置
。
实现原理及框图如图2所示。该系统主要由超声波发射电路及接收电路、动电路等组成窄,,激励压电晶片产生脉冲超声波,超声波在被测件上下两面形成多次反射,反射波经过压电晶片转变成电信号,经放大滤波后,由计时电路测出声波在被测件上下两面之间的传播时间t,送入单片机,然后通过单片机计算处理后,换算成厚度,送入驱动电路,由驱动电路输出信号给LCD显示器进行厚度显示
。
3.2 高速数据采集
由于探头工作频率最高为5MHz,按照采样定理,数据采集速度需在10MHz以上,通常选择为工作最高频率的4～5倍最好,本系统中使用的采样频率为50MHz。仪器的精度也和数据采集速度密切相关,例如,钢在声波纵波的传播速度为5900m/s,在一个周期内通过的折反距离为D=
=0.147(mm)
2×20×106
(2)
所以仪器的测量精度基本能满足要求,然后再采取一些其它补偿措施,例如自动校准补偿、软件补偿等,使仪器的精度达到0.01mm。3.3 计数问题
在硬件设计中,我们始终以小型化为标准,尽量减少硬件数量,所以单片机选用美国ATMEL公司生产的高性能AT89C51-20PC的单片机,片内有E2PROM,采用电擦除方式,程序修改方便,内存容量
3 测厚仪研制中几个关键问题的讨论3.1 往返时间的测量
往返时间的测量有以下三种方法:
(1)测量发射波T与第一次底波B1之间的时间;
(2)测量第一次底波B1与第二次底波B2之间的
时间;
(3)测量其后任意两相邻波之间的时间。
以上三种测量方式的选择可以通过不同的电路来实现,但它们对仪器的性能有很大的影响。如果选择第一种测量方法,则因发射脉冲幅度特别大,且脉宽也大,所以盲区影响就大,这就限制了仪器的测量下限,但仪器的电路简单,成本低。如果选择第二种测量方法,由于脉宽窄,能探测薄的材料,此时若用高46
足够,不增加任何外围设备。而计数器采用三态输出的8位二进制计数器74HC590一片。但仪器要求测量上限为200mm,因此计数上限为:
-3×2×fN=
5900
-36==1356小于211(3)
5900
通过计算发现只用一片8位二进制计数器74HC590是不能满足计数要求的。所以在设计中为
了避免74HC590的级联,设计中用单片机内部计数
器T0也参与计数。但单片机的计数器的最高频率一般仅为振荡频率的1/24,即在单片机外接12MHz晶振时,计数的最高频率为0.5MHz,而74HC590的进位信号为一个与计数时钟同频的脉冲,因此单片机无法对其进行计数。为了解决这个问题,把T0脚接到74HC590的最高输出端,对计数时钟进行28分频后计数,这样,当T0工作于方式1,则总计数值可以到28+16=224。3.4 多功能的体现多功能主要由AT89C51-20PC的软件处理的实现及更换不同探头及达到不同测量范围来体现。主要表现在以下几个方面:
(1)体积小,,器件尽量使用CMOS集成电路。由于仪器中很多元件都有特殊要求,特别是高频、高压、低噪等的特殊器件,尽量使用MAXIM公司贴片式芯片。
(2)操作简单
整个操作键仅五个,不需任何操作训练。(3)自动校准
如(1)式所示,要想得到精确的测量结果还必须修正由于探头接触测试件所引起的接触滞后及其它装配所引起的滞后,我们采用下列公式来进行修正:
(4)D=V(t-Tn)/2式中,Tn为初值补偿系数。我们在仪器中采用自
动设置补偿系数达到自动校准目的。
(4)测量状态显示
可由仪器提示是测材料厚度还是测声速。如测
声速则输入厚度值;如测厚度则首先进行自动校准后即可测量。还可通过显示屏上的显示符号可知当前测厚仪是处于哪一种测量状态,提示操作者。
(5)耦合状态显示如果在测量操作中,测量探头和工作面耦合得不好,立即会有一个符号提示操作者。
(6)背光显示
在液晶显示器下有一个背光条,便于在光线不好的工作现场操作时打开背光。
(7)。操作员可根据自己的需要设置上、下限报警值,若超出此值,仪器自动报警。
(9)数据保存每次开机时自动保持上一此测量结果。(10)电源电压不足显示
仪器电源由于采用的是干电池,电路除了采用低功耗的器件外,电源设计成断续小电流工作方式,探头未接触样品时,仪器仅工作在维持启动状态,当探头接触样品时,电路才开始工作。在使用一段时间后,若电源电压不足时,为防止误操作,仪器自动提醒使用者。
(11)更换不同探头,实现不同测量范围。
参考文献
1 潘荣宝.超声测厚仪及测厚.压力容器,第13卷第1期2 方佳音,过元恺.超声测厚仪改进的探讨.无损检测,第28
卷第8期
(上接第33页)
形象地模拟测控现场,并从整体和局部多角度对驱动
设备进行监控。使控制流程的模拟图形象地显示在屏幕上,为学生对整个系统进行监视与控制提供了一个直观的画面。
(3)下位机软件设计监控模拟工业环境的工作过程:下位机监测模拟工业环境中各种设备工作情况,实时地把采集到的数据进行处理和保存。同时,可根据上位机的控制命令,将所需数据通过总线传送给上位机。下位机可接受上位机发来的数据和命令。
3 结 语
该模拟监控实验室的构建,可为学生和教师提供一个较为逼真的教研实践工厂,它既能完成学生实验和实习的教学,又能满足教师科研的需求,更符合现代教学的新要求,可望尽早把该系统应用到相关专业的教学中去。
参考文献
1 孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用.北京:北京航空
航天大学出版社,1996
2 熊桂喜.计算机网络.北京:清华大学出版社,1996
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自动化与仪器仪表
ZIDONGHUAYUYIQIYIBIAO 2002年第2期(总第100期) 文章编号:1001-9227(2002)02-0045-03
掌上多功能超声波测厚仪的原理及实现方法
李行健 杨陶3 陈绪跃33
(武汉大学电子信息学院)3
() 摘 要:,着重介绍了一种以AT89C51单片机为核心的超声波测厚仪
的基本原理及控制电路的实现方法。
关键词:超声检测 测厚仪 单片机
ABSTRACT:Throughpracticalexperencethispaperintroducesabasicprincipleofaultyasonic,thicnessgagebassedonaAT89C51Siglechipmicrocomputerandtherealizingmethodofthecontrolcir2cuit.
KEYWORDS:Ultrasonictesting Thicknessgage Siglechipmicrocomputer
中图分类号:TP368.1文献标识码:B
的材料,精度很高,但对工件表面光洁度要求较高,且
0 引 言
由于钢铁、航空、运输、化工、压力容器等行业对
厚度检测的迫切需要,超声波测厚的研究在国内外广泛开展,掌上多功能超声波测厚仪以其检验区小、检测范围宽、精度高、功能齐全、体积小、携带方便等优点而广泛应用,在某些场合更是非其它测厚仪所能替代。
1 超声波测厚的原理1.1 基本原理
装置复杂,使用局限性大,难于自动检测,自动控制。
脉冲反射法一般只能测量厚度为1mm以上的材料,精度较差,但对工件表面光洁度要求不高,可测略粗糙的材料。如采用一些精度处理,非常适用工业生产使用。
1.2 掌上多功能超声波测厚仪原理
掌上多功能超声波测厚仪的原理主要采用脉冲反射式超声波测厚的原理,如图1所示
。
超声波是一种机械纵波,是由于机械振动在弹性介质中产生的波动。超声波在同一均匀介质中传播时,其波速为一常数。超声波从一种介质传播到另一种介质时,在两介质的分界面上会产生反射。所以超声波脉冲自被测材料表面发出到接收底面反射脉冲的间隔时间正比于材料厚度,将这个时间转化为厚度值表示,即为被测材料厚度。这就是超声波测厚的基本原理。超声测厚其原理有共振法、干涉法、脉冲反射法三种。共振法、干涉法,可测厚度为0.1mm以上
其方法是将超声波短脉冲送入物体,当遇到物体
的边界时返回,得到回波,测量超声波脉冲通过被测
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件所需的时间间隔,然后根据脉冲在被测件中的传播速度求出被测件厚度。被测件厚度D可用下式求出:
(1)D=VT/2
式中V为被测材料中的声速,T为超声脉冲在被测件两表面之间往返一次的时间。
脉冲反射式超声波测厚的原理简单,以脉冲方式工作,使它在仪器上更容易实现,且易做到体积小、速度快、精度高、耗电少。2 脉冲反射式超声波测厚仪的实现
频探头(10MHz),就能探测更薄的材料,因而拓宽了
仪器测量下限。如果选择第三种测量方法,效果和第二种不相上下,但数据采集较困难,且杂波较多。第二和第三种测量方法的测量电路较复杂,成本较高。我们在研制过程中,考虑到量程要求,采用了第二种测量方法。为了方便实现电路,我们在发射超声波的同时设计了一个计数门,由门脉冲控制计数的起始位置
。
实现原理及框图如图2所示。该系统主要由超声波发射电路及接收电路、动电路等组成窄,,激励压电晶片产生脉冲超声波,超声波在被测件上下两面形成多次反射,反射波经过压电晶片转变成电信号,经放大滤波后,由计时电路测出声波在被测件上下两面之间的传播时间t,送入单片机,然后通过单片机计算处理后,换算成厚度,送入驱动电路,由驱动电路输出信号给LCD显示器进行厚度显示
。
3.2 高速数据采集
由于探头工作频率最高为5MHz,按照采样定理,数据采集速度需在10MHz以上,通常选择为工作最高频率的4～5倍最好,本系统中使用的采样频率为50MHz。仪器的精度也和数据采集速度密切相关,例如,钢在声波纵波的传播速度为5900m/s,在一个周期内通过的折反距离为D=
=0.147(mm)
2×20×106
(2)
所以仪器的测量精度基本能满足要求,然后再采取一些其它补偿措施,例如自动校准补偿、软件补偿等,使仪器的精度达到0.01mm。3.3 计数问题
在硬件设计中,我们始终以小型化为标准,尽量减少硬件数量,所以单片机选用美国ATMEL公司生产的高性能AT89C51-20PC的单片机,片内有E2PROM,采用电擦除方式,程序修改方便,内存容量
3 测厚仪研制中几个关键问题的讨论3.1 往返时间的测量
往返时间的测量有以下三种方法:
(1)测量发射波T与第一次底波B1之间的时间;
(2)测量第一次底波B1与第二次底波B2之间的
时间;
(3)测量其后任意两相邻波之间的时间。
以上三种测量方式的选择可以通过不同的电路来实现,但它们对仪器的性能有很大的影响。如果选择第一种测量方法,则因发射脉冲幅度特别大,且脉宽也大,所以盲区影响就大,这就限制了仪器的测量下限,但仪器的电路简单,成本低。如果选择第二种测量方法,由于脉宽窄,能探测薄的材料,此时若用高46
足够,不增加任何外围设备。而计数器采用三态输出的8位二进制计数器74HC590一片。但仪器要求测量上限为200mm,因此计数上限为:
-3×2×fN=
5900
-36==1356小于211(3)
5900
通过计算发现只用一片8位二进制计数器74HC590是不能满足计数要求的。所以在设计中为
了避免74HC590的级联,设计中用单片机内部计数
器T0也参与计数。但单片机的计数器的最高频率一般仅为振荡频率的1/24,即在单片机外接12MHz晶振时,计数的最高频率为0.5MHz,而74HC590的进位信号为一个与计数时钟同频的脉冲,因此单片机无法对其进行计数。为了解决这个问题,把T0脚接到74HC590的最高输出端,对计数时钟进行28分频后计数,这样,当T0工作于方式1,则总计数值可以到28+16=224。3.4 多功能的体现多功能主要由AT89C51-20PC的软件处理的实现及更换不同探头及达到不同测量范围来体现。主要表现在以下几个方面:
(1)体积小,,器件尽量使用CMOS集成电路。由于仪器中很多元件都有特殊要求,特别是高频、高压、低噪等的特殊器件,尽量使用MAXIM公司贴片式芯片。
(2)操作简单
整个操作键仅五个,不需任何操作训练。(3)自动校准
如(1)式所示,要想得到精确的测量结果还必须修正由于探头接触测试件所引起的接触滞后及其它装配所引起的滞后,我们采用下列公式来进行修正:
(4)D=V(t-Tn)/2式中,Tn为初值补偿系数。我们在仪器中采用自
动设置补偿系数达到自动校准目的。
(4)测量状态显示
可由仪器提示是测材料厚度还是测声速。如测
声速则输入厚度值;如测厚度则首先进行自动校准后即可测量。还可通过显示屏上的显示符号可知当前测厚仪是处于哪一种测量状态,提示操作者。
(5)耦合状态显示如果在测量操作中,测量探头和工作面耦合得不好,立即会有一个符号提示操作者。
(6)背光显示
在液晶显示器下有一个背光条,便于在光线不好的工作现场操作时打开背光。
(7)。操作员可根据自己的需要设置上、下限报警值,若超出此值,仪器自动报警。
(9)数据保存每次开机时自动保持上一此测量结果。(10)电源电压不足显示
仪器电源由于采用的是干电池,电路除了采用低功耗的器件外,电源设计成断续小电流工作方式,探头未接触样品时,仪器仅工作在维持启动状态,当探头接触样品时,电路才开始工作。在使用一段时间后,若电源电压不足时,为防止误操作,仪器自动提醒使用者。
(11)更换不同探头,实现不同测量范围。
参考文献
1 潘荣宝.超声测厚仪及测厚.压力容器,第13卷第1期2 方佳音,过元恺.超声测厚仪改进的探讨.无损检测,第28
卷第8期
(上接第33页)
形象地模拟测控现场,并从整体和局部多角度对驱动
设备进行监控。使控制流程的模拟图形象地显示在屏幕上,为学生对整个系统进行监视与控制提供了一个直观的画面。
(3)下位机软件设计监控模拟工业环境的工作过程:下位机监测模拟工业环境中各种设备工作情况,实时地把采集到的数据进行处理和保存。同时,可根据上位机的控制命令,将所需数据通过总线传送给上位机。下位机可接受上位机发来的数据和命令。
3 结 语
该模拟监控实验室的构建,可为学生和教师提供一个较为逼真的教研实践工厂,它既能完成学生实验和实习的教学,又能满足教师科研的需求,更符合现代教学的新要求,可望尽早把该系统应用到相关专业的教学中去。
参考文献
1 孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用.北京:北京航空
航天大学出版社,1996
2 熊桂喜.计算机网络.北京:清华大学出版社,1996
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