工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量檢測中，經(jīng)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、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)目的平安性和可靠性，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)中的傳達(dá)特性來發(fā)現(xiàn)資料缺陷和壁厚，脈沖反射式測厚法實(shí)質(zhì)上是丈量超聲波脈沖在資料中的往返傳達(dá)時(shí)間。

   超聲波丈量按工作原理分，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)用比擬廣泛的一種，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，傳達(dá)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，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常數(shù)，所以被測物體的厚度可由下式算出：d=vt2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)它兩電極加脈沖信號(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)，從而發(fā)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，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)是發(fā)生一個(gè)超聲波信號，將超聲波信號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，然后將得到數(shù)據(jù)采樣并且峰值堅(jiān)持，然后送給信號處置模塊，因此它本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)局部，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)信號發(fā)生電路，發(fā)射接收放大電路，放大檢波電路，采樣峰值堅(jiān)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中央處置器)發(fā)出測厚同步信號，觸發(fā)發(fā)射電路，使直探頭發(fā)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)積分堅(jiān)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)處置，并顯示之12864液晶顯示模塊。

3軟件順序設(shè)計(jì)

   軟件順序設(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)的主程序中，首先進(jìn)行初始化，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)采集處置模塊門，CPLD軟件實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示，丈量的過程如下。

   1儀器上電，進(jìn)入丈量狀態(tài)，CPU首先對CPLD進(jìn)行初始化，使計(jì)數(shù)器及鎖存器清零，CPLD等待CPU發(fā)射請求。

   2若接收到CPU發(fā)射請求，CPLD發(fā)生一個(gè)幾百納秒的觸發(fā)信號，開通高壓電路，激勵(lì)探頭發(fā)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1300mm丈量范圍，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丈量范圍。如果CPLD資源比擬緊張，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合理的時(shí)間內(nèi)未接收到回波信號，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接收到回波信號時(shí)，還需對接收的回波信號做寬度檢測，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防止由于探頭藕合不良而引起讀數(shù)不準(zhǔn)確的情況。

   4CPLD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1CPU讀取所需的信息。值得注意的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)對稱性計(jì)算出其中點(diǎn)，而不用花費(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。本順序進(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)本錢，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，而且在滿足丈量精度的前提下，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>=46dB

   垂直線性誤差<=5％；

   水平線性誤差<=1％；

   衰減精度每12dB±0．6

   分辯率>=22dB

   動(dòng)態(tài)范圍>=32dB

   測厚精度0．05mm