超声反射法测厚仪的智能化设计

1　引言　　由于受早期电子技术的局限，老式的超声反射法测厚仪均为纯硬件结构，在电气性能和物理性能等方面都不尽人意。随着电子技术的不断进步。尤其是单片机技术的飞速发展，对超声波测厚仪的智能化改造已成为必然。采用单片机设计制作的超声波测厚仪，可以使测厚仪的厚度标定、声速设定、声速调整等操作实现智能化，全部测量过程由按键开关操作，实现PVC面膜式结构，同时还可以简化电路、降低成本、减少功耗。本文将向读者介绍超声波反射法测厚仪的工作原理及其智能化的设计。
      2　超声反射法测厚仪的工作原理　　用超声波探头向被测物体发出超声脉冲，此超声脉冲便在被测物体内传播，传播至被测物体的底面时发出反射，反射回来的超声波又被超声波探头接收。这样，从超声波探头发出超声脉冲到超声波探头接收到反射脉冲所用的时间t可通过电路**地检测出来，在t时间内超声波在被测物体内完成了一个往返。如果被测物体的厚度用d表示，超声波的总行程就是2d。由于声波在某一物体内传播的速度c是常数，(例如：钢的声速是5950m／s，石英玻璃的声速是5570m／s)所以被测物体的厚度可由下式算出：　　测厚仪的实际工作过程由图2－1加以说明。首先由电路产生的高电压窄脉冲T输送给超声波探头、超声波探头将高压电脉冲转变成同频率的超声波脉冲，通过耦合剂传播至被测物体表面，其中一部分由被测物体表面反射回来，为上表面波S。其余部分射入被测物体，再从被测物体的底面反射回来，为底面反射波B，反射波B又被超声波探头接收并转换为电信号送入电路，经放大后同发射脉冲一起送入闸门电路产生闸门脉冲。当被测物体较厚时，超声波束在物体内传播的时间长，产生的闸门脉冲就宽。被测物体较薄时，超声波束在被测物体内传播的时间短，产生的闸门脉冲就窄。将闸门脉冲和时钟脉冲送给与门电路，由于闸门脉冲的宽度不同，与门输出的时钟脉冲数就不同，由此反映被测物体厚度值，将与门输出的脉冲数经标度变换后送给显示电路，显示被测物体的实际厚度。图2－1　测厚仪工作过程图　　超声波探头采用收发独立式，其结构示意图如图2－2。图2－2　超声波探头结构示意图　　收发两部分做在一个壳体内，中间由隔离层分开。收发两部分的特性是相同的，使用中可互换。探头的核心元件是压电陶瓷晶片，它具有声电转换特性。做为发射使用时，把电路送入的电脉冲转变成超声波脉冲。做为接收使用时，又可将接收到的超声波变成电信号送回电路。压电陶瓷晶片两侧的电极分别与同轴电缆的内导体和外导体连接。 
        
         3　超声反射法测厚仪的智能化设计　　超声反射法测厚仪智能化设计简化的硬件图见图3－1。由于受篇幅的限制，虚线以下的非智能单元仅以方框图作以介绍。虚线以上为智能单元将以原理图的形式详细讨论。

图3－1　测厚仪硬件图　　非智能化单元由6部分构成，首先由发射脉冲振荡器产生频率2kHz的方波，送给发射脉冲整形放大电路，使其变成脉冲宽度3μs，幅度为100V的窄脉冲去驱动超声波探头，超声波探头将电脉冲转变成超声波束射入被测物体，在被测物体底面发生反射，反射波又被超声波探头接收并转变成电脉冲，但此时脉冲幅度在传播和转换过程中已被衰减为几毫伏。然后，将接收到的反射脉冲送给反射脉冲放大器放大至逻辑电平，同发射脉冲一起送给闸门发生电路产生闸门脉冲。闸门脉冲的前沿和后沿分别由发射脉冲和反射脉冲确定，即闸门宽度为超声波在被测物体内入射和反射所用的时间。*后将闸门脉冲和12.8MHz的时钟脉冲送给与门电路。闸门脉冲到来时，时钟脉冲通过与门输出。闸门脉冲没来到时与门无时钟脉冲输出。与门通过的时钟脉冲数可反映被测物体的厚度，并将其送入智能化单元进行相关处理。

　　单片机89C51及周围元件构成智能单元，89C51是一种低功耗，内含4K字节快擦写EPROM的8位单片机，其指令系统与80C51完全兼容。各功能设计如下。

　　(1)厚度信号的采集和输出显示

　　二输入端与门74HC00在闸门脉冲的控制下输出时钟脉冲(闸门脉冲)，再经CD4520进行256分频后加到单片机的定时／计数口P3.4，由单片机进行采集。256分频是完成脉冲数与厚度值间标度变换需要。仪器的测量采用测量信号中断方式，没有进入测量状态时，无中断信号发生。进入测量状态时，超声波探头便收到反射脉冲，闸门发生器产生闸门脉冲，闸门脉冲送给中断信号发生器产生中断请求信号控制外中断口P3.2，CPU响应中断，执行测量程序，采集闸门脉冲，对其进行相关的数据处理，将处理后的厚度信号由单片机的P1.1口输出给ICM7224的输入端CI，经ICM7224计数、译码后直接驱动4位液晶片(LCD)，显示厚度值。ICM7224是单片CMOS4位计数／译码／LCD驱动器，本设计只使用4个整数位、前面的半位不用，使用时悬空。每位的7段笔划引脚直接与液晶对应的笔段相连。图中的BP引脚是背电极驱动端，用于驱动液晶的公共电极。单片机P1.4、P1.5口输出控制信号，控制ICM7224的锁存和复位。

　　(2)键盘接口

　　图3－1中K1～K4分别是声速设定、厚度标定、声速增、声速减4个功能键，功能键采用中断扫描方式。没有键按下时，四输入端与门CD4082的4个输入端和单片机的P1.0、P1.2、P1.3、P1.6口在上拉电阻R1～R4的作用下呈高电平，CD4082的输出端也是高电平，无中断请求。按下某键时，CD4082的某一输入端被接地，输出端变成低电平，向CPU发出中断请求，单片机响应中断，执行中断服务程序，扫描键盘，判断P1.0、P1.2、P1.3、P1.6口电平，确定按下的是哪一个键，并转去执行该键功能所赋予的处理程序。

　　(3)开机和关机控制

　　模拟开关CD4066和按键K5构成电源开关电路，按下K5时，单片机接通5V电源，开关控制程序使P3.0口输出高电平控制CD4066的控制端，使其导通，接续K5给系统供电。单片机内设有定时电路，只要测厚仪停止测量，定时程序开始计时，到60s时，P3.0口变成低电平，CD4066开关断开，实现延时自动关机。

　　(4)厚度标定

　　由于环境温度和工作电压等因素的影响，测量系统的某些参数时常发生漂移，因此测量时应对仪表进行厚度标定。标定操作是用仪器测量一片5mm厚的标准试块，若仪器显示不等于5mm，就应进行厚度标定。老式的测厚仪是通过调整电位器旋钮实现的。本设计由厚度标定键完成，需要标定时，按下厚度标定键，单片机执行厚度标定程序，让测量结果与标准厚度比较，根据结果进行加减处理，完成标定。

　　(5)声速设定

　　超声波测厚仪在测量不同材料的厚度时，由于超声波在不同材料里传播的速度不同，需设置材料的声速，例如钢的声速5950m／s、锌的声速4170m／s。这种操作在老式仪表中是由机械式3位BCD码盘开关和可预置计数器控制闸门次数完成的，对声速高的材料，闸门打开的次数多，声速低的材料，闸门打开的次数少。本设计则将铸钢、钢、铝、紫铜、黄铜、锌、石英玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯9种典型材料的声速，以表格形式放入存贮单元，使用时由声速设定键选出，然后由单片机的P1.7口采集发射脉冲对其进行减法计数，来控制闸门打开的次数，使声速设定的操作十分简便。

　　(6)声速调整

　　上面提到的9种典型材料的声速设定，由声速设定键选定。测量非典型材料的厚度时，声速的设置由声速增、声速减两个功能键完成。按下声速增或声速减键，液晶屏显示的声速值呈增减变化，直至调到我们所需求的声速为止，此时声速调整程序将调好的数值存入声速存贮单元待用。

　　(7)小数点控制和上电复位电路

　　4位液晶屏兼做声速和厚度两个量的显示，声速的单位是m／s，例如钢的声速是5950m／s，这时液晶屏不需要显示小数点。显示厚度的单位是mm，分辨率是0.1mm，在测量10mm厚材料时液晶屏显示010.0mm，有小数点显示。单片机的P3.1口用于小数点控制，显示声速时呈高电平，显示厚度时呈低电平，在异或非门CD4077的作用下，控制个位前小数点的有无。

　　图3－1中C1、R5的作用是完成单片机的上电复位。4　结束语　　超声反射法测厚仪经智能化改造后，收到满意效果，经部分用户试用，反应良好，可实现的主要技术指标如下：

　　(1)显示方式：4位液晶显示。

　　(2)厚度测量范围：001.0～200.0mm

　　(3)测量精度：±0.1mm

　　(4)声速调整范围：100～9990m／s

　　(5)工作电压：DC 5V

　　(6)工作电流：8mA

　　(7)自动关机延时：60s。