基于单片机控制的智能超声波测厚系统的设计

1  引言

实验内容与任务：根据所学知识，设计一套基于单片机控制的智能超声波测厚系统。基本要求为：（1）产生振动频率为 20 kHz 的超声波脉冲。（2）通过产生阶梯波和小斜波，获得步进系统的取样信号，经 A/D 转换成界面波和底波的数字量，并存贮于存储器中。（3）当被测厚度小于 100 mm 时，要求测厚系统的测量精度为 0.01 mm，步进时间为 1.2 µs。

在上述基础上，进行深层次的开发。要求如下：（1）当被测厚度大于 100 mm 时，要求通过“扩展延迟”，保证覆盖整个测量范围，从而实现宽范围的高精度测量。（2）实现自动测厚、测速的功能。

2  实验原理及方案

2.1 超声波测厚原理

当振动频率为 20 kHz 以上的超声波在均匀介质中传播时，其传播速度不变且基本沿直线传播。但当它通过一种介质和另一种介质分界面时，部分超声波将反射会形成回波。超声波测厚就是根据超声波进入被测介质和退出被测介质时所产生回波之间的时间间隔来测算被测介质的厚度。

图 1 中，左方第一个是激励脉冲，它通过电缆送到探头，探头受到激励而产生振动。由于探头介质与被测物体的介质不同。因此，当激励脉冲传输到界面 a 时就会产生回波，称为“界面波”。除了反射回界面波之外，还有一部分超声波将在被测物体中继续传播，当它到达界面 b 时，又会产生回波，称为“底波”。显然，界面波和底波之间的时间间隔与被测物体的厚度成正比。设超声波在被测物体中的传播速度为 v，被测物体的厚度为 d，界面波和底波之间的时间为 t，则有式（1）。

d＝v×0.5×t（1）

当被测物体给定之后，超声波在其中的传播速度 v 便是一个已知量，因此测定出 t 就可以求出被测物体的厚度 d。

2.2 实现方案

基于单片机控制的智能超声波测厚系统（图 2）主要采用步进取样的方法采集界面波和底波，其工作分取样存贮、数据处理和显示三个过程。

（1）取样存贮。首先把写地址经 D/A 3 送出阶梯波，接着单片机系统经激励脉冲发生电路发出激励脉冲，为了只采集界面波和底波，躲开激励波，经过一个固定延时之后，再对步进系统发出斜波控制脉冲，从而由步进系统产生出取样信号，再经 A/D 转换器转换成相应的数字量，最后送到存储器对应的存贮单元中存贮起来。重复采样 N 次，即可将需要采集的界面波和底波存贮在存储器中。

（2）数据处理。主要是指自动测厚中的数字滤波、自动寻找最大最小值、非线性补偿及偏差校正等功能。

（3）扩充部分。本系统的基本要求是被测物体厚度小于 100 mm，测量精度为 0.01 mm，即要求步进时间为 1.2 ns。因此，系统的最大扫描时间 T 只能为 1.2μs 左右。当被测物体较厚时，对应 T＞1.2μs，就不能测量了。为解决这个矛盾，可采用“扩展延迟”的措施。

“扩展延迟”:当 T＞1.2μs 的测厚情况时，把扫描分为两段，并在中间插入一个可变的延迟量（0～40 μs），该延迟量就称为“扩展延迟”。改变扩展延迟大小可采用软件的方法，从而保证覆盖整个测量范围，实现宽范围的高精度测量。 

3  考核要求与方法

本实验考核的节点、时间、标准及考核方法。

（1）基本要求。设计与总结报告：方案设计与论证，操作过程，电路图，测试方法与数据，结果分析。时间 2 h，得分 10 分。

发射端：① 产生振动频率为 20 kHz 的超声波脉冲是否达到所规定的技术指标；② 阶梯波和小斜波的产生，获得步进系统的取样信号，考察是否达到所规定的技术指标；③ 单片机的控制是否达到规定的技术参数指标。时间 16 h，得分 35 分。

接收端：① A/D 数据是否达到规定的技术参数指标；② 设计存贮电路和显示电路，是否达到所规定的技术指标；③ 数字滤波能否削弱漂移因素的影响。时间 16 h，得分 35 分。

（2）创新设计。①“扩展延迟”电路，能否保证覆盖整个测量范围，从而实现宽范围的高精度测量；② 所设计的测厚系统能否实现自动测厚、测速的功能。时间 6 h，得分 15 分。

（3）讨论与交流。① 单片机在本系统中的作用；② 比较分析如何保证测厚系统覆盖整个测量范围，如何实现宽范围的高精度测量。时间 1 h，得分 5 分。

4  结语

该实验项目的主导思想是在教师指导下提倡学生自主设计与自主实验，通过该实验可提高学生的设计与研究兴趣，全面培养学生设计单片机应用控制系统的能力[1-10]，加强他们的实践及独立动手技能，并使学生的创新能力得到不断增强。实验涉及超声波测厚、数据处理、微机原理、数字电路、模拟电子线路、单片机系统设计等多门学科，极大地提高了学生的实践动手技能。