摘要：介紹了超聲波測犀以及用CPLD來實現(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。通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ?，系統(tǒng)能實時地測量數(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,。
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,、大型輪船等工程項目中，其厚度直接關(guān)系著這些工程項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質(zhì)上是測量超聲波脈沖在材料中的往返傳播時間,。
    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間t可通過電路精確地檢測出來,，在t時間內(nèi)超聲波在被測物體內(nèi)完成了一個往返，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)實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，其振動頻率在幾百千赫以上，當它的兩電極加脈沖信號(觸發(fā)脈沖),，若其頻率等于晶片的固有頻率時,，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動,，從而產(chǎn)生超聲波,。相反，若電極間未加電壓,，則當共振板接收到回波信號時,，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電信號,，此時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，然后送給信號處理模塊,，因此它是本設(shè)計的基礎(chǔ)部分,，是實現(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運算及控制電路等構(gòu)成,。其電路構(gòu)成設(shè)計如圖2：

    當通電開始測厚時,，由CPU(中央處理器)發(fā)出測厚同步信號，觸發(fā)發(fā)射電路,，使直探頭產(chǎn)生超聲波入射至工件，當超聲波返回探頭時,，首先經(jīng)過衰減,，然后放大檢波取樣，所得厚度時間方波經(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
    軟件程序設(shè)計框圖如圖3所示,，系統(tǒng)軟件是根據(jù)本儀器的功能而設(shè)計的,，在主程序中，首先進行初始化,，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
    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編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理模塊門,，它的CPLD軟件實現(xiàn)方法如圖4所示,，測量的過程如下。

    (1)儀器上電,，進入測量狀態(tài),，CPU首先對CPLD進行初始化，使計數(shù)器及鎖存器清零,，CPLD等待CPU的發(fā)射請求,。
    (2)若接收到CPU的發(fā)射請求，CPLD產(chǎn)生一個幾百納秒的觸發(fā)信號,，開通高壓電路,，激勵探頭產(chǎn)生超聲波，同時啟動計數(shù)器開始計數(shù),。根據(jù)測厚儀1～300 mm的測量范圍,，采用軟件自帶的一個16位計數(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)計一個合適位數(shù)的計數(shù)器(例如12位計數(shù)器),，以達到合理利用資源的效果。
    (3)如果CPLD在合理的時間內(nèi)未接收到回波信號,，則回波有效標志位為0,，鎖存器里的數(shù)據(jù)無效，CPU不讀取,。當CPLD接收到回波信號時,，還需對接收的回波信號做寬度檢測，僅當回波寬度在合理范圍內(nèi),，才認為是有效的,，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)不準確的情況。
    (4)CPLD檢測到有效回波時，鎖存回波從發(fā)射到接收所用的時間,、回波的前沿及后沿等相關(guān)信息,，回波有效標志位置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)對稱性計算出其中點，而不必花費更多的資源計算其峰值,。這樣做使儀器的結(jié)構(gòu)更簡單,，體積更小巧，功耗也較低,。本程序進行連續(xù)采集256次數(shù)據(jù)累加求厚度的平均值,，再進行十六進制到十進制的轉(zhuǎn)換，顯示出十進制的厚度值,。

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)性能指標達到如下數(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；
    動態(tài)范圍>=32 dB,；
    測厚精度0．05 mm,。