一種基于CPLD的超聲波測厚系統(tǒng)的設(shè)計*

胡 鵬，魏海潮

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

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［1］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［2］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—超聲波從發(fā)射到接收回波的時間。

圖1 超聲測厚框圖

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(dāng)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(dāng)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［3］，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:

圖2 超聲波測厚系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)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(dāng)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。

圖3 主控程序設(shè)計流程圖

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)人校正，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［4］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。

圖4 測厚程序流程圖

（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(dá)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(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，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避免由于探頭藕合不良而引起讀數(shù)不準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)達(dá)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土0.6;

分辯率＞=22 dB;

動態(tài)范圍＞=32 dB;

測厚精度0.05 mm。

［1］徐海，何輔云.超聲波管材壁厚連續(xù)測量系統(tǒng)的研究［J］.無損探傷，2006，30（3）:33-35.

［2］楊錄.彈體底隙超聲檢測方法研究［J］.微計算機信息，2007，23（5）:133-135.

［3］中國機械工程學(xué)會無損檢測學(xué)會.超聲波檢測［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［4］王誠，吳繼華，范麗珍，等.Altera FPGACPLD設(shè)計（基礎(chǔ)篇）［M］.北京:人民郵電出版社，2006:10-13.