基于STM32的超聲波厚度檢測儀的研制?

謝子陽 陳 艷 倪福生 蔣 爽

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 常州 213022）（2.疏浚技術(shù)教育部工程研究中心 常州 213022）

1 引言

目前工業(yè)測厚的方法有很多，脈沖渦流測厚容易受提離效應(yīng)的影響，且線圈尺寸較大［1～2］，在測量領(lǐng)域應(yīng)用較少；射線測厚成本高昂，且對(duì)人體有輻射，往往需要考慮其經(jīng)濟(jì)成本帶來的效益高低；光學(xué)成像測厚精度較低，使用壽命不長，局限性較大［3］。伴隨著測厚技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波厚度檢測技術(shù)愈發(fā)成熟起來，并且以其裝置簡單、價(jià)格便宜、對(duì)水源無污染且可以現(xiàn)場檢測等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［4］。

本文基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)研制了一種超聲波厚度檢測儀，分別從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)角度進(jìn)行詳細(xì)的闡述，且測試效果良好，精度較高，系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)于從事超聲波檢測領(lǐng)域的科研人員具有一定的指導(dǎo)作用。

2 超聲波厚度檢測原理

超聲波厚度檢測的原理主要分為共振式、蘭姆波式、脈沖反射式三種［5］。

2.1 共振式檢測

共振法檢測通過調(diào)制正弦波電信號(hào)激勵(lì)超聲探頭，進(jìn)而向被測物發(fā)出波長不斷變換的超聲波，被測物厚度是半波長整數(shù)倍時(shí)，產(chǎn)生駐波，將引起共振。同時(shí)探頭負(fù)載阻抗減小，電流達(dá)到峰值，此時(shí)頻率即為共振頻率［6］。調(diào)節(jié)電容，得出相鄰的共振頻率，即可通過關(guān)系式得出工件厚度。此種檢測方法是超聲波檢測領(lǐng)域的早期方式，現(xiàn)在已基本淘汰不用。

2.2 蘭姆波式檢測

蘭姆波式檢測方法適用于薄板檢測，當(dāng)超聲波的頻率、被測物厚度以及入射角度呈一定關(guān)系時(shí)，在薄板內(nèi)部產(chǎn)生的波稱之為蘭姆波［7］。根據(jù)超聲波入射的角度及其頻率，即可計(jì)算出被測薄板的厚度。蘭姆波式檢測尤其適合小直徑薄壁管的厚度檢測［8］，但是該檢測技術(shù)本身不夠成熟，存在很多未能解決的問題，因此蘭姆波式檢測應(yīng)用比較局限。

2.3 脈沖反射式檢測

脈沖反射式檢測的原理最為簡單，根據(jù)超聲波在被測工件中傳播的速度以及往返時(shí)間即可得出厚度［9～10］。被測工件的厚度計(jì)算公式為

其中，c為超聲波在被測工件中的傳播速度，可參考表1選取。t為發(fā)射超聲波到探頭接受到一次回波所經(jīng)歷的時(shí)間［11～12］。

表1 超聲波在不同材料中的速度

3 檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 檢測儀的總體設(shè)計(jì)

該文所研制的基于STM32的超聲波厚度檢測儀采用的是脈沖反射式原理，整個(gè)厚度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。系統(tǒng)主控單元為STM32型單片機(jī)，控制著超聲波發(fā)射電路的驅(qū)動(dòng)，并由接收調(diào)理電路對(duì)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將結(jié)果送回單片機(jī)計(jì)算厚度值。除此之外，通過控制外接按鍵電路可以方便地設(shè)置聲速值以及檢測時(shí)間，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后的厚度值實(shí)時(shí)顯示在液晶屏端，整個(gè)系統(tǒng)簡潔清楚，便于調(diào)試。

圖1 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)該檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖，各主要組成電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如下。

超聲波發(fā)射電路由振蕩電路和脈沖產(chǎn)生電路組成，如圖2所示。振蕩電路采用74HC14D組成施密特反相器，其反向輸出端經(jīng)積分電路回到輸入端，構(gòu)成施密特觸發(fā)器。電容C1不停地充放電，促使電路不停振蕩，調(diào)節(jié)電位器RK1可改變自激振蕩的頻率。電感L1不斷儲(chǔ)能，在二極管右側(cè)得到單方向的脈沖電壓。脈沖產(chǎn)生電路由STM32直接控制PA0口，產(chǎn)生2.5μs寬，20Hz的窄帶脈沖，此時(shí)用示波器測試電容C8左側(cè)A點(diǎn)電壓，電壓值接近150.0V，如圖3所示。超聲波探頭接右側(cè)插座，該高電壓的脈沖信號(hào)可激勵(lì)超聲波探頭發(fā)射出超聲波。

圖2 超聲波發(fā)射電路

圖3 示波器測試A點(diǎn)的電壓波形

接收調(diào)理電路包括放大電路和波形調(diào)制電路，如圖4所示。放大電路采用2個(gè)OP放大器阻容耦合的方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有濾除雜波的作用。超聲波回波信號(hào)極其微弱［13］，以4mm標(biāo)準(zhǔn)試塊為例，經(jīng)過放大濾波后的回波波形如圖5所示。波形調(diào)制電路利用74HC221D將分離出超聲波信號(hào)發(fā)射的時(shí)刻與接收到一次回波的時(shí)刻，即得出被測材料的厚度脈沖，如圖6所示。將此脈沖與一定頻率的晶振信號(hào)通過與非門，形成規(guī)則脈沖，并送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可得出超聲波信號(hào)往返工件的時(shí)間t，進(jìn)而計(jì)算出厚度值，并顯示在液晶屏端，送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的規(guī)則脈沖如圖7所示。

圖4 接收調(diào)理電路

圖5 放大濾波后的波形

圖6 厚度脈沖

圖7 規(guī)則脈沖

按鍵電路采用外接的按鍵模塊，可根據(jù)被測材料材質(zhì)的不同設(shè)置聲速以及測量時(shí)間，并具備一鍵校準(zhǔn)功能；液晶屏顯示電路選取2.8寸屏幕，采用TFTLCD面板，此模塊顯示分辨率為320*240，接口為16位的80并口。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)厚度檢測儀的設(shè)計(jì)原理以及硬件電路結(jié)構(gòu)，本檢測儀的軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖8所示。上電復(fù)位以后，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，這包括計(jì)數(shù)器清零、聲速設(shè)置和晶振開啟。完成系統(tǒng)的初始化后，即可產(chǎn)生控制信號(hào)，觸發(fā)超聲波探頭產(chǎn)生超聲波，當(dāng)檢測到回波信號(hào)后，計(jì)數(shù)器不停計(jì)數(shù)規(guī)則脈沖的個(gè)數(shù)，直到脈沖結(jié)束，關(guān)閉清零計(jì)數(shù)器，將計(jì)算得出的厚度值顯示在液晶屏端。

圖8 軟件設(shè)計(jì)主流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證本超聲波厚度檢測儀的可靠性，采用了標(biāo)準(zhǔn)試塊與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的方式進(jìn)行檢驗(yàn)，以鋼板為例，根據(jù)表1取聲速為5900 m/s，實(shí)驗(yàn)取厚度分別為1.5 mm、3 mm、4 mm、5 mm、7 mm的試塊進(jìn)行測試，表2給出了測試的結(jié)果及誤差。

表2 試塊厚度測試結(jié)果及誤差

由表2的測試結(jié)果可得出，該超聲波厚度檢測儀的測量誤差保持在3%之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)比較成功。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)調(diào)試結(jié)果及反復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同組實(shí)驗(yàn)的誤差，并結(jié)合本超聲波厚度檢測儀的設(shè)計(jì)原理，得出誤差產(chǎn)生的主要原因有以下兩點(diǎn)。

其一是耦合劑的正確使用。耦合劑在超聲波厚度檢測中的作用是排除空氣和保持良好的潤滑。當(dāng)耦合劑涂抹不均勻或用量不足時(shí)，將會(huì)增大檢測誤差。此外耦合劑的種類選擇和被測工件的表面粗糙度有關(guān)，粗糙度越大，就要選擇更高粘性的耦合劑［14～15］。

其二是被測材料的加工工藝影響。在檢測時(shí)應(yīng)盡量保持表面光滑，當(dāng)表面有銹斑腐蝕時(shí)，為了得到準(zhǔn)確的測量值，應(yīng)首先用砂紙打磨，做相應(yīng)的除銹處理［16］。此外，材料內(nèi)部的加工缺陷會(huì)大大影響超聲波信號(hào)在材料內(nèi)部的傳輸，當(dāng)超聲波傳輸過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的散射或折射現(xiàn)象時(shí)，甚至檢測不到反饋信號(hào)。

5 結(jié)語

本文基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)研制了一種超聲波厚度檢測儀，對(duì)主要組成電路和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)檢測精度較高、測量穩(wěn)定、人機(jī)交互較好，適用于多種場合下均質(zhì)物體的厚度檢測，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，得出減小測量誤差的舉措。系統(tǒng)還可根據(jù)被測材質(zhì)的不同，靈活的設(shè)置聲速，并帶有速度校準(zhǔn)功能，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以對(duì)零件尺寸和板材作出準(zhǔn)確的測量，具有很好的應(yīng)用前景。本文的設(shè)計(jì)思路對(duì)于檢測領(lǐng)域的科研人員具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)需要在今后的深入研究中，更好地完善與創(chuàng)新。