基于ARM的便攜式超聲測(cè)厚儀設(shè)計(jì)

劉 琳,趙慧峰

(1.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，河南三門(mén)峽 472000;2.三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南三門(mén)峽 472000)

0 引言

隨著傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)以及集成電路的快速發(fā)展，超聲波檢測(cè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1]。在流量檢測(cè)、距離計(jì)算、厚度測(cè)量以及金屬探傷等方面，超聲波得到了廣泛的關(guān)注。超聲波測(cè)厚與傳統(tǒng)的厚度測(cè)量工具相比，具有使用方便、速度快、成本低、便于復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管壁測(cè)厚、容器壁測(cè)厚以及板材測(cè)厚等領(lǐng)域。本文針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種基于ARM的便攜式超聲波測(cè)厚儀，該測(cè)厚儀以超聲波傳感器和高性能ARM、FPGA處理器為核心，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)和人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)大管徑管道以及鋼板厚度的實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過(guò)外接LCD顯示屏直觀反映出測(cè)量結(jié)果，該型測(cè)厚儀還具有測(cè)量數(shù)據(jù)本地保存、數(shù)據(jù)導(dǎo)出的功能[2]。

1 超聲波測(cè)厚原理

基于ARM的便攜式超聲波測(cè)厚儀利用脈沖反射法來(lái)測(cè)量工件的厚度，由于本文設(shè)計(jì)的測(cè)厚儀主要是用來(lái)測(cè)量大管徑管道、鋼鐵塊的厚度，因此選擇的超聲波換能器的工作頻率為2.5 MHz，在測(cè)量管道和超聲波換能器之間均勻涂上變壓器油作為耦合劑以提高測(cè)量的精度。系統(tǒng)選用的是收發(fā)一體的直探頭，當(dāng)其發(fā)射的超聲波在被測(cè)鐵塊或管道內(nèi)傳播時(shí)，遇到不連續(xù)面超聲波會(huì)被反射回來(lái)，反射回波被超聲波換能器接收，在測(cè)量鐵塊或管道厚度時(shí)，不連續(xù)面即被測(cè)鐵塊或管道的另一面[3]。測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 超聲波脈沖反射法測(cè)量原理圖

如圖1所示，超聲波傳感器發(fā)出波形的峰值記為F，B表示接收到的反射回波，因此被測(cè)工件的厚度可以表示為

(1)

式中：H為待測(cè)工件的厚度；v為超聲波在工件中傳播的速度；t為F波與B波的時(shí)間間隔。

由此可見(jiàn)，超聲波在工件中傳播的時(shí)間與工件的厚度成正比。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ARM的便攜式超聲測(cè)厚儀是以脈沖反射法原理為基礎(chǔ)，結(jié)合超聲波傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，測(cè)得發(fā)射脈沖與回波信號(hào)之間的時(shí)間差t就可以計(jì)算得到待測(cè)工件的厚度。利用高性能FPGA處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波激勵(lì)信號(hào)的控制和回波信號(hào)的處理，利用ARM8結(jié)合Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)出人機(jī)交互界面將計(jì)算結(jié)果通過(guò)LCD屏實(shí)時(shí)顯示[4]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 基于ARM的便攜式超聲測(cè)厚儀硬件電路設(shè)計(jì)

便攜式超聲測(cè)厚儀硬件主要由蓄電池供電電路、超聲發(fā)射電路、超聲接收電路、A/D采樣電路以及LCD顯示屏電路組成[5]。鋁電池電路為便攜式設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源，F(xiàn)PGA及其外圍電路產(chǎn)生2.5 MHz的方波信號(hào)去激勵(lì)超聲波傳感器，回波接收電路把接收到的超聲回波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)濾波放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器，由相關(guān)算法在FPGA內(nèi)部計(jì)算出發(fā)射波與回波信號(hào)之間的時(shí)間差t，從而計(jì)算出被測(cè)工件的厚度，利用人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示被測(cè)工件的厚度，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

3.1 超聲波發(fā)射電路

系統(tǒng)利用頻率為2.5 MHz的方波信號(hào)去激勵(lì)超聲波換能器，由FPGA產(chǎn)生的2.5 MHz的方波并不能直接去激勵(lì)超聲波換能器，必須經(jīng)過(guò)功率放大后才能去驅(qū)動(dòng)換能器[6]。系統(tǒng)選用非調(diào)諧式電路作為超聲波發(fā)射的功率放大電路，發(fā)射電路如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路由三極管、二極管以及阻容類(lèi)器件構(gòu)成，F(xiàn)PGA輸出的方波信號(hào)接入發(fā)射電路時(shí)，當(dāng)PWM為低電平時(shí)，三極管Q1、Q2截止，高壓HDCV通過(guò)電阻R1、D1給電容C1充電；當(dāng)PWM為高電平時(shí)，Q1、Q2導(dǎo)通，電容C1通過(guò)D1、Q2、R2對(duì)超聲波換能器放電。這樣就形成了功率較大的方波信號(hào)激勵(lì)超聲波換能器發(fā)射超聲波。

3.2 回波信號(hào)接收處理電路

超聲波信號(hào)在被測(cè)工件中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的衰減，接收到的回波信號(hào)一般很微小，約幾mV甚至更小，且超聲波信號(hào)常伴隨著噪聲信號(hào)，因此想要提取出有效的超聲波信號(hào)就必須對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行濾波放大，濾除干擾信號(hào)，提高信噪比[7-8]?；夭ㄐ盘?hào)接收處理電路主要是由限幅、放大、濾波電路組成。限幅放大電路如圖5所示。

圖5 限幅放大電路

由于系統(tǒng)采用的是收發(fā)一體的超聲波換能器，發(fā)射電路和回波信號(hào)接收處理電路都通過(guò)同一根信號(hào)線與換能器連接，發(fā)射電路的高頻脈沖會(huì)擊毀回波信號(hào)接收電路，因此需要在回波信號(hào)接收電路中加入限幅電路，其主要是由D3、D4、C21組成，主要作用是防止高壓脈沖信號(hào)進(jìn)入放大電路，C21濾除回波信號(hào)中的直流成分。放大電路由AD8610組成的二級(jí)放大電路構(gòu)成，第一級(jí)放大電路主要是對(duì)初始回波信號(hào)放大100倍，第二級(jí)放大電路是對(duì)放大后的回波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使其最后輸出的電壓在A/D轉(zhuǎn)換器管腳電壓的承受范圍內(nèi)。

在對(duì)回波信號(hào)二級(jí)放大時(shí)，回波信號(hào)中的噪聲、雜波信號(hào)也被放大，為了提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須濾除回波信號(hào)的無(wú)效信號(hào)，提高信噪比。系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器AD817及阻容器件構(gòu)成的帶通濾波電路實(shí)現(xiàn)濾波，把帶通濾波電路的中心頻率設(shè)置為2.5 MHz可以有效濾除各種雜波信號(hào)。帶通濾波電路如圖6所示。

圖6 帶通濾波電路

3.3 A/D采樣電路

由于本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的信號(hào)源頻率高達(dá)2.5 MHz，因此對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的采集速度有較高的要求，必須達(dá)到5 MHz以上。綜合考慮后，選用高性能A/D轉(zhuǎn)換器ADS825E[9]，其采用5 V供電，采樣速率最高可達(dá)40 MSPS，數(shù)據(jù)采樣精度為10位，除此之外，還具有信噪比高、低失真等優(yōu)點(diǎn)。ADS825E采樣電路如圖7所示。

圖7 A/D采集電路

如圖7所示，CPLD只需要給ADS825E提供一個(gè)使能信號(hào)CPLD_EN和一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CPLD_CLK就可以控制A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。其中ADS825E采用內(nèi)部參考電壓，輸入信號(hào)的范圍可達(dá)7 Vpp，利用單端輸入的方式把回波信號(hào)送入到ADS825E中。

3.4 LCD顯示電路

本系統(tǒng)選用型號(hào)為AT056TN53的TFT LCD屏和觸摸板組成的觸摸屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量工件的厚度[10]。其中TFT LCD屏通過(guò)TTL電平的LCD接口與AM3352的LCD接口相連，通過(guò)LCD_Light來(lái)控制液晶屏的背光，觸摸板通過(guò)ADC接口與AM3352的4個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入(AN0、AN1、AN2、AN3)相連，通過(guò)Qt和Linux操作系統(tǒng)編寫(xiě)用戶圖形界面，通過(guò)觸摸板控制輸入相關(guān)控制量，最后把測(cè)量結(jié)果在LCD屏上顯示。觸摸屏LCD接口、ADC接口電路如圖8所示。

圖8 LCD屏外接接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括超聲波換能器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的軟件設(shè)計(jì)、回波信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)、測(cè)厚算法軟件設(shè)計(jì)以及人機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì)等。啟動(dòng)系統(tǒng)后，通過(guò)觸摸屏的按鈕啟動(dòng)測(cè)量功能，由FPGA產(chǎn)生2.5 MHz的方波信號(hào)去驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，經(jīng)被測(cè)工件反射后由回波信號(hào)接收處理電路采集處理，再送入高速A/D進(jìn)行采樣，采用測(cè)量算法對(duì)回波信號(hào)分析處理，最后計(jì)算出被測(cè)工件的厚度，通過(guò)LCD屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理

根據(jù)以上硬件和軟件設(shè)計(jì)，研制出了基于ARM的便攜式超聲測(cè)厚儀，為了驗(yàn)證該型測(cè)厚儀的穩(wěn)定性和精確性，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)分析。取標(biāo)準(zhǔn)厚度為40 mm的鋼塊，在鋼塊和超聲波換能器之間涂上耦合劑，啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量，分別進(jìn)行多次測(cè)量，記錄每次測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，如表1所示。

由表1可知，當(dāng)對(duì)同一厚度為40 mm的鋼塊進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，每次測(cè)量的相對(duì)誤差小于1%，絕對(duì)誤差小于0.4 mm。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

表1 40 mm鋼塊測(cè)量數(shù)據(jù)

分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度為20、30、45、50、55、60 mm的鋼塊進(jìn)行測(cè)量，每種厚度的鋼塊分別測(cè)量6次取平均值作為測(cè)量厚度，并對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 6組不同厚度鋼塊厚度測(cè)量數(shù)據(jù)

由表2可知，當(dāng)在測(cè)量厚度較薄的工件時(shí)測(cè)量誤差較大，相對(duì)誤差約2%，隨著測(cè)量工件厚度的增加，系統(tǒng)測(cè)量工件的精度度逐漸提高，相對(duì)誤差小于0.5%。由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的基于ARM的便攜式超聲測(cè)厚儀適用于大管徑管道和較厚鋼塊的測(cè)量，在測(cè)量厚度小于30 mm的鋼塊時(shí)，誤差較大；根據(jù)JJF 1126—2004《超聲波測(cè)厚儀校準(zhǔn)規(guī)范》，分辨力為0.1 mm的最大允許示值誤差在±(0.1+1%H),H為標(biāo)稱(chēng)值，根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，測(cè)量厚度大于40 mm的工件時(shí)，誤差在規(guī)范范圍內(nèi)，分辨力達(dá)到0.1 mm。所以該測(cè)厚儀主要適合于厚度大于40 mm工件的測(cè)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的便攜式超聲測(cè)厚儀，該型測(cè)厚儀以FPGA和高性能ARM為控制核心，結(jié)合高速A/D采樣芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件厚度的測(cè)量，通過(guò)Linux系統(tǒng)與Qt圖像界面相結(jié)合設(shè)計(jì)出人機(jī)交互界面，用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的厚度。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的超聲測(cè)厚儀具有測(cè)量精度較高、體積小可便攜式等優(yōu)點(diǎn)。