1 引言

實驗內(nèi)容與任務(wù)：根據(jù)所學知識，設(shè)計一套基于單片機控制的智能超聲波測厚系統(tǒng)?；疽鬄椋海?）產(chǎn)生振動頻率為 20 kHz 的超聲波脈沖。（2）通過產(chǎn)生階梯波和小斜波，獲得步進系統(tǒng)的取樣信號，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成界面波和底波的數(shù)字量，并存貯于存儲器中。（3）當被測厚度小于 100 mm 時，要求測厚系統(tǒng)的測量精度為 0.01 mm，步進時間為 1.2 μs。

在上述基礎(chǔ)上，進行深層次的開發(fā)。要求如下：（1）當被測厚度大于 100 mm 時，要求通過“擴展延遲”，保證覆蓋整個測量范圍，從而實現(xiàn)寬范圍的高精度測量。（2）實現(xiàn)自動測厚、測速的功能。

2 實驗原理及方案

2.1 超聲波測厚原理

當振動頻率為 20 kHz 以上的超聲波在均勻介質(zhì)中傳播時，其傳播速度不變且基本沿直線傳播。但當它通過一種介質(zhì)和另一種介質(zhì)分界面時，部分超聲波將反射會形成回波。超聲波測厚就是根據(jù)超聲波進入被測介質(zhì)和退出被測介質(zhì)時所產(chǎn)生回波之間的時間間隔來測算被測介質(zhì)的厚度。

圖 1 中，左方第一個是激勵脈沖，它通過電纜送到探頭，探頭受到激勵而產(chǎn)生振動。由于探頭介質(zhì)與被測物體的介質(zhì)不同。因此，當激勵脈沖傳輸?shù)浇缑?a 時就會產(chǎn)生回波，稱為“界面波”。除了反射回界面波之外，還有一部分超聲波將在被測物體中繼續(xù)傳播，當它到達界面 b 時，又會產(chǎn)生回波，稱為“底波”。顯然，界面波和底波之間的時間間隔與被測物體的厚度成正比。設(shè)超聲波在被測物體中的傳播速度為 v，被測物體的厚度為 d，界面波和底波之間的時間為 t，則有式（1）。

d＝v×0.5×t（1）

當被測物體給定之后，超聲波在其中的傳播速度 v 便是一個已知量，因此測定出 t 就可以求出被測物體的厚度 d。

2.2 實現(xiàn)方案

基于單片機控制的智能超聲波測厚系統(tǒng)（圖 2）主要采用步進取樣的方法采集界面波和底波，其工作分取樣存貯、數(shù)據(jù)處理和顯示三個過程。

（1）取樣存貯。首先把寫地址經(jīng) D/A 3 送出階梯波，接著單片機系統(tǒng)經(jīng)激勵脈沖發(fā)生電路發(fā)出激勵脈沖，為了只采集界面波和底波，躲開激勵波，經(jīng)過一個固定延時之后，再對步進系統(tǒng)發(fā)出斜波控制脈沖，從而由步進系統(tǒng)產(chǎn)生出取樣信號，再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，最后送到存儲器對應(yīng)的存貯單元中存貯起來。重復(fù)采樣 N 次，即可將需要采集的界面波和底波存貯在存儲器中。

（2）數(shù)據(jù)處理。主要是指自動測厚中的數(shù)字濾波、自動尋找最大最小值、非線性補償及偏差校正等功能。

（3）擴充部分。本系統(tǒng)的基本要求是被測物體厚度小于 100 mm，測量精度為 0.01 mm，即要求步進時間為 1.2 ns。因此，系統(tǒng)的最大掃描時間 T 只能為 1.2μs 左右。當被測物體較厚時，對應(yīng) T＞1.2μs，就不能測量了。為解決這個矛盾，可采用“擴展延遲”的措施。

“擴展延遲”:當 T＞1.2μs 的測厚情況時，把掃描分為兩段，并在中間插入一個可變的延遲量（0～40 μs），該延遲量就稱為“擴展延遲”。改變擴展延遲大小可采用軟件的方法，從而保證覆蓋整個測量范圍，實現(xiàn)寬范圍的高精度測量。

3 考核要求與方法

本實驗考核的節(jié)點、時間、標準及考核方法。

（1）基本要求。設(shè)計與總結(jié)報告：方案設(shè)計與論證，操作過程，電路圖，測試方法與數(shù)據(jù)，結(jié)果分析。時間 2 h，得分 10 分。

發(fā)射端：① 產(chǎn)生振動頻率為 20 kHz 的超聲波脈沖是否達到所規(guī)定的技術(shù)指標；② 階梯波和小斜波的產(chǎn)生，獲得步進系統(tǒng)的取樣信號，考察是否達到所規(guī)定的技術(shù)指標；③ 單片機的控制是否達到規(guī)定的技術(shù)參數(shù)指標。時間 16 h，得分 35 分。

接收端：① A/D 數(shù)據(jù)是否達到規(guī)定的技術(shù)參數(shù)指標；② 設(shè)計存貯電路和顯示電路，是否達到所規(guī)定的技術(shù)指標；③ 數(shù)字濾波能否削弱漂移因素的影響。時間 16 h，得分 35 分。

（2）創(chuàng)新設(shè)計。①“擴展延遲”電路，能否保證覆蓋整個測量范圍，從而實現(xiàn)寬范圍的高精度測量；② 所設(shè)計的測厚系統(tǒng)能否實現(xiàn)自動測厚、測速的功能。時間 6 h，得分 15 分。

（3）討論與交流。① 單片機在本系統(tǒng)中的作用；② 比較分析如何保證測厚系統(tǒng)覆蓋整個測量范圍，如何實現(xiàn)寬范圍的高精度測量。時間 1 h，得分 5 分。

4 結(jié)語

該實驗項目的主導(dǎo)思想是在教師指導(dǎo)下提倡學生自主設(shè)計與自主實驗，通過該實驗可提高學生的設(shè)計與研究興趣，全面培養(yǎng)學生設(shè)計單片機應(yīng)用控制系統(tǒng)的能力[1-10]，加強他們的實踐及獨立動手技能，并使學生的創(chuàng)新能力得到不斷增強。實驗涉及超聲波測厚、數(shù)據(jù)處理、微機原理、數(shù)字電路、模擬電子線路、單片機系統(tǒng)設(shè)計等多門學科，極大地提高了學生的實踐動手技能。