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        一種基于CPLD的超聲波測厚系統(tǒng)的設(shè)計*

        2011-09-06 01:19:20魏海潮
        山西電子技術(shù) 2011年4期
        關(guān)鍵詞:測厚儀計數(shù)器超聲波

        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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入測量狀態(tài),CPU首先對CPLD進(jìn)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(jìn)行連續(xù)采集256次數(shù)據(jù)累加求厚度的平均值,再進(jìn)行十六進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換,顯示出十進(jìn)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(jī)信息,2007,23(5):133-135.

        [3]中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測學(xué)會.超聲波檢測[M].北京:機(jī)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.

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