基于单片机的脉冲反射式超声测厚系统研究

张〓帆1，奚建东1，李海军2，何文坤2，谢子阳1,3，蒋〓爽1,3
(1.河海大学机电工程学院，江苏 常州〓213022)
(2.江苏巨鑫石油钢管有限公司，江苏 扬州〓225006)
(3.疏浚技术教育部工程研究中心，江苏 常州〓213022)

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    近些年来，随着能源、交通、石油、化工等基础设施的投资持续增加，钢管需求量不断增加，对产品厚度的测量要求也越来越高，测厚技术得到快速发展［1］。其中超声波测厚设备以其便于携带、易于操作、测量精度高等优点［2］，被广泛应用于机械制造、石油化工、疏浚泥沙运输等领域中金属材料厚度的测量和锈蚀情况分析，尤其是对石油运输管道、压力容器、疏浚钢管等只能单面接触的测量对象，更具有独特的优势，利用超声波技术对工件厚度进行实时检测将是工业测厚技术发展的主流方向，具有良好的前景。
    本文以AVR ATmega16A作为主控芯片，对超声测厚系统进行硬件电路设计和软件编程设计，从原理出发，对超声波发射驱动电路和回波接收调理电路进行详细阐述，该电路配合分块化的软件设计理念，可大大提高测厚系统的稳定性和抗干扰能力，对科研工作者进一步完善测厚系统的性能具有很好的指导意义。

1〓超声波测厚原理及总体设计
    目前市面上超声波测厚仪器的类型有共振式、兰姆波式、脉冲反射式等［3］。其中使用最为方便广泛的是基于脉冲反射式的超声测厚仪，现结合本文设计的总体结构框图简要介绍脉冲反射式超声波测厚的原理，单次测厚实现过程具体如下：
1）超声波探头在耦合剂的作用下与被测材料表面耦合，由单片机控制超声波发射驱动电路产生40kHz以上的脉冲信号，此脉冲信号通过压电效应激励超声波探头产生超声波脉冲［4］。
2）超声波脉冲通过被测材料内部，在分界面处反射回来，被超声波探头接收。
3）接收回波调理电路对回波信号进行多级放大和滤波整流。
4）处理后的回波信号与发射脉冲信号一起送入阀门电路产生阀门脉冲，发射脉冲的时刻为阀门脉冲的上升沿，接收到第一次回波信号的时刻为阀门脉冲的下降沿。
5）阀门脉冲再与40MHz的晶振脉冲信号相与后，输入计数器电路，得到在阀门脉冲时间段内晶振脉冲的个数数据，此数据送入单片机内进行处理，得到超声波脉冲在被测材料内入射和反射经过的时间，最后通过单片机计算得到被测材料的厚度，并将结果显示在液晶显示器上，这样就完成了一次测厚。
被测材料厚度d计算公式如下：……


作者简介：张帆（1996—），男，福建南平人，河海大学本科生，专业为机械工程。




（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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