一种新型便携式超声波测厚仪的设计

　　0 引 言

　　超声波测厚仪广泛地应用于造船业、石油化工业、电站、汽车制造、机械制造业当中，可以测量船壳、甲板、锅炉、管道、储油罐、轨道、板坯、铸件、机加工零件的厚度和被腐蚀情况。当前，大多数的测厚仪显示信息量有限，显示方式固定且没有通信功能，读取数据繁琐。本便携式超声波测厚仪系统可以显示丰富的信息量，储存大量数据，同时能把数据传输到 PC 机中进行厚度比较和分析，测量精度可以达到 0. 01 mm，实现对各种设备和容器测厚与监测的功能。

　　1 超声波测厚原理

　　本测厚仪系统采用脉冲回波法来测量被测工件的厚度^[1]，超声波探头与被测工件的表面通过耦合剂相接触，在单片机的控制下，测厚仪由发射电路产生一定频率的脉冲信号加在超声波的探头上，从而通过压电效应使探头产生超声波脉冲。声波经过被测工件从另一个表面反射回来，被接收探头接收。若求超声波在被测工件的厚度 S，因为超声波在被测工件中的传播速度 v 已知，从发射超声波到接收回波信号的时间间隔 TA- TB可测，所以，可以求出被测工件的厚度值

　　式中 S 为被测工件的厚度; v 为超声波在工件中传播的速度; TA为底波 A 的返回时间; TB为界面波 B 的返回时间。

　　2 测厚仪的设计和实现

　　2. 1 超声波测厚仪系统结构

　　本系统设计结构包含: 超声波发射电路、接收电路、单片机控制电路、计数器电路、液晶显示电路、实时时钟电路、232 通信电路、键盘电路。图 1 所示为超声波测厚仪的结构图^[2].

　　超声波测厚仪测量时，将探头通过耦合剂与被测工件的表面相接触，发射电路产生高电压窄脉冲信号，在单片机的控制下通过发射探头向被测工件发射超声波，超声波在到达被测工件的底面后发生反射，反射的回波信号被接收探头接收，返回电压信号。接收到的电压信号经过多级放大、中周选频后通过74HC221芯片产生阈门脉冲，其中把发射脉冲的时间记为阈门脉冲的前沿，接收到的一次回波脉冲记为阈门脉冲的后沿，则阈门脉冲为超声波在被检测物体内入射和反射所使用的时间。将 25 MHz 的晶振脉冲与阈门脉冲相与输入计数器电路，计算在阈门脉冲时间间隔内晶振脉冲的个数从而得出测量工件厚度所用的时间，最后通过单片机计算得到被测工件的厚度，并把结果输送到液晶显示器进行显示，这样就完成了一次测厚。

　　2. 2 硬件设计

　　根据系统的设计结构，硬件部分的实现如下:

　　控制电路选用 ATMEGA128 单片机^[3，4]。它不仅连接着发射接收电路，控制超声波的发射，回波信号的接收和调制，还控制着计数器电路，使计数器模块读出有效的脉冲。连接着显示模块和 232 通信模块，使测量厚度值通过 LCD显示屏显示出来，并且能通过 PC 机读取数据。另外还与时钟信号相连接，记录着系统的采集时间。