基于超声波的窄缝深度检测系统

　　0 引言

　　窄缝深度测量在工业生产和实际生活中应用非常广泛，传统的测量方法主要有机械和电子 2 种方式。机械手段需要和被测物接触，当测量深度过深或缝口较小时，造成测量的不方便甚至无法测量[1]，且不易实现快速实时监测。电子方法主要包括激光和超声波等手段，而激光测量需要复杂的光路及光学器件，基于超声的焊缝跟踪系统虽已实现，但是仍然需要聚焦探头和扫描装置，系统庞大，不便于使用[2 -3]。通过利用超声波探头的波束扩散特性[4]，分析并测量矩形窄缝上下表面回波的时间差，达到检测窄缝深度的目的。此法具有非接触、方便、低成本的特点，且自动化程度较高，易于控制。

　　1 超声波窄缝深度测量原理

　　超声波探头发出的波束沿传播方向迅速扩散，常用的 40kHz 的超声波探头的波束传播扩散如图1 所示。

　　由图 1 可以看出，超声波束具有较大的发散角，沿传播主方向两侧呈现非均匀发散，可以利用它们分别到达窄缝表面和底部的时间差，实现特定窄缝深度的检测。

　　根据超声波束的发散特性，设计了利用超声波测量窄缝深度的系统，测量原理如图 2 所示。超声波发射探头与接收探头相隔一段距离并排放置，探头发送出超声波束，一部分被上表面反射并由接收探头第一次接收，另一部分超声波束进入到窄缝底部反射后再次被接收探头检测，接收探头分别检测到 2 个回波信号，利用2 个回波的时间差，即可计算出窄缝深度。

　　为便于进行窄缝深度的计算，设超声波发送探头与超声波接收探头的间距为a，两探头组成的平面距窄缝上表面距离为，探头平面距窄缝下表面距离为窄缝深度设为 x，超声波传播速度为 c，超声波由探头发出经窄缝上表面与窄缝底部反射后被超声波探头接收所用时间分别为 t1和 t2，由此可以计算出窄缝深度为

　　2 系统硬件设计

　　由于超声波束具有一定的发散角，为了更准确地探测窄缝深度，将发射探头和接收探头沿窄缝的轴向平行放置，窄缝表面的超声回波与窄缝底部的回波不在同一个表面，可有效实现窄缝回波的测量。根据测量出的 2 个回波的时间差，进而计算出窄缝的深度。根据超声波窄缝深度测量的原理，搭建的测量系统组成结构如图3 所示。

　　系统选用具有精简指令集及超低功耗的混合型 16 位MSP430F149 单片机作为微控制器，它有较强的处理能力，丰富的片内外设和方便灵活的开发手段[5]，可以满足所设计的窄缝深度测量系统的要求。通过 RS -232 串口发送数据信息至 PC机，在计算机上位程序中动态显示窄缝深度曲线。