基于CPLD的超声波测厚系统的设计

 

　　在工业生产和产品质量检测中，常常需要在无损条件下测出工件的厚度，从而确定是否符合设计要求。目前，钢板是钢材的四大品种(板、管、型、丝)之一，被广泛应用于高层建筑、桥梁、海上石油平台、大型轮船等工程项目中，其厚度直接关系着这些工程项目的安全性和可靠性，在钢板测厚方面，超声波无损测厚方法将得到广泛应用。

　　1 超声测厚的原理

　　超声测厚的基本原理是利用超声波在介质中的传播特性来发现材料缺陷和壁厚，脉冲反射式测厚法实质上是测量超声波脉冲在材料中的往返传播时间。

　　超声波测量按工作原理分，有共振法、干涉法及脉冲回波法等几种。由于脉冲回波法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系不密切，所以超声脉冲回波法也是应用比较广泛的一种，其原理用超声波探头向被测物体发出超声脉冲，此超声脉冲便在被测物体内传播，传播至被测物体的底面时反射，反射回来的超声波又被超声波探头接收，这样，从超声波探头发出超声脉冲到超声波探头接收到反射脉冲所用的时间t可通过电路精确地检测出来，在t时间内超声波在被测物体内完成了一个往返，如图1所示。如果被测物体的厚度用d表示，超声波的总行程就是2d，由于声波在某一物体内传播的速度c是常数，所以被测物体的厚度可由下式算出：d=vt/2。式中：d-被测物体厚度;v-超声波速度;t-超声波从管射到接收回波的时间。

　　

 

　　超声波传感器分发射器和接收器两部分，超声波传感器按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，最常用的是压电式传感器。

　　压电式超声波传感器探头的核心为压电晶片，利用压电效应实现声电转换，其振动频率在几百千赫以上，当它的两电极加脉冲信号(触发脉冲)，若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，若电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。

　　2 超声波测厚系统电路总体结构及工作原理

　　超声波测厚系统模块的主要任务是产生一个超声波信号，将超声波信号放大后加载到超声波探头上，超声波探头带动被测物体发生共振，然后将得到的数据采样并且峰值保持，然后送给信号处理模块，因此它是本设计的基础部分，是实现将检测信息娩出，得到良好超声波回波信息的关键所在。

　　本超声波测厚系统模块主要由触发信号产生电路，发射接收放大电路，放大检波电路，采样峰值保持电路，模数转换电路，液晶显示电路和CPLD运算及控制电路等构成。其电路构成设计如图2：

　　

 

　　当通电开始测厚时，由CPU(中央处理器)发出测厚同步信号，触发发射电路，使直探头产生超声波入射至工件，当超声波返回探头时，首先经过衰减，然后放大检波取样，所得厚度时间方波经积分保持器送ADC574模数转换器，模数转换之后送CPLD进行数据处理，并显示之12864液晶显示模块。