基于单片机的超声波车用钢板测厚系统设计Word格式.docx
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1.1课题研究的背景及意义
超声波技术的应用越来越广泛，超声波车用钢板测厚系统是其中一个很小的一个分支。
我们常用的超声波技术应用包括超声波清洗、超声波测距、超声波焊接等等。
超声波技术得到了越来越多的行业认可，将会有更多的行业应用超声波的各种技术。
超声波测量车用钢板厚度，操作简单，测量快速。
超声波测量车用钢板的最大优点在于可以单侧面接触测量。
同时超声波车用钢板测厚系统具有测量精度高、安全无污染的优点。
超声技术可以用于检测车用钢板厚度及其局部腐蚀、锈蚀的情况，因此对汽车的产品检验，安全行驶的监督起到一个十分重要的作用。
1.2测厚系统
当下，测厚技术的种类很多很多。
按照接触与否，可以分为接触式测厚和非接触式测厚两类。
按照测厚的工作原理可以分为五类，下图为当前使用的测厚仪详细分类。
图1-1测厚仪的分类
1.机械接触式测厚技术
根据使用的传感器的差别，可以分为位移传感器式和光电码盘式。
机械接触式测厚技术的工作原理为：
分别放置两个压头在被测工件的两个表面，然后测量这两个压头的位移或旋转的角度，以测算工件的厚度。
本测厚技术的精度很高，但是测量范围很小。
2.超声波测厚技术
超声波测厚技术，主要工作原理是超声波脉冲反射原理。
测量时，当超声波探头发射的超声波到达被测工件的分界面时，超声波脉冲会被反射回探头。
由超声波在被测工件中的传播时间就可以计算出被测工件的厚度。
由于本测厚技术测量精确，算法简单，本测厚系统将采用超声波测厚技术对车用钢板进行厚度测量。
3.χ射线测厚技术
当Χ射线穿透被测工件时，射线的强度会发生变化，由射线强度与材料厚度之间的关系可以计算出被测工件的厚度。
本测厚技术的优点为可以不受材质不受颜色的影响而且测量由一种材料构成的工件时精度很高。
缺点为其测量容易受到温度的影响。
本测厚技术大多用于塑料、薄膜等等。
4.同位素测厚技术
同为素测厚技术原理为：
当同位素的射线穿过被测工件后，射线的强度会衰减，通过射线强度的衰减与材料厚度之间的关系可以计算出被测工件的厚度。
按照放射源的不同，同位素测厚技术又可以细分为两种，β射线测厚仪与γ射线测厚仪。
同位素测厚技术相比与其他的测厚技术，穿透能力更像，且相对稳定。
5.涡流测厚技术
涡流测厚技术的原理为：
将信号源产生的方波信号加在激励线圈的两端，会有周期脉冲电流产生在激励线圈之中。
然后会感应出脉冲磁场且会迅速衰减，之后脉冲电流会在导体中被磁场感应出，脉冲涡流会传播进工件内部，与此同时会产生涡流磁场且会迅速衰减，而检测线圈会由于涡流磁场的衰减，感应电动势会随着时间变化。
由瞬间感应电动势与被测材料厚度之间的关系，可以计算出被测工件的厚度。
涡流测厚仪优点为价格便宜、结构线路简单。
缺点为精度低，不稳定。
6.激光测厚技术
激光测厚技术一般用于非透明板材的测量，能够实现不接触测量而且精度较高。
测量原理为：
在被测工件的上下两个表面用两束准直共线的激光去照射，这是被测工件上就会有两个光点，被测工件在这一点的厚度就是这两个光点之间的距离。
测量点处的厚度经处理后转变为光信号，然后光信号会在光学传感器的作用下转为电信号，最后经过处理计算就能够得到被测工件的厚度值。
1.3超声波测厚研究现状及发展
在20世纪30年代，超声波检测技术开始兴起。
超声波测厚仪是由四十年代美国GM公司首次推出，现如今已经广泛用于工业检测诊断。
GM公司的测厚仪工作原理是采用了共振法，但是共振法测厚仪只能测量内外面平行的厚度，测量精度小，范围也小等缺点，没有成为主流。
由于脉冲反射法测量精准，算法简单，成为了超声波测厚的主流。
脉冲反射法是通过测量超声波在被测工件中的时间，加上声速校正，由声速与厚度的关系，计算出被测工件的厚度值。
在1944年和1946年，美国和英国分别对超脉冲式声波测厚仪研制成功，并且都能实现对钢板与钢管进行厚度测量。
由于当时电子技术与集成电路不成熟，没有形成标准统一，未能得到推广。
到了20世纪70年代，由于集成电路的成熟应用，使得超声波测厚系统的能耗大大降低。
同时，随着可充电电池系统的问世，超声波测厚系统的体积和质量可以越做越小，与此同时，测量精度也得到了大幅提升。
这个时代的超声波测厚仪由于信号的高频特性，无法对动态波形进行分析。
20世纪80年代以后，随着电子技术的飞速发展以及计算机的出现，使得超声波测厚仪有可能对动态波形进行采集与分析。
当单片机技术成熟并广泛传播与应用之后，相比较于老式的纯硬件超声波测厚仪，使用单片机的超声波测厚仪可以实现对声速和厚度进行设定，测量过程可由按键控制。
最近，智能化超声波测厚仪开始出现，由于智能超声波测厚仪测量精度高，体积小，适合带到工作现场工作并且能够适应高空或水下灯等工作环境进行检测，在工业无损检测的领域的到了十分广泛的推广与应用。
未来，超声波测厚技术除了体积小，精度高等优点之外，还将会具有多项功能，可以实现数据分析并能够判定被测工件的缺陷状况。
1.4课题研究的主要内容
本文将详述一种基于单片机超声波车用钢板测厚系统，介绍其设计思路及各部分方案选型。
因此，研究的主要内容如下：
1、分析超声波的传播特性及超声波在金属材料中回波反射情况，构建合理的超声波发射信号硬件电路，针对本课题的目标，进行算法改进，提高测厚精度；
2、介绍超声波测厚仪的厚度测量原理，包括系统的整体框架。
对超声波系统的发射与接收部分进行介绍，能够明确各个部分的性能要求以及设计方案；
3、完成基于单片机的超声波汽车钢板测厚系统的硬件规划，并根据硬件使用C语言进行对应的软件程序的编写。
第二章超声波测厚的基本原理
2.1超声波的介绍
2.1.1超声波的概念
声波的传播形式为物体机械振动状态或能量。
声波的频率在20～20000Hz之间，人耳是能听闻的。
频率在20～20000Hz以外的声波，是不能被人耳所感受的。
当振动频率大于20000Hz，人耳听觉不能感受到的声波，被称为超声波。
2.1.2超声波的特点
超声波的波长与其他声波的波长相比较短、方向性较好并且能够穿透不透明的工件。
由于这一特性，超声波可以用于各种测量领域。
超声波在传播过程中有良好的方向性且具有集中的能量，传播距离远且能在多种多样的介质中传播，并且超声波在介质中传播时会发生反射和折射。
因此，超声波测厚原理的关键是超声波反射、折射。
（1）超声波的反射和透射特性
当超声波遇到两种不同介质的相交面时，有一部分声波会穿透这个相交面继续传播，而剩下的部分将会在相交面处被反射，如图2-1所示。
图2-1声波在平面界面上垂直入射时的反射和透射情况
反射和透射系数能够决定着反射与透射的声强的相对大小。
当两种介质很好的耦合时，这种情况下，反射系数会接近0，透射系数会接近1。
当两种介质耦合的比较差的时候，反射系数会接近1，透射系数会接近0。
因此为了使透射系数接近于1，要保证两种介质很好的偶尔，对于固体之间，是非常有必要采用耦合剂的。
（2）超声波的折射特性
当超声波遇到两种不同介质，从介质1穿过交界面传播到介质2，由于不同介质密度不同，在两种不同介质交界面上，一部分声波被反射，另一部分声波会折射过交界面，然后介质2内继续传播。
下图为超声波反射与折射情况。
介质1
介质2
（2-1）
图2-2超声波反射与折射情况
sinα/C1=sinβ/C2
在式（2-1）中，C1是入射超声波在第一种介质中的速度，C2时超声波在第一种介质中反射（或折射）的声速。
由图知，α是入射角，β为反射角。
由于超声波在相同介质中，当波形相同时，则声速相同。
从而对于图2.2中L反的反射角与L的入射角是相同的。
在同一种介质中，纵波的速度是要大于横波的速度的，所以，L的入射角是大于S反的反射角的。
同样因为这个原因，L折的折射角是要大于S折的折射角的。
本式也被成为斯涅尔定律—折射定律。
（3）超声波的衰减特性
在现实应用中，伴随着传播距离的不断增大，超声波在介质中传播的能量会渐渐的减弱，出现这种现象就是衰减。
有以下三个主要方面会引起能量的衰减：
1、由声束扩展引起的衰减
当声波在介质中传播时，当传播距离不断增大时，非平面声波的声束也会不断地扩大。
所以声能在单位距离上会因为距离的增大而变弱，声能的这种减弱称为扩散衰减。
当在声场中原理声源时，球面波的声压
反比于至声源距离
，也就是p∝
。
而对于柱面波来说，则为p∝
平面波的声波不会随着传播距离的增大而减弱，所以平面波没有扩散衰减。
2、由散射引起的衰减
当实际材料中有杂质、不均匀的时候，会导致材料的阻抗不均匀，在这种情况下就会导致声波的散射。
当超声波发生散射之后，超声波会在介质中沿着很复杂的路径传播，在这个过程中，热能会慢慢的被转化为热能。
这种衰减就是散射衰减。
3、由介质的吸收引起的衰减
由于介质具有粘滞性，超声波在介质中传播时，质点与质点间就会产生摩擦，就会使声能的一部分转化为热能。
并且介质的内部之间还会因为稠密程度不同会进行热交换以及分子松散会吸收热能，这些现象都属于介质吸收。
（2-2）
综上可以看出，超声波在传播过程中的衰减情况很复杂，如果综合衰减，设P0为距离振源X=0处的声压振幅，PX为距离振源X的声压振幅。
PX=P0·
e-αx
（2-3）
其中α为衰减系数。
当介质为固体时，散射衰减系数αs和吸收衰减系数αa相加就是超声波能量的衰减系数α：
α=αs+αa
根据查询资料的结果，吸收衰减系数αa与频率的关系为
（2-4）
αa=c1f
式中：
C1是常数；
f为超声波频率。
从介质的晶粒直径和波长的关系来分析散射衰减系数，有以下三种情况：
当d≤λ时，αs=c2Fd3f4（c2为常数）。
当d≈λ时，αs=c3Fdf2（c3为常数）。
当d≥λ时，αs=c4F/d（c4为常数）。
其中，F代表各向异性系数。
通过以上的公式，我们可以看出超声波的频率对超声波的衰减有很大的影响。
一般来说，频率越高，衰减会越大。
正常情况下，晶粒的直径要比超声波的波长的数值小，所以，晶粒直径越大，衰减越大。
对于本设计来说，要增加超声波发射探头的声强或选用低频探头来穿透车用钢板。
2.2超声波测厚的原理
超声波检测的重要应用包含超声波测厚技术。
在本小节中，将会对超声波测厚的原理进行研究，而且还会分析超声波测厚的各种方法。
下面开始介绍超声波常用的测厚技术。
（1）共振法测厚技术
共振法测厚技术使用调制的正弦波信号激励压电晶片，晶片向被测工件发射频率连续变化的超声波。
当被测工件的厚度为半波长的整数倍的时候，就会在被测工件内形成驻波，从而会产生共振。
由试件的厚度d，在试件中传播的超声波波长λ，可得共振时：
（2-5）
上式中，n为任意整数。
当已知被测工件材料的声速c时，由c=fλ这个公式，就可以计算出发生厚度共振时的超声波频率为：
（2-6）
当n=1时，f的值就是基波频率。
由上面的公式可以推算出，基波频率就是任意两个相邻谐波频率的差值，即：
（2-7）
由以上的公式可以看出，厚度可以根据两个相邻谐波的频率的差值求得，即：
（2-8）
由上式，如果知道了fm和fn的值，则fm-fn=（m-n）f1，就可以求出厚度：
（2-9）
只有当被测工件的两个表面平滑的时候，才能用共振法测量技术测量。
而对于表面不光滑，不均匀的工件则难以用共振法进行测量，因此不用于本设计。
（2）脉冲反射法测厚技术
图2-3脉冲反射法超声测厚工作原理图
（2-11）
（2-10）
本方法是利用脉冲发射器发出一个脉冲，然后脉冲传输到探头上，利用压电效应将脉冲转化成声波脉冲后，最后射入被测工件中。
当已知从发射超声波到接受回波信号△t，当我们已知超声波在介质中的传播速度V，被测工件的厚度值D就能求出。
其中TA、TB分别表示底波A的返回时间与底波B的返回时间。
△T的可以通过以下方式测量：
把超声波从被测工件底面返回的波与从被测工件的界面反射回的波分别记为A、B，则把超声波B到A所用的时间记为△T。
前沿为界面波B，后沿为底面波A，A与B所形成的方波就是阀门脉冲。
晶振脉冲可以由产生频率得知，然后将晶振脉冲与其阀门脉冲相与得到的脉冲计数器单元计算出△T的值。
由于测量过程简单，可以测量表面不均匀不光滑的工件，因此用于本设计。
2.3超声波探头
在超声波测厚的过程中，超声波探头可以实现超声波的发射和接收。
超声波探头的好坏可以直接影响测量范围与测量精度。
本超声波测厚系统使用的探头，是通过材料的压电效应实现电能与声能之间的转换。
在超声波探头中，最重要的部件为晶片。
晶片是单晶或者多晶体的薄片，它具有压电效应。
晶片的功能是实现电能和声能的互相转换。
图2-4超声波探头实物图
2.3.1超声波探头的组成
本设计采用的是超声波直探头，下面介绍超声波直探头的结构以及功能。
图2-5超声波直探头的结构
本测厚系统采用的是纵波双晶直探头。
双晶探头，这种超声波探头具有两个晶片，其中一个为发射器，剩下的一个是接收器。
纵波双晶探头灵敏度高，响应迅速。
表2-1介绍了双晶探头的组成部分与其各自的功能，表2-2为基于单片机的超声波钢板测厚系统所采用的超声波探头的性能参数。
表2-1双晶探头的组成和功能
组成部分
功能
发射晶片
发射超声波声束
接收晶片
将被测攻坚中返回的回波信号转换成电信号
插座
通过探头线与仪器相连接
外壳
铝合金材质，发挥支撑、保护和电磁屏蔽的作用
隔声层
在发射和接收仅晶片之间，贴合有隔声层
延迟块
晶片是粘结在延迟块上的，我们可以通过改变两个延迟块之间的夹角，来获得不同的焦距值。
表2-2超声波探头的性能参数
探头型号
特性
测量范围（钢）
直径
频率
接触温度
5P￠10
通用探头
1.2-225mm
10mm
5MHZ
-10-+60
5P￠10/9
7P￠6
小管径
0.75-60mm
6mm
7MHZ
TSTU32
高穿透
5.0-40mm（铸铁）
22mm
2MHZ
SZ2.5P
3.0-300mm（钢）
12mm
2.5MHZ
ZW5P
高温
4.8-80mm
-10-+300
2.3.2超声波探头的种类和功能
常用的超声波探头有很多种类。
不同的工件、不同的应用环境，需要与之适应的超声波去探头，才能得到更准确的测量结果与更精确的测量精度。
表2-3超声波探头的类别和用途
类型
类别
优点和用途
直探头
纵波探头
横波探头
优点：
适用于探测晶片正下与声束方向垂直的情况；
检测灵敏度高；
探测深度较大，适用范围较广。
用途：
用于锻件、钢板超声波探伤。
斜探头
纵波斜探头
横波斜探头
表面波斜探头
能够对探头斜下方不同角度进行探测，灵敏度较高但是探测深度小。
可以用于裂缝或者寒风检测，同时，也可检测零件。
带曲率探头
周向曲率探头
径向曲率探头
可以改变超声波的入射方向。
对无缝钢管、简单铸件、轴类工件等轴向缺陷进行检测。
聚焦探头
点聚焦水浸水式探头
线聚焦水浸式探头
点聚焦接触式探头
线聚焦接触式探头
优点：
方向性较好，可以用来探测曲面零件与晶片垂直方向上一定深度的缺陷。
用途：
由于其声束尺寸小，检测的灵敏度和分辨率较高。
水浸式聚焦探头要求耦合剂为水，常用于分析材料性能和细小缺陷，检测精度高。
表面波探伤
表面波
对被测工件的表面光洁度要求比较严格。
此种探头探测深度浅，能量低。
2.3.3超声波探头的工作原理
压电效应是超声波发射和接收超声波所利用的原理。
超声波探头具体的工作原理为：
压电晶片上会加上由超声波发射电路产生的交变电压，有两块面积相同的金属极板在压电晶片上，当电压到达两金属极板后，二者会分别产生等量的异种电荷，并形成电场，由此产生了电场力。
压电晶片具有良好的压电效应，压电晶片会在电场力的作用下发生形变，这种效应是逆压电效应，是超声波探头发射超声波的过程。
同样，压电效应会受到返回的回波信号作用，压电晶片会在交变的拉与压的作用力下产生交变电场，这种效应是压电效应，是超声波探头接收超声波的过程。
在选用探头时，一定要满足测厚系统的测量范围与测量精度。
要求超声波探头对超声波信号受温度变化的影响以及衰减程度一定要尽可能的小。
超声波探头有如下的三个性能指标：
（1）工作频率。
当晶片的共振频率与加到超声波探头两端的交流电压的频率相同时，可以输出最大能量并且能够获得最高的灵敏度。
一般用示波器活频谱仪测定；
（2）工作温度。
当超声波探头的工作温度比较高的时候，就不能够长时间稳定工作，并且有可能失效；
（3）灵敏度。
超声波探头晶片的本身制造决定了探头的灵敏度。
机电耦合系数越大，其灵敏度也会越高。
超声波测厚仪与探头的匹配程度的好坏也会影响灵敏度。
2.4超声波耦合剂的选择
当超声波测厚探头直接与被测工件接触时，就会有一层空气薄层在超声波探头与工件之间。
这层空气薄层将会引起对超声波信号造成十分大的干扰，并且会导致超声波信号的衰减，严重影响测厚的精度。
因此，就需要一种物质去消除这层空气薄层，于是就有了超声波耦合剂。
当在被测工件表面涂上超声波测厚专用耦合剂之后，这层空气层就会被排挤掉。
这样，超声波探头就可以正常发射和接收通过被测工件的超声波。
耦合剂是测量过程必需的，在实际应用之中，我们会用耦合剂排挤掉探头与超声波之间的空气层。
下图就是超声波测厚专用的耦合剂。
图2-6超声波测厚专用耦合剂
耦合剂是测量过程中不可缺少的部分，它是实现声能从探头向被测工件传递的重要介质。
我们要求耦合剂要有良好的浸润性，并且能够很好的附着在被测工件的表面。
为了能够保证声能损耗较少，要求超声波测厚的专用耦合剂阻抗性能要好，大概要与被测工件相近。
同时，对于超声波测厚专用耦合剂，要求其价格要低、清洗要简单容易并且无毒无害，不会腐蚀工件。
我们常用的耦合剂有胶水、机油、自来水等等，常用的耦合剂的参数如下图所示。
表2-4常见耦合剂的参数
耦合剂
密度g.cm3
声速103m/s
声特性阻抗106kg/m2.s
水（10℃）
1.0
1.48
机油
0.92
1.39
1.28
水玻璃（体积分数33%）
1.26
1.72
2.17
甘油（纯）
1.27
1.88
2.38
2.5超声波测厚系统的性能设计
本测厚系统采用的是单片机控制的便携式测量装置。
本测厚系统构造简单，易于操作，成本较小。
2.5.1基本性能参数设计
其基
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