基于CPLD的超聲波測厚系統的設計

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　　在工業生產和產品質量檢測中，常常需要在無損條件下測出工件的厚度，從而確定是否符合設計要求。目前，鋼板是鋼材的四大品種(板、管、型、絲)之一，被廣泛應用于高層建筑、橋梁、海上石油平臺、大型輪船等工程項目中，其厚度直接關系著這些工程項目的安全性和可靠性，在鋼板測厚方面，超聲波無損測厚方法將得到廣泛應用。

　　1 超聲測厚的原理

　　超聲測厚的基本原理是利用超聲波在介質中的傳播特性來發現材料缺陷和壁厚，脈沖反射式測厚法實質上是測量超聲波脈沖在材料中的往返傳播時間。

　　超聲波測量按工作原理分，有共振法、干涉法及脈沖回波法等幾種。由于脈沖回波法不涉及共振機理，與被測物表面的光潔度關系不密切，所以超聲脈沖回波法也是應用比較廣泛的一種，其原理用超聲波探頭向被測物體發出超聲脈沖，此超聲脈沖便在被測物體內傳播，傳播至被測物體的底面時反射，反射回來的超聲波又被超聲波探頭接收，這樣，從超聲波探頭發出超聲脈沖到超聲波探頭接收到反射脈沖所用的時間t可通過電路精確地檢測出來，在t時間內超聲波在被測物體內完成了一個往返，如圖1所示。如果被測物體的厚度用d表示，超聲波的總行程就是2d，由于聲波在某一物體內傳播的速度c是常數，所以被測物體的厚度可由下式算出：d=vt/2。式中：d-被測物體厚度;v-超聲波速度;t-超聲波從管射到接收回波的時間。

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　　超聲波傳感器分發射器和接收器兩部分，超聲波傳感器按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，最常用的是壓電式傳感器。

　　壓電式超聲波傳感器探頭的核心為壓電晶片，利用壓電效應實現聲電轉換，其振動頻率在幾百千赫以上，當它的兩電極加脈沖信號(觸發脈沖)，若其頻率等于晶片的固有頻率時，壓電晶片就會發生共振，并帶動共振板振動，從而產生超聲波。相反，若電極間未加電壓，則當共振板接收到回波信號時，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉換為電信號，此時的傳感器就成了超聲波接收器。

　　2 超聲波測厚系統電路總體結構及工作原理

　　超聲波測厚系統模塊的主要任務是產生一個超聲波信號，將超聲波信號放大后加載到超聲波探頭上，超聲波探頭帶動被測物體發生共振，然后將得到的數據采樣并且峰值保持，然后送給信號處理模塊，因此它是本設計的基礎部分，是實現將檢測信息娩出，得到良好超聲波回波信息的關鍵所在。

　　本超聲波測厚系統模塊主要由觸發信號產生電路，發射接收放大電路，放大檢波電路，采樣峰值保持電路，模數轉換電路，液晶顯示電路和CPLD運算及控制電路等構成。其電路構成設計如圖2：

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　　當通電開始測厚時，由CPU(中央處理器)發出測厚同步信號，觸發發射電路，使直探頭產生超聲波入射至工件，當超聲波返回探頭時，首先經過衰減，然后放大檢波取樣，所得厚度時間方波經積分保持器送ADC574模數轉換器，模數轉換之后送CPLD進行數據處理，并顯示之12864液晶顯示模塊。