基于CPLD的超聲波測厚系統的設計方案

工業生產和產品質量檢測中,經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平安性和可靠性,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達特性來發現資料缺陷和壁厚,脈沖反射式測厚法實質上是丈量超聲波脈沖在資料中的往返傳達時間。

   超聲波丈量按工作原理分,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擬廣泛的一種,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,傳達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,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常數,所以被測物體的厚度可由下式算出:d=vt2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。

   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,從而發生超聲波。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發生一個超聲波信號,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,然后將得到數據采樣并且峰值堅持,然后送給信號處置模塊,因此它本設計的基礎局部,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發生電路,發射接收放大電路,放大檢波電路,采樣峰值堅持電路,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

   當通電開始測厚時,由CPU中央處置器)發出測厚同步信號,觸發發射電路,使直探頭發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堅持器送ADC574模數轉換器,模數轉換之后送CPLD進行數據處置,并顯示之12864液晶顯示模塊。

3軟件順序設計

   軟件順序設計框圖如圖3所示,系統軟件是根據本儀器的功能而設計的主程序中,首先進行初始化,初始化中完成設置堆棧指針,定義顯示單元,設置顯示緩沖區地址,顯示數據地址,然后讀開關量,根據手動開關的要求轉入校正,探傷或測厚處理程序,若以上三種情況都不是則使得數碼管上顯示為零,最后返回讀開關量。

 

4測厚程序設計

   由于本系統采用的12位輸出的ADC574模數轉換器,所以可保證很高的測厚精度,本系統超聲測厚儀采用VerilogHD編程實現數據采集處置模塊門,CPLD軟件實現方法如圖4所示,丈量的過程如下。

   1儀器上電,進入丈量狀態,CPU首先對CPLD進行初始化,使計數器及鎖存器清零,CPLD等待CPU發射請求。

   2若接收到CPU發射請求,CPLD發生一個幾百納秒的觸發信號,開通高壓電路,激勵探頭發生超聲波,同時啟動計數器開始計數。根據測厚儀1300mm丈量范圍,采用軟件自帶的一個16位計數器即可涵蓋所需要的丈量范圍。如果CPLD資源比擬緊張,還可以用VerilogHDL語言設計一個合適位數的計數器(例如12位計數器)以達到合理利用資源的效果。

   3如果CPLD合理的時間內未接收到回波信號,則回波有效標志位為0鎖存器里的數據無效,CPU不讀取。當CPLD接收到回波信號時,還需對接收的回波信號做寬度檢測,僅當回波寬度在合理范圍內,才認為是有效的回波寬度檢測是為了防止由于探頭藕合不良而引起讀數不準確的情況。

   4CPLD檢測到有效回波時,鎖存回波從發射到接收所用的時間、回波的前沿及后沿等相關信息,回波有效標志位置1CPU讀取所需的信息。值得注意的超聲測厚儀回波的數據采集中,只檢測回波的前、后沿,根據對稱性計算出其中點,而不用花費更多的資源計算其峰值。這樣做使儀器的結構更簡單,體積更小巧,功耗也較低。本順序進行連續采集256次數據累加求厚度的平均值,再進行十六進制到十進制的轉換,顯示出十進制的厚度值。

5結束語

   超聲測厚儀中應用低功耗CPLD可降低產品的生產本錢,提高系統的可靠性,縮小設計的物理體積,靈活性更好,而且在滿足丈量精度的前提下,大大降低了儀器整體的靜態功耗。本系統的結論:

   1本系統探頭及測厚不受工件形狀厚薄限制,靈敏度高。

   2本系統性能指標達到如下數值:

   探傷靈敏度余量>=46dB

   垂直線性誤差<=5%;

   水平線性誤差<=1%;

   衰減精度每12dB±0.6

   分辯率>=22dB

   動態范圍>=32dB

   測厚精度0.05mm

作者:深圳市好順超聲設備有限公司|日期:2011-09-24