超聲波是一種頻率大干兩萬赫茲的機械波，可以在除真空以外的任何介質中以不同的速度傳播。這種波在傳播過程中，具有定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減小、反射能力較強能特點。超聲波傳感器廣泛用于各種非接觸式、非破壞性的測量過程中。它不受光線、電磁等影響，對惡劣的環境具有一定的適應能力“。因此，在機械制造、電子冶金、航海，宇航、石油化工、交通等工業領域都有廣泛的應用。本文主要介紹一種高精度的超聲波厚度測量儀。
脈沖反射式超聲波測厚儀的實現原理，見圖1。超聲波進入被測材料后，在測料的A、B面之間來回反射形成振蕩。在材料對超聲波的吸收和超聲波波散射等作用下，超聲波產生衰減直至為零。如果能測量出超聲波在材料中往返一次的傳播時間，在速度已知的情況下，根據公式(1)，就不難求得被測材料的厚度［2]。
式中：
v一超聲波在被測材料中的傳播速度；
T一超聲波在被測材料中往返一次的時間；
D一被測材料的厚度。
2系統構成
超聲波厚度測量儀系統構成，見圖2。圖中超聲波發生器在單片機產生的方波脈沖的激勵下產生高壓區尖峰脈沖信號。脈沖信號驅動超聲波換能器(中心頻率為5兆赫茲)發出超聲波。同時，方波脈沖信號經同步電路啟動計數器開始計數。超聲波換能器收到超聲波回波后，經過信號轉換送入到信號處理電路。處理后的信號停止計數器計數。單片機讀取計數器的計數值。經過公式計算，得到被測材料的厚度。最后，厚度值送入到顯示電路顯示。測量速度值是由鍵盤輸入到單片機里。
2．1脈沖發生器
脈沖發生器產生能激勵超聲波換能器的高壓(300伏以上)尖峰脈沖信號。脈沖發生器的輸入信號(方波脈沖)由單片機產生”1。本方案采用的是非諧振式發射電路[3]見圖3。
非諧振式發射電路的工作原理是：當閘流管(或可控硅)導通時，電容c放電，產生一短脈沖，激勵探頭中的壓電陶瓷晶片使其發射超聲脈沖。
在設計中，需要考慮脈沖信譬的厚度，即一次連續發射脈沖的數量，對測量儀的測量精度有著重要的影響。厚度愈大，發射功率愈大，發射波的拖尾信號愈大，相應得測量盲區愈大。反之，測量盲區愈小。但是，發射功率小時，回波信號不很明顯。同樣會影響到測量結果[4]。
2．2同步電路
同步電路本質是計數器的始能信號產生電路。超聲波換能器在發射超聲波時，會產生余震波或對換能器產生串行干擾5】。這些干擾很可能淹沒換能器收到的第一次回波信號，從而影響測量結果。同步電路會屏蔽掉這段干擾。在第二次回波信號到來時，開啟計數器計數。第三次回波信號到來時，計數器停止計數。
2．3計數器
計數囂能準確地i記錄兩次回波信號的時間間隔，見圖4。在高頻脈沖頻率已知的情況下，根據公式(2)，不難求出超聲波在被測材料中傳播所需時間。
式中：T——超聲波在材料巾的傳播時間
12一一計數器的計數值l
f——高頻脈沖頻率；
v——超聲波在材料中的傳播速度
2．4信號處理電路
一般來說，超聲波換能器輸出的回波信號為1毫伏～1伏的交變信號[3]。所以，信號處理電路不僅要提供上百分貝的信號增益，同時還要對信號進行濾波檢波處理。鑒于篇幅有限，在此只給出檢波電路的參考模型[5],見圖五。
檢波電路也要滿足一定的頻率特性。檢波電路的下限頻率提高，檢波后的波形寬度變窄，分辨率提高。但是，下限頻率過高，回波波峰不明顯，不利于最后的處理。
2．5超聲波波速的測量
超聲波受環境溫度的影響較大。如每升高l℃，超聲波速度升高0．6m／s[5]。在測量精度要求高的情況下，必須獲得較準確的超聲波聲速或采取合適的方法對聲速進行修正。在本方案中，采用實測的方法獲得超聲波速度。在實際使用中，根據標準試件可以測得在當時環境下，超聲波在材料中的傳播速度。測量原理是，在被測材料厚度已知的情況下，根據公式(1)就可以得到超聲波的聲速。
3結束語
本方案利用超聲波測量材料厚度。測量結果由四位LED顯示輸出。測量精度為0．03mm，分辨率0．01mm，測量誤差±0．02mm。
在本方案中，部分數字電路由一塊CPLD(復雜可編程邏輯器件)完成。所以，系統結構簡單、體積小、成本低、系統可靠等特點[6】。
參考文獻
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【3】Ⅸ超聲渡探傷》編寫組．超聲波探例[M】．北京：電力工業出版社，1980
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[6】Thomas&Moorby’s．硬件描述語言[MI．劉明業，等譯．北京：清華大學出版社，2001
鵬翔新聞
