1 引言

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)：根據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)控制的智能超聲波測(cè)厚系統(tǒng)?；疽鬄椋海?）產(chǎn)生振動(dòng)頻率為 20 kHz 的超聲波脈沖。（2）通過(guò)產(chǎn)生階梯波和小斜波，獲得步進(jìn)系統(tǒng)的取樣信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成界面波和底波的數(shù)字量，并存貯于存儲(chǔ)器中。（3）當(dāng)被測(cè)厚度小于 100 mm 時(shí)，要求測(cè)厚系統(tǒng)的測(cè)量精度為 0.01 mm，步進(jìn)時(shí)間為 1.2 μs。

在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)行深層次的開(kāi)發(fā)。要求如下：（1）當(dāng)被測(cè)厚度大于 100 mm 時(shí)，要求通過(guò)“擴(kuò)展延遲”，保證覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍的高精度測(cè)量。（2）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)厚、測(cè)速的功能。

2 實(shí)驗(yàn)原理及方案

2.1 超聲波測(cè)厚原理

當(dāng)振動(dòng)頻率為 20 kHz 以上的超聲波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度不變且基本沿直線傳播。但當(dāng)它通過(guò)一種介質(zhì)和另一種介質(zhì)分界面時(shí)，部分超聲波將反射會(huì)形成回波。超聲波測(cè)厚就是根據(jù)超聲波進(jìn)入被測(cè)介質(zhì)和退出被測(cè)介質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生回波之間的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)算被測(cè)介質(zhì)的厚度。

圖 1 中，左方第一個(gè)是激勵(lì)脈沖，它通過(guò)電纜送到探頭，探頭受到激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)。由于探頭介質(zhì)與被測(cè)物體的介質(zhì)不同。因此，當(dāng)激勵(lì)脈沖傳輸?shù)浇缑?a 時(shí)就會(huì)產(chǎn)生回波，稱為“界面波”。除了反射回界面波之外，還有一部分超聲波將在被測(cè)物體中繼續(xù)傳播，當(dāng)它到達(dá)界面 b 時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生回波，稱為“底波”。顯然，界面波和底波之間的時(shí)間間隔與被測(cè)物體的厚度成正比。設(shè)超聲波在被測(cè)物體中的傳播速度為 v，被測(cè)物體的厚度為 d，界面波和底波之間的時(shí)間為 t，則有式（1）。

d＝v×0.5×t（1）

當(dāng)被測(cè)物體給定之后，超聲波在其中的傳播速度 v 便是一個(gè)已知量，因此測(cè)定出 t 就可以求出被測(cè)物體的厚度 d。

2.2 實(shí)現(xiàn)方案

基于單片機(jī)控制的智能超聲波測(cè)厚系統(tǒng)（圖 2）主要采用步進(jìn)取樣的方法采集界面波和底波，其工作分取樣存貯、數(shù)據(jù)處理和顯示三個(gè)過(guò)程。

（1）取樣存貯。首先把寫(xiě)地址經(jīng) D/A 3 送出階梯波，接著單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)激勵(lì)脈沖發(fā)生電路發(fā)出激勵(lì)脈沖，為了只采集界面波和底波，躲開(kāi)激勵(lì)波，經(jīng)過(guò)一個(gè)固定延時(shí)之后，再對(duì)步進(jìn)系統(tǒng)發(fā)出斜波控制脈沖，從而由步進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生出取樣信號(hào)，再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，最后送到存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)的存貯單元中存貯起來(lái)。重復(fù)采樣 N 次，即可將需要采集的界面波和底波存貯在存儲(chǔ)器中。

（2）數(shù)據(jù)處理。主要是指自動(dòng)測(cè)厚中的數(shù)字濾波、自動(dòng)尋找最大最小值、非線性補(bǔ)償及偏差校正等功能。

（3）擴(kuò)充部分。本系統(tǒng)的基本要求是被測(cè)物體厚度小于 100 mm，測(cè)量精度為 0.01 mm，即要求步進(jìn)時(shí)間為 1.2 ns。因此，系統(tǒng)的最大掃描時(shí)間 T 只能為 1.2μs 左右。當(dāng)被測(cè)物體較厚時(shí)，對(duì)應(yīng) T＞1.2μs，就不能測(cè)量了。為解決這個(gè)矛盾，可采用“擴(kuò)展延遲”的措施。

“擴(kuò)展延遲”:當(dāng) T＞1.2μs 的測(cè)厚情況時(shí)，把掃描分為兩段，并在中間插入一個(gè)可變的延遲量（0～40 μs），該延遲量就稱為“擴(kuò)展延遲”。改變擴(kuò)展延遲大小可采用軟件的方法，從而保證覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)寬范圍的高精度測(cè)量。

3 考核要求與方法

本實(shí)驗(yàn)考核的節(jié)點(diǎn)、時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)及考核方法。

（1）基本要求。設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告：方案設(shè)計(jì)與論證，操作過(guò)程，電路圖，測(cè)試方法與數(shù)據(jù)，結(jié)果分析。時(shí)間 2 h，得分 10 分。

發(fā)射端：① 產(chǎn)生振動(dòng)頻率為 20 kHz 的超聲波脈沖是否達(dá)到所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)；② 階梯波和小斜波的產(chǎn)生，獲得步進(jìn)系統(tǒng)的取樣信號(hào)，考察是否達(dá)到所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)；③ 單片機(jī)的控制是否達(dá)到規(guī)定的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。時(shí)間 16 h，得分 35 分。

接收端：① A/D 數(shù)據(jù)是否達(dá)到規(guī)定的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)；② 設(shè)計(jì)存貯電路和顯示電路，是否達(dá)到所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)；③ 數(shù)字濾波能否削弱漂移因素的影響。時(shí)間 16 h，得分 35 分。

（2）創(chuàng)新設(shè)計(jì)。①“擴(kuò)展延遲”電路，能否保證覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍的高精度測(cè)量；② 所設(shè)計(jì)的測(cè)厚系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)厚、測(cè)速的功能。時(shí)間 6 h，得分 15 分。

（3）討論與交流。① 單片機(jī)在本系統(tǒng)中的作用；② 比較分析如何保證測(cè)厚系統(tǒng)覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，如何實(shí)現(xiàn)寬范圍的高精度測(cè)量。時(shí)間 1 h，得分 5 分。

4 結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主導(dǎo)思想是在教師指導(dǎo)下提倡學(xué)生自主設(shè)計(jì)與自主實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生的設(shè)計(jì)與研究興趣，全面培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用控制系統(tǒng)的能力[1-10]，加強(qiáng)他們的實(shí)踐及獨(dú)立動(dòng)手技能，并使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到不斷增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)涉及超聲波測(cè)厚、數(shù)據(jù)處理、微機(jī)原理、數(shù)字電路、模擬電子線路、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多門(mén)學(xué)科，極大地提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手技能。