超声波测厚仪

超声波测厚仪

1.系统方案设计

1.1 概述

由于社会不断进步发展，人们对物体厚度测量的要求越来越高，许多传统的测厚方法已经无法满足我们的需求，还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测厚方法也很难完成测量的任务。第一台接触式速续测厚仪大约出现在1930年，操作者用这台侧厚仪器去侧量铜材的厚度时, 必须把它推向待侧的钢带, 用机械的方法来测量距带材边沿几寸范围内的金属材料的厚度。这种测量方法使用极其不便，而且测量精度也很低。在我们看来，一般的物体尺寸的测量，无非长、宽、高（厚），三个方面，而厚度测量是生产中最常见的测量内容之一,常用量具是游标卡尺或千分尺,这些量具在使用时都必须和工件接触,虽然接触压力不大,但对一些特殊工件,在测量时不允许量具和工件接触,否则会在工件表面上留下压印或划痕，甚至有些测量环境环境下很难或无法进行接触式测量，那么，这就需要有一种新的方法来代替接触式测量。随着科技大发展和生产力的要求，非接触式的测量方法出现了。第一台成功的非接触式自动测厚仪应用了X射线吸收技术。从此，非接触式测量方法开始了迅猛发展，其强大的功能和优点无法使传统的接触式测量望其项背，也为人类社会的发展，工业文明的进步做出了巨大的贡献。而目前能够通过采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量的技术主要有激光测距、微波雷达测距和超声波测距三种。激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。于是，超声波测距这种新的测距方法在测距的应用中将越来越广。

由于超声波具有指向性好、能量损耗低、传播距离较远、不易受外界环境影响和对被测目标无损害等特点，利用超声波测量厚度就可以解决传统测量方法中遇到的问题。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。

超声波测厚电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好，并且能够非常简单快捷的测出所需要的距离。

超声波测厚适用于超声波能以一恒定速度在其内部传播,并能从其背面得到反射的各种材料厚度的测量。此仪器可对各种板材和各种加工零件作精确测量。可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。由单片机计时，单片机使用12.0MHz晶振，所以此系统的测量精度可以达到毫米级，同时此系统的成本非常的低廉，稳定性好,可以得到广泛的应用。

1.2 系统方案框图

图1 超声波测厚仪原理框图

此系统根据超声波在空气中传播反射原理, 把超声波传感器作为接口部件, 利用超声波在空气中传播的时间差来测量厚度,设计了一套超声波检测系统。该系统设计主要分为主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个基本模块构成。

2.

3.超声波测厚仪工作原理

2.1检测原理

超声波测厚方法的原理通常使用的是时间差。首先测量从发射超声波遇到障碍后返回的时间，然后乘以超声声速的二分之一即得到声源与障碍物之间的厚离。声波智能测厚仪设计测量装置利用超声波传感器，与单片机处理，最后通过LED数码管显示测量值之间的厚度。智能超声波测厚仪由三个部分组成，包括微控制器，超声波传感器和数字控制。

图2 超声波智能测厚仪原理框图

由上图可以看出，硬件电路设计主要包括单片机系统，超声波发射器和超声波接收器，显示电路四部分组成。或者用AT89C52单片机微控制器系列兼容系列代替。单片机对超声波发射器进行控制，超声波接受器把检测的信号输入到单片机中，然后通过内部程序传输的信号进行分析，计算和处理，由LED数码管显示测量厚离的最终值。

2.2测厚传感器的选择

2.2.1激光测厚传感器

激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点，它工作时先由激光传感器对准障碍物发射激光脉冲，经障碍物反射后向各个方向散射，部分散射光返回到接受传感器，能接受其微弱的光信号，从而记录并处理光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离，即用往返时间的一半乘以光速就能得到距离。其优点是

测量的距离远、速度快、测量精确度高、量程范围大，缺点是对人体存在安全问题，而且制作的难度大成本也比较高。

激光测厚仪是近年来开发出的高科技实用型设备, 是用于热轧生产线上时在线式连续测量成材厚度的非接触式测量设备。它有效地改善了工作环境, 具有测量准确、精度高、实用性好、安全可靠、无辐射、非接触式测量等人工测量及其它测量方法无法比拟的优点, 并为轧制钢材厚度控制提供了准确的信息, 从而提高了生产效率和产品质量, 降低了劳动强度度。激光测厚仪使用两年多以来, 具不完全统计, 因板厚误差造成的废品率下降了50%以上, 创经济效益上亿元, 广泛地受到人们的肯定与赞赏。我们有理由相信，在未来的发展过程中，激光测厚仪作为非接触测量领域的一个重要分支将更能发挥其作用。

2.2.2超声波传感器

超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。

根据对以上两种传感器性能的比较，虽然能明显看出来激光传感器是比较理想的选择，但是它的价格却比较高，而且安全度不够高。同时超声波传感器具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间，因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头。

3.硬件设计