基于单片机的便携式厚度测量仪的系统设计说明.docx
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基于单片机的便携式厚度测量仪的系统设计说明
基于单片机的便携式厚度测量仪的系统设计
摘要
在石油化工领域中,油汽的运输与储存过程中,运输管道和储油罐会因为各种原因受到腐蚀的影响,管道壁和油罐壁的厚度会因此减小,当腐蚀程度严重时,会导致油汽的泄漏,甚至引起爆炸,造成人员伤亡,所以,需要定期对使用设备进行检测、记录和分析。
而在所有检测的指标中,厚度值则是能够反映其腐蚀程度和安全性能的重要指标。
本次课题研究目的是开发一种基于单片机的便携式超声波测厚仪,其具有体积小、易携带的优点,可以实现高精度厚度测量,对于不同材料的被测物体有多种测厚模式选择,并且实现了对测厚数据的记录与保存等功能。
本论文主要从以下三个方面展开研究:
首先,论文对现代工业领域常用的测厚技术做了介绍,然后详细介绍了本次测厚仪采用的超声波测厚原理,并对超声波以及超声波的应用作了简单的概述。
着重分析了脉冲回波法测量厚度的原理及方法,同时介绍了超声波探头的分类和耦合剂的选择。
其次,针对本次课题所设计的便携式超声波测厚仪的硬件电路作了详细的说明。
将电路部分分成了单片机控制电路、发射电路、接收电路、液晶显示电路和按键电路,分别说明了各电路模块的电路结构和工作原理,并对电路设计中所使用的芯片作了简单概述。
最后,根据硬件电路的设计结合功能要求,对软件程序进行了设计。
程序设计采用C语言编译,分为初始化程序、发射超声波程序、接收超声波程序、中断程序等。
关键词:
测厚仪,超声波,单片机
Thethicknessoftheportablemeasuringinstrumentsystemdesign
Abstract
Inthepetrochemicalindustry,transportationandstorageofoilandgasintheprocess,pipelinesandstoragetankswillbeaffectedbycorrosionduetovariousreasons,thethicknessofthepipewallandthetankwallwillthereforedecreasewhenseverecorrosion,willleadtoleakageofoilandgas,andevencauseanexplosion,causingcasualties,therefore,theneedforregularuseofthedevicefortesting,recordingandanalysis.Inallteststheindicators,itispossibletoreflectthevalueofthethicknessofthecorrosionimportantindicatorofperformanceandsafety.
Thepurposeofthisresearchistodevelopamicrocontroller-basedportableultrasonicthicknessgauge,whichhasasmall,easytocarryadvantage,youcanachievehigh-precisionthicknessmeasurement,theobjectofdifferentmaterialsforavarietyofthicknessmeasurementmodeisselected,andtherealizationofthethicknessmeasurementdata,suchasrecordingandpreservationoffunction.Inthisthesis,astudyfromthefollowingthreeaspects:
First,thepapercommonlyusedinmodernindustrythicknessmeasurementtechniquehavebeendescribed,anddetailsoftheultrasonicthicknessgageusesthisprinciple,andtheapplicationofultrasoundandultrasoundbrieflysummarized.Analyzestheprincipleandmethodofmeasuringthethicknessofthepulse-echomethod,alsointroducedtoselectultrasonicprobeclassificationandcouplingagents.
Secondly,thesubjectofthisportableultrasonicthicknessdesignedhardwarecircuitrydescribedindetail.Thecircuitportionintothechipcontrolcircuit,atransmittingcircuit,areceivingcircuit,aliquidcrystaldisplaycircuitandthekeycircuit,respectively,illustratetheworkingprincipleofthecircuitstructureandcircuitmodules,andthechipusedinthecircuitdesignarebrieflysummarized.
Finally,basedonacombinationofhardwarecircuitdesignfunctionalrequirementsofsoftwareprogramsaredesigned.ProgrammingusingClanguagecompiler,intotheinitializationprocess,transmitultrasoundprocedures,receivingultrasoundprocedures,interruptprocedures.
Keywords:
thicknessgage,ultrasonic,SCM
1绪论
1.1课题研究的背景和意义
厚度测量时日常生活中非常常见的事情,但是传统的用尺子进行厚度测量有很多缺点,比如测量不精确,对测量方式有很多限制,等等。
在科技日益发达的今天,厚度测量的方法和仪器也应该有所进步。
本次设计就是为了改变传统的测量方式,使厚度测量更简便更准确。
在科技水平日益发达的今天,厚度也成为了各个领域检测产品质量的重要指标,例如,石油化工领域中,在石油的储存和运输中,对储油容器和运输管道的厚度都有严格的要求,需要定期对其厚度进行检测;建筑业中,钢板的厚度不仅对整个工程的成本就较大影响,还直接决定了房屋的安全性能;对于船体制造行业,由于海水的腐蚀特性,也需要对船体厚度进行精确测量,保证航行稳定与安全。
由此可以看出,对于材料厚度的精确测量的要与日俱增,同时,如何快速、便捷、准确的测量厚度,也成为的各个领域所面临的共同问题。
本次课题所研究的便携式厚度测量仪就是根据当前社会对不同材料进行快速、便捷、准确测量要求而研制的。
1.1.1测厚技术
目前,国外在厚度测量仪的研制中所采用的测厚技术有很多种类。
根据中国电子科技集团电子七十二研究所贾治国的总结,可以把测厚仪按照不同形式划分为接触式和非接触式两种,具体划分,又可按照工作原理的不同划分为激光、超声波、涡流、X射线、γ射线等测厚仪。
对测厚仪按不同原理的分类如图1所示。
图1-1测厚仪原理分类
(1)机械接触式测厚技术
机械接触式测厚仪根据原理不同,又分为光电码盘式测厚仪和位移传感器式测厚仪。
其原理是把两个压头分别置于被测工件的上下或外两个表面上,通过测量两个压头的旋转角度或位移来测量被测工件的厚度。
机械接触式测厚仪具有很高的精度,可达到±0.001mm,但是测量围有限,只能测量1-5mm的厚度[1][2]。
(2)超声波测厚技术
超声波具有较好的指向性,超声波测厚技术就是根据这个特性,通过超声波在不同介质面发生折射和反射的原理来实现[3]。
超声波测厚技术在当前的工业领域应用非常广泛,不仅可以用来测厚,根据其原理还可以用来进行探伤、测距、测定液位,以及鉴别材料的杂质[4]。
(3)X射线测厚技术
X射线测厚技术利用X射线穿透被测物时,其强度变化与材料的厚度相关的特性来测定物体的厚度。
发射一定强的的X射线,当穿透被测工件时强度会被吸收掉一部分,穿过被测工件到达接收探头检测器的是强度衰减的射线,测得发射强度和接收强度就可以测出被测工件的厚度[5][6]。
X射线测厚技术的优点:
测量单一材料的物体是精度很高;不受被测工件材料和颜色的影响。
其缺点包括易受环境温度和材料波动的影响;通电时有很强的放射性,需要很高的防护。
在实际应用中X射线测厚仪多应用于塑料薄膜、铝箔、薄钢板等材料的厚度测量[7]。
(4)同位素测厚技术
由宝钢的玲的材料可知,同位素测厚技术的原理同X射线测厚技术相类似,都属于射线式测厚技术,利用的是同位素射线穿过被测物体后,其强度发生衰减,衰减程度与被测工件厚度相关的原理研制而成的[8][9]。
根据所使用放射源的区别,又可以分为β射线测厚仪和γ射线测厚仪。
β射线测厚仪常用在造纸、橡胶、塑料等工业生产中及控制金属镀层的厚度。
γ射线测厚仪一般应用于板、管、膜等产品在线测厚控制,γ射线与其他射线相比,有更强的穿透力,且相对稳定[10][11]。
(5)涡流测厚技术
涡流检测技术室近年发展起来的一种新的检测技术。
脉冲涡流技术的原理是:
信号源方波信号加到激励线圈两端,激励线圈中产生周期的脉冲电流,从而感生出快速衰减的脉冲磁场,检测线圈随着涡流磁场的衰减,感应出随时间变化的电压,由于脉冲涡流在导体试件部的传播过程是逐渐衰减的,因而对于不同厚度的导体试件,最终得到的检测线圈上的瞬态感应电压信号的波形是不同的,利用被测物体的厚度与这种瞬态感应电压信号的关系,便可以求出被测物体的厚度值[12]。
根据严仍春的报告,涡流测厚技术主要应用于覆层厚度的测量,根据覆层材料和基体材料的不分为复合镀层厚度测量、非磁性金属上非导电层厚度和磁性金属上非磁性覆层厚度测量三种[13]。
涡流式测厚仪造价较低且易于制造、检测线路简单。
但其精度降低较快、稳定程度不够高、难以长期使用[14]。
(6)激光测厚技术
激光测厚利用的是激光亮度高、方向性强切抗干扰能力强的特点。
激光测厚技术的工作原理为:
把两束准直并共线的激光光束照射在被测工件的上下表面,形成了两个光点,两个光点之间的距离就是被测工件在这一点的厚度,把被测点处的厚度信息转变为光信号,通过光学传感器把光信号转变为电信号,再经过计算机的处理就可以得出厚度值。
激光测厚技术可以实时的测定移动的被测工件并且测定精度高、敏感度高。
由于收表面的反光强弱和粗糙程度的影响,其静态时的测量精度比较低,而当低速平稳运行时的精度高[15]。
激光测厚技术通常应用于非透明板材的厚度测量,特别是对板坯和中厚板的厚度测量,可以实现在线、实时和非接触高精度测量,可以实现在条件极差的热轧钢生产线上的对轧制厚度的控制盒管理[16][17]。
1.1.2超声波测厚技术的发展
超声波检测技术起始于20世纪30年代,由联Sokolov首先提出。
在第二次世界大战后出现了以Sokolov实验的系统为原型,使用穿透法的第一代超声探伤仪[18]。
同时,根据超声脉冲反射为依据的声纳设备在法国出现,并且成功的应用于对德军水下潜艇的监测。
此后美英两国在1944年和1946年分别成功研制了脉冲反射式超声波测厚仪,并成功应用于厚钢板和钢管的厚度测量但是这类超声波测厚是建立在石英压电晶体和电子管器件的基础之上的,很难建立统一的标准,不便推广使用[20][21]。
到了七十年代超声波测厚系统的半导体化使测厚的能耗大幅度降低,集成电路的普及和应用,充电电池供电系统的问世,使系统的体积和质量不断减小,性能和测量精度不断提高。
但此时因为信号的高频特性,超声波检测仅能使用模拟信号进行分析,对于动态波形难以观察和分析。
八十年代后,计算机技和高速元件的不断涌现,使超声波信号额数字化采集和分析逐渐成为可能。
随着现代电子技术的发展,微机技术特别是单片机技术得到广泛的传播和使用,采用单片机设计的测厚仪相对老式的纯硬件结构,不仅在电气性能和物理性能上有论文很大的提高,而且可以使测厚系统的声速设定和厚度设定等操作实现智能化,实现PVC面膜式结构,全测量过程由按键控制。
数字化超声波测厚仪在世界主要的工业国家得到迅速的发展,如美国的magnaflux公司,德国的K-K公司,法国的SOFRATEST公司和加拿大的R/DTECH公司,他们的超声波测厚仪产品中的数据采集、检测、分析和处理技术在世界上处于领先水平。
相对于国外的超声波发展,国主要研究容包括:
高精度探头的研发;单片机、DSP的应用时测厚仪的体积小型化;对回波信号的超声波数字信号处理技术;扩展功能的开发和研制;友好界面的操作系统。
今年来国问世了很多超声波测量系统的产品,在精度和功能上已经逐渐与国外公司的产品相接轨[19][22]。
未来超声波测厚技术将向超小型化、高精度、低功耗、多功能发展、同时兼具厚度分析功能,可以通过历史数据的变化趋势,来分析工件的腐蚀或缺陷情况[23]。
1.1.3本次课题的意义
在石油化工行业,经常涉及到石油的储存和天然气的运输,而石油的储存容器与天然气的运输管道在厚度上必须达到工业要求。
但是,一旦这些设备投入使用,就不能采用在被测物两端各置一个传感器的测厚方法,而且为实现对被测物的多点测厚,所使用的测厚设备的体积不能过大,传统的测厚仪一般是进行单次测量,不能实现实时检测的目的。
本次课题所研制的测厚仪,利用超声波原理,只需要一个探头,就可以对被测物进行厚度测量并且具有实时检测功能,而且具有体积小、携带方便等优点。
1.2本测厚仪的特点
(1)控制系统采用的51单片机,具有体积小,功能多,方便操作的特点。
(2)测厚围为1.2mm-225mm。
(3)可以对不同材质的物体测厚。
(4)通过LCD12864液晶显示,可以显示汉字,并且显示容丰富。
(5)测量时,并非单次测量,而是实时采集数据。
(6)硬件电路简单,易于检测故障。
1.3研究过程中遇到的难点和问题
(1)超声波原理学习。
由于对超声波相关知识的缺乏,需要学习超声波的基本原理。
(2)电路设计。
本超声波测厚仪有由多个模块电路组成包括驱动电路、接收电路、
单片机控制电路、显示电路、按键电路等,每个模块电路不仅要具有相应的功能,而且要和其他电路进行数据传输。
(3)元器件选择。
包括超声波探头在,电路中所使用的每一个元器件都要经过计算后才能使用,既要保证电路功能的实现,又要保证电路运行的安全。
(4)盲区设置。
由于本超声波厚度检测仪采用的是超声波直探头,所以必须对检测盲区进行设定,需要进过大量的实验和数据分析得到。
1.4课题结构安排
本次课题的论文共分成五个章节,各个章节容如下:
第一章为绪论部分,对当前常用的测厚技术及原理作简单概述,并着重介绍超声波应用的发展历史和趋势。
第二章对超声波测厚的原理进行详细介绍,并对本次课题设计的超声波测厚仪所使用的探头和耦合剂的选择作简单介绍。
第三章着重介绍本次课题设计的超声波测厚仪的硬件电路部分,按照电路的功能不同,可以分成驱动电路、接收电路、单片机控制电路、显示电路、按键电路来分别介绍。
第四章着重介绍本次课题设计的超声波测厚仪的软件部分,详细说明如何通过程序实现各电路模块之间的数据传输以及单片机对各电路模块的控制。
第五章是对本次课题的总结。
2超声波测厚的基本原理
2.1超声波的介绍
2.1.1超声波的定义
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率,它的单位是赫兹(Hz)。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz~20kHz。
当声波的振动频率小于20Hz或大于20kHz时,我们便听不见了。
因此,我们把频率高于20kHz的声波称为“超声波”。
2.1.2超声波的主要参数
超声波的两个主要参数:
(1)频率:
F≥20kHz(在实际应用中因为效果相似,通常把F≥15kHz的声波也称为超声波);
(2)功率密度:
p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p≥0.3W/cm2。
2.1.3超声波效应
(1)机械效应
超声在介质中前进时所产生的效应。
(超声在介质中传播是由反射而产生的机械效应)。
超声波的机械作用可软化组织,增强渗透,提高代,促进血液循环,刺激神经系统和细胞功能,因此具有超声波独特的治疗意义。
(2)温热效应
当超声波在物体中传播,其能量不断地被物体吸收而变成热量,其结果是使物体己身的温度升高。
产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程,即生热。
(3)理化效应
超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。
实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。
2.1.4超声波特性
(1)超声波在传播时,方向性强,能量易于集中。
(2)超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离。
(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息。
超声波是一种波动形式,它可以作为探测与负载信息的载体或媒介;超声波同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏物体的状态。
2.1.5超声波的应用
(1)超声检验
超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,而且能透过不透明物质,这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
超声成像是利用超声波呈现不透明物部形象的技术,把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上,从试样透出的超声波携带了被照部位的信息,经声透镜汇聚在压电接收器上,所得电信号输入放大器,利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。
(2)超声处理
利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应,可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等,在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
(3)超声除螨
科研人员发现,螨虫的听觉神经系统很脆弱,对特定频率的超声非常敏感,针对螨虫的这种生理特性,目前已有科技公司的研究人员开发出了超声波除螨仪。
这种新型的除螨产品采用现代微电子技术手段,直接用特殊频率的超声作用于螨虫的听觉神经系统,使其生理系统紊乱,烦躁不安,食欲不振,最终奄奄一息逐渐死亡。
采用这种原理的除螨产品不用添加任何化学药剂,无毒无二次污染,对人体和家中宠物都没有伤害,是目前比较理想的除螨产品。
(4)超声除油
将黏附有油污的制件放在除油液中,并使除油过程处于一定频率的超声波场作用下的除油过程,称为超声波除油。
引入超声波可以强化除油过程、缩短除油时间、提高除油质量、降低化学药品的消耗量。
尤其对复杂外形零件、小型精密零件、表面有难除污物的零件及绝缘材料制成的零件有显著的除油效果,可以省去费时的手工劳动,防止零件的损伤。
2.2超声波测厚原理
在利用超声波对工件进行厚度测量时,有四种不同的方法可以达到测量目的,分别是:
共振法测厚、干涉法测厚、脉冲透射法测厚和脉冲回波法测厚。
由于共振法测厚的局限性太大且测量方法过于繁琐,干涉法测厚的应用只在薄膜测量领域,所以下面只对脉冲透射法和脉冲回波法这两种方法作详细说明。
2.2.1脉冲透射法
超声波脉冲透射法测厚的工作原理是将超声波发射探头置于被测物体的表面,另外一面放置超声波探头的接收头,通过计算超声波发射探头发射信号到超声波接收探头收到信号的时间差再与声速在此种介质中的传播速度(常用材料声速表见附录
)相乘,就可以得到被测物体的厚度。
超声波脉冲透射法不仅可以用来测量物体的你厚度,还可以完成对被测工件的探伤工作,若被测工件的部有瑕疵,则超声波会在瑕疵处有衰减,导致超声波接收探头收不到信号。
超声波脉冲透射法测厚的工作原理如图2-1所示。
图2-1超声波脉冲透射法测厚的工作原理图
2.2.2脉冲回波法
由于超声波具有与光相同的反射特性,所以,当超声波在介质中传播时,一旦遇到不同介质的分界面是,就会有一部分超声波反射,另外一部分超声波穿过分界面继续传播。
利用超声波的反射特性,可以在被测工件的表面分别放置一个超声波的发射探头和一个超声波的接收探头,当发射端发射信号后,超声波在被测工件部传播,当到达被测工件另外一个表面时,有一部分超声波会反射回来,并被接收端接收。
计算超声波发射探头发射信号到超声波接收探头收到信号的时间差再与声速在此种介质中的传播速度相乘,就得到的值为被测物体厚度值的两倍。
超声波脉冲回波法测厚的工作原理如图2-2所示。
2.3超声波探头
对于超声波测厚仪来说,最主要的性能参数是测量的围和精度,而这两个参数是由超声波探头直接决定的,因此,超声波探头的选择对整个超声波测厚仪的设计来说至关重要。
超声波探头的作用就是实现电信号-超声波信号和超声波信号-电信号的转换,所以又可以称为超声换能器。
图2-3为不同种类超声波探头的实物图。
2-2超声波脉冲回波法测厚的工作原理图
图2-3超声波探头实物图
2.3.1超声波探头的种类
根据测量要求的不同,选用的超声波探头的类型和类别也不同,因此,在使用超声波探头之前,必须对超声波探头的种类划分有所了解。
对各类超声波探头的名称、类别、特性、优点以及用途的总结如表2-4所示。
表2-4超声波探头分类
类型
类别
优点和用途
直探头
纵波直探头
优点:
适用于被测物在探测晶片下方垂直于声束
的情况;探测围广;灵敏度高。
用途:
用于工件的探伤。
横波直探头
斜探头
纵波斜探头
优点:
能够对探头斜下方不同角度的情况进行探
测;探测围小;灵敏度高。
用途:
经常用于金属板和金属管的裂纹检测。
横波斜探头
表面波斜探头
带曲率探头
周向曲率探头
优点:
超声波的入射方向可以改变。
用途:
周向曲率探头常用于轴类工件的轴向缺陷
检测;径向曲率探头则用于工件的径向缺
陷检测
径向曲率探头
聚焦探头
点聚焦水浸式探头
优点:
方向性好;声束尺寸小,可以提高灵敏度
和分辨力。
用途:
适合对曲面零件进行深度探伤;水浸式探
头要求耦合剂是水,常用于对材料性质和
细小缺陷的分析。
线聚焦水浸式探头
点聚焦接触式探头
线聚焦接触式探头
表面波探头
表面波斜探头
使用时,对工件表面的光洁程度要求较高。
2.3.2超声波探头的性能指标
(1)工作频率。
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。
(2)工作温度。
由于压电材料的居里点一般比较高,特别是诊断用超声波探头使用超声波传感器功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。
医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。
(3)灵敏度。
主要取决于制造晶片本身。
机电
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