一种基于CPLD的超声波测厚系统的设计

摘要：介绍了超声波测犀以及用CPLD来实现测量控制与数据处理的原理，并着重介绍了一些具体的处理方法。通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，系统能实时地测量数据，具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。
关键词：超声波；CPLD；测厚

0 引言
在工业生产和产品质量检测中，常常需要在无损条件下测出工件的厚度，从而确定是否符合设计要求。目前，钢板是钢材的四大品种(板、管、型、丝)之一，被广泛应用于高层建筑、桥梁、海上石油平台、大型轮船等工程项目中，其厚度直接关系着这些工程项目的安全性和可靠性，在钢板测厚方面，超声波无损测厚方法将得到广泛应用。

1 超声测厚的原理
超声测厚的基本原理是利用超声波在介质中的传播特性来发现材料缺陷和壁厚，脉冲反射式测厚法实质上是测量超声波脉冲在材料中的往返传播时间。
超声波测量按工作原理分，有共振法、干涉法及脉冲回波法等几种。由于脉冲回波法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系不密切，所以超声脉冲回波法也是应用比较广泛的一种，其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，如图1所示。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，所以被测物体的厚度可由下式算出：d=vt／2。式中：d-被测物体厚度；v-超声波速度；t-超声波从管射到接收回波的时间。

超声波传感器分发射器和接收器两部分，超声波传感器按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，最常用的是压电式传感器。
压电式超声波传感器探头的核心为压电晶片，利用压电效应实现声电转换，其振动频率在几百千赫以上，当它的两电极加脉冲信号(触发脉冲)，若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，若电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。