基于STM32的超声波厚度检测仪的研制∗

谢子阳 陈 艳 倪福生 蒋 爽

（1.河海大学机电工程学院 常州 213022）（2.疏浚技术教育部工程研究中心 常州 213022）

1 引言

目前工业测厚的方法有很多，脉冲涡流测厚容易受提离效应的影响，且线圈尺寸较大［1～2］，在测量领域应用较少；射线测厚成本高昂，且对人体有辐射，往往需要考虑其经济成本带来的效益高低；光学成像测厚精度较低，使用寿命不长，局限性较大［3］。伴随着测厚技术的不断发展，超声波厚度检测技术愈发成熟起来，并且以其装置简单、价格便宜、对水源无污染且可以现场检测等优点，在工业领域得到了广泛的应用［4］。

本文基于STM32单片机设计研制了一种超声波厚度检测仪，分别从硬件设计、软件设计两个角度进行详细的阐述，且测试效果良好，精度较高，系统稳定，对于从事超声波检测领域的科研人员具有一定的指导作用。

2 超声波厚度检测原理

超声波厚度检测的原理主要分为共振式、兰姆波式、脉冲反射式三种［5］。

2.1 共振式检测

共振法检测通过调制正弦波电信号激励超声探头，进而向被测物发出波长不断变换的超声波，被测物厚度是半波长整数倍时，产生驻波，将引起共振。同时探头负载阻抗减小，电流达到峰值，此时频率即为共振频率［6］。调节电容，得出相邻的共振频率，即可通过关系式得出工件厚度。此种检测方法是超声波检测领域的早期方式，现在已基本淘汰不用。

2.2 兰姆波式检测

兰姆波式检测方法适用于薄板检测，当超声波的频率、被测物厚度以及入射角度呈一定关系时，在薄板内部产生的波称之为兰姆波［7］。根据超声波入射的角度及其频率，即可计算出被测薄板的厚度。兰姆波式检测尤其适合小直径薄壁管的厚度检测［8］，但是该检测技术本身不够成熟，存在很多未能解决的问题，因此兰姆波式检测应用比较局限。

2.3 脉冲反射式检测

脉冲反射式检测的原理最为简单，根据超声波在被测工件中传播的速度以及往返时间即可得出厚度［9～10］。被测工件的厚度计算公式为

其中，c为超声波在被测工件中的传播速度，可参考表1选取。t为发射超声波到探头接受到一次回波所经历的时间［11～12］。

表1 超声波在不同材料中的速度

3 检测仪的设计与实现

3.1 检测仪的总体设计

该文所研制的基于STM32的超声波厚度检测仪采用的是脉冲反射式原理，整个厚度检测系统的设计结构简图如图1所示。系统主控单元为STM32型单片机，控制着超声波发射电路的驱动，并由接收调理电路对计数脉冲进行计数，将结果送回单片机计算厚度值。除此之外，通过控制外接按键电路可以方便地设置声速值以及检测时间，经单片机计算后的厚度值实时显示在液晶屏端，整个系统简洁清楚，便于调试。

图1 检测系统的设计结构简图

3.2 硬件设计

根据该检测系统的设计结构简图，各主要组成电路的设计与实现如下。

超声波发射电路由振荡电路和脉冲产生电路组成，如图2所示。振荡电路采用74HC14D组成施密特反相器，其反向输出端经积分电路回到输入端，构成施密特触发器。电容C1不停地充放电，促使电路不停振荡，调节电位器RK1可改变自激振荡的频率。电感L1不断储能，在二极管右侧得到单方向的脉冲电压。脉冲产生电路由STM32直接控制PA0口，产生2.5μs宽，20Hz的窄带脉冲，此时用示波器测试电容C8左侧A点电压，电压值接近150.0V，如图3所示。超声波探头接右侧插座，该高电压的脉冲信号可激励超声波探头发射出超声波。

图2 超声波发射电路

图3 示波器测试A点的电压波形

接收调理电路包括放大电路和波形调制电路，如图4所示。放大电路采用2个OP放大器阻容耦合的方式实现，同时具有滤除杂波的作用。超声波回波信号极其微弱［13］，以4mm标准试块为例，经过放大滤波后的回波波形如图5所示。波形调制电路利用74HC221D将分离出超声波信号发射的时刻与接收到一次回波的时刻，即得出被测材料的厚度脉冲，如图6所示。将此脉冲与一定频率的晶振信号通过与非门，形成规则脉冲，并送入计数器进行计数，即可得出超声波信号往返工件的时间t，进而计算出厚度值，并显示在液晶屏端，送入计数器计数的规则脉冲如图7所示。

图4 接收调理电路

图5 放大滤波后的波形

图6 厚度脉冲

图7 规则脉冲

按键电路采用外接的按键模块，可根据被测材料材质的不同设置声速以及测量时间，并具备一键校准功能；液晶屏显示电路选取2.8寸屏幕，采用TFTLCD面板，此模块显示分辨率为320*240，接口为16位的80并口。

3.3 软件设计

根据厚度检测仪的设计原理以及硬件电路结构，本检测仪的软件设计主流程图如图8所示。上电复位以后，进行系统的初始化，这包括计数器清零、声速设置和晶振开启。完成系统的初始化后，即可产生控制信号，触发超声波探头产生超声波，当检测到回波信号后，计数器不停计数规则脉冲的个数，直到脉冲结束，关闭清零计数器，将计算得出的厚度值显示在液晶屏端。

图8 软件设计主流程图

4 实验测试与结果分析

4.1 实验测试

为了验证本超声波厚度检测仪的可靠性，采用了标准试块与实验数据对比的方式进行检验，以钢板为例，根据表1取声速为5900 m/s，实验取厚度分别为1.5 mm、3 mm、4 mm、5 mm、7 mm的试块进行测试，表2给出了测试的结果及误差。

表2 试块厚度测试结果及误差

由表2的测试结果可得出，该超声波厚度检测仪的测量误差保持在3%之内，实验比较成功。

4.2 结果分析

根据调试结果及反复实验，对比不同组实验的误差，并结合本超声波厚度检测仪的设计原理，得出误差产生的主要原因有以下两点。

其一是耦合剂的正确使用。耦合剂在超声波厚度检测中的作用是排除空气和保持良好的润滑。当耦合剂涂抹不均匀或用量不足时，将会增大检测误差。此外耦合剂的种类选择和被测工件的表面粗糙度有关，粗糙度越大，就要选择更高粘性的耦合剂［14～15］。

其二是被测材料的加工工艺影响。在检测时应尽量保持表面光滑，当表面有锈斑腐蚀时，为了得到准确的测量值，应首先用砂纸打磨，做相应的除锈处理［16］。此外，材料内部的加工缺陷会大大影响超声波信号在材料内部的传输，当超声波传输过程中出现严重的散射或折射现象时，甚至检测不到反馈信号。

5 结语

本文基于STM32单片机设计研制了一种超声波厚度检测仪，对主要组成电路和软件设计进行详细的阐述。经实验测试，该系统检测精度较高、测量稳定、人机交互较好，适用于多种场合下均质物体的厚度检测，同时对实验的结果进行分析，得出减小测量误差的举措。系统还可根据被测材质的不同，灵活的设置声速，并带有速度校准功能，在实际生产中，可以对零件尺寸和板材作出准确的测量，具有很好的应用前景。本文的设计思路对于检测领域的科研人员具有一定的指导意义，同时需要在今后的深入研究中，更好地完善与创新。