基于ARM的便携式超声测厚仪设计

2019-09-10赵慧峰

仪表技术与传感器 2019年8期

刘琳,赵慧峰

(1.河南科技大学应用工程学院，河南三门峡 472000;2.三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000)

0 引言

随着传感器技术、微处理器技术以及集成电路的快速发展，超声波检测技术得到了广泛应用[1]。在流量检测、距离计算、厚度测量以及金属探伤等方面，超声波得到了广泛的关注。超声波测厚与传统的厚度测量工具相比，具有使用方便、速度快、成本低、便于复杂工业现场作业等优点，目前已经广泛应用于管壁测厚、容器壁测厚以及板材测厚等领域。本文针对工业现场的复杂作业环境，设计了一种基于ARM的便携式超声波测厚仪，该测厚仪以超声波传感器和高性能ARM、FPGA处理器为核心，结合Linux操作系统和人机交互界面实现对大管径管道以及钢板厚度的实时测量，并通过外接LCD显示屏直观反映出测量结果，该型测厚仪还具有测量数据本地保存、数据导出的功能[2]。

1 超声波测厚原理

基于ARM的便携式超声波测厚仪利用脉冲反射法来测量工件的厚度，由于本文设计的测厚仪主要是用来测量大管径管道、钢铁块的厚度，因此选择的超声波换能器的工作频率为2.5 MHz，在测量管道和超声波换能器之间均匀涂上变压器油作为耦合剂以提高测量的精度。系统选用的是收发一体的直探头，当其发射的超声波在被测铁块或管道内传播时，遇到不连续面超声波会被反射回来，反射回波被超声波换能器接收，在测量铁块或管道厚度时，不连续面即被测铁块或管道的另一面[3]。测量原理图如图1所示。

图1 超声波脉冲反射法测量原理图

如图1所示，超声波传感器发出波形的峰值记为F，B表示接收到的反射回波，因此被测工件的厚度可以表示为

(1)

式中：H为待测工件的厚度；v为超声波在工件中传播的速度；t为F波与B波的时间间隔。

由此可见，超声波在工件中传播的时间与工件的厚度成正比。

2 系统总体设计

基于ARM的便携式超声测厚仪是以脉冲反射法原理为基础，结合超声波传感器和信号调理电路，测得发射脉冲与回波信号之间的时间差t就可以计算得到待测工件的厚度。利用高性能FPGA处理器实现对超声波激励信号的控制和回波信号的处理，利用ARM8结合Linux操作系统设计出人机交互界面将计算结果通过LCD屏实时显示[4]。系统总体设计图如图2所示。

图2 系统总体设计框图

3 基于ARM的便携式超声测厚仪硬件电路设计

便携式超声测厚仪硬件主要由蓄电池供电电路、超声发射电路、超声接收电路、A/D采样电路以及LCD显示屏电路组成[5]。铝电池电路为便携式设备提供稳定可靠的电源，FPGA及其外围电路产生2.5 MHz的方波信号去激励超声波传感器，回波接收电路把接收到的超声回波信号进行适当滤波放大后送入A/D转换器，由相关算法在FPGA内部计算出发射波与回波信号之间的时间差t，从而计算出被测工件的厚度，利用人机交互界面实时显示被测工件的厚度，系统硬件框图如图3所示。

图3 系统硬件框图

3.1 超声波发射电路

系统利用频率为2.5 MHz的方波信号去激励超声波换能器，由FPGA产生的2.5 MHz的方波并不能直接去激励超声波换能器，必须经过功率放大后才能去驱动换能器[6]。系统选用非调谐式电路作为超声波发射的功率放大电路，发射电路如图4所示。

图4 超声波发射电路

超声波发射电路由三极管、二极管以及阻容类器件构成，FPGA输出的方波信号接入发射电路时，当PWM为低电平时，三极管Q1、Q2截止，高压HDCV通过电阻R1、D1给电容C1充电；当PWM为高电平时，Q1、Q2导通，电容C1通过D1、Q2、R2对超声波换能器放电。这样就形成了功率较大的方波信号激励超声波换能器发射超声波。

3.2 回波信号接收处理电路

超声波信号在被测工件中传播时会发生严重的衰减，接收到的回波信号一般很微小，约几mV甚至更小，且超声波信号常伴随着噪声信号，因此想要提取出有效的超声波信号就必须对接收到的回波信号进行滤波放大，滤除干扰信号，提高信噪比[7-8]。回波信号接收处理电路主要是由限幅、放大、滤波电路组成。限幅放大电路如图5所示。

图5 限幅放大电路

由于系统采用的是收发一体的超声波换能器，发射电路和回波信号接收处理电路都通过同一根信号线与换能器连接，发射电路的高频脉冲会击毁回波信号接收电路，因此需要在回波信号接收电路中加入限幅电路，其主要是由D3、D4、C21组成，主要作用是防止高压脉冲信号进入放大电路，C21滤除回波信号中的直流成分。放大电路由AD8610组成的二级放大电路构成，第一级放大电路主要是对初始回波信号放大100倍，第二级放大电路是对放大后的回波信号进行适当调整，使其最后输出的电压在A/D转换器管脚电压的承受范围内。

在对回波信号二级放大时，回波信号中的噪声、杂波信号也被放大，为了提高系统测量的准确性，必须滤除回波信号的无效信号，提高信噪比。系统利用运算放大器AD817及阻容器件构成的带通滤波电路实现滤波，把带通滤波电路的中心频率设置为2.5 MHz可以有效滤除各种杂波信号。带通滤波电路如图6所示。

图6 带通滤波电路

3.3 A/D采样电路

由于本系统驱动超声波换能器的信号源频率高达2.5 MHz，因此对A/D转换器的采集速度有较高的要求，必须达到5 MHz以上。综合考虑后，选用高性能A/D转换器ADS825E[9]，其采用5 V供电，采样速率最高可达40 MSPS，数据采样精度为10位，除此之外，还具有信噪比高、低失真等优点。ADS825E采样电路如图7所示。

图7 A/D采集电路

如图7所示，CPLD只需要给ADS825E提供一个使能信号CPLD_EN和一个时钟信号CPLD_CLK就可以控制A/D转换器采集转换数据。其中ADS825E采用内部参考电压，输入信号的范围可达7 Vpp，利用单端输入的方式把回波信号送入到ADS825E中。

3.4 LCD显示电路

本系统选用型号为AT056TN53的TFT LCD屏和触摸板组成的触摸屏来实时显示测量工件的厚度[10]。其中TFT LCD屏通过TTL电平的LCD接口与AM3352的LCD接口相连，通过LCD_Light来控制液晶屏的背光，触摸板通过ADC接口与AM3352的4个模数转换器的模拟输入(AN0、AN1、AN2、AN3)相连，通过Qt和Linux操作系统编写用户图形界面，通过触摸板控制输入相关控制量，最后把测量结果在LCD屏上显示。触摸屏LCD接口、ADC接口电路如图8所示。

图8 LCD屏外接接口电路

4 系统软件设计

系统软件设计主要包括超声波换能器驱动信号的软件设计、回波信号处理软件设计、测厚算法软件设计以及人机交互界面软件设计等。启动系统后，通过触摸屏的按钮启动测量功能，由FPGA产生2.5 MHz的方波信号去驱动超声波换能器，经被测工件反射后由回波信号接收处理电路采集处理，再送入高速A/D进行采样，采用测量算法对回波信号分析处理，最后计算出被测工件的厚度，通过LCD屏实时显示测量结果，系统软件流程图如图9所示。

图9 系统软件流程图

5 实验数据分析处理

根据以上硬件和软件设计，研制出了基于ARM的便携式超声测厚仪，为了验证该型测厚仪的稳定性和精确性，进行如下实验分析。取标准厚度为40 mm的钢块，在钢块和超声波换能器之间涂上耦合剂，启动系统开始测量，分别进行多次测量，记录每次测量数据的误差，如表1所示。

由表1可知，当对同一厚度为40 mm的钢块进行多次测量时，每次测量的相对误差小于1%，绝对误差小于0.4 mm。由此可见，系统具有良好的稳定性。

表1 40 mm钢块测量数据

分别对标准厚度为20、30、45、50、55、60 mm的钢块进行测量，每种厚度的钢块分别测量6次取平均值作为测量厚度，并对测得的数据进行误差分析，测量数据如表2所示。

表2 6组不同厚度钢块厚度测量数据

由表2可知，当在测量厚度较薄的工件时测量误差较大，相对误差约2%，随着测量工件厚度的增加，系统测量工件的精度度逐渐提高，相对误差小于0.5%。由此可见，本文设计的基于ARM的便携式超声测厚仪适用于大管径管道和较厚钢块的测量，在测量厚度小于30 mm的钢块时，误差较大；根据JJF 1126—2004《超声波测厚仪校准规范》，分辨力为0.1 mm的最大允许示值误差在±(0.1+1%H),H为标称值，根据表1和表2数据，测量厚度大于40 mm的工件时，误差在规范范围内，分辨力达到0.1 mm。所以该测厚仪主要适合于厚度大于40 mm工件的测量。