1 引言

實驗內容與任務：根據所學知識，設計一套基于單片機控制的智能超聲波測厚系統。基本要求為：（1）產生振動頻率為 20 kHz 的超聲波脈沖。（2）通過產生階梯波和小斜波，獲得步進系統的取樣信號，經 A/D 轉換成界面波和底波的數字量，并存貯于存儲器中。（3）當被測厚度小于 100 mm 時，要求測厚系統的測量精度為 0.01 mm，步進時間為 1.2 μs。

在上述基礎上，進行深層次的開發。要求如下：（1）當被測厚度大于 100 mm 時，要求通過“擴展延遲”，保證覆蓋整個測量范圍，從而實現寬范圍的高精度測量。（2）實現自動測厚、測速的功能。

2 實驗原理及方案

2.1 超聲波測厚原理

當振動頻率為 20 kHz 以上的超聲波在均勻介質中傳播時，其傳播速度不變且基本沿直線傳播。但當它通過一種介質和另一種介質分界面時，部分超聲波將反射會形成回波。超聲波測厚就是根據超聲波進入被測介質和退出被測介質時所產生回波之間的時間間隔來測算被測介質的厚度。

圖 1 中，左方第一個是激勵脈沖，它通過電纜送到探頭，探頭受到激勵而產生振動。由于探頭介質與被測物體的介質不同。因此，當激勵脈沖傳輸到界面 a 時就會產生回波，稱為“界面波”。除了反射回界面波之外，還有一部分超聲波將在被測物體中繼續傳播，當它到達界面 b 時，又會產生回波，稱為“底波”。顯然，界面波和底波之間的時間間隔與被測物體的厚度成正比。設超聲波在被測物體中的傳播速度為 v，被測物體的厚度為 d，界面波和底波之間的時間為 t，則有式（1）。

d＝v×0.5×t（1）

當被測物體給定之后，超聲波在其中的傳播速度 v 便是一個已知量，因此測定出 t 就可以求出被測物體的厚度 d。

2.2 實現方案

基于單片機控制的智能超聲波測厚系統（圖 2）主要采用步進取樣的方法采集界面波和底波，其工作分取樣存貯、數據處理和顯示三個過程。

（1）取樣存貯。首先把寫地址經 D/A 3 送出階梯波，接著單片機系統經激勵脈沖發生電路發出激勵脈沖，為了只采集界面波和底波，躲開激勵波，經過一個固定延時之后，再對步進系統發出斜波控制脈沖，從而由步進系統產生出取樣信號，再經 A/D 轉換器轉換成相應的數字量，最后送到存儲器對應的存貯單元中存貯起來。重復采樣 N 次，即可將需要采集的界面波和底波存貯在存儲器中。

（2）數據處理。主要是指自動測厚中的數字濾波、自動尋找最大最小值、非線性補償及偏差校正等功能。

（3）擴充部分。本系統的基本要求是被測物體厚度小于 100 mm，測量精度為 0.01 mm，即要求步進時間為 1.2 ns。因此，系統的最大掃描時間 T 只能為 1.2μs 左右。當被測物體較厚時，對應 T＞1.2μs，就不能測量了。為解決這個矛盾，可采用“擴展延遲”的措施。

“擴展延遲”:當 T＞1.2μs 的測厚情況時，把掃描分為兩段，并在中間插入一個可變的延遲量（0～40 μs），該延遲量就稱為“擴展延遲”。改變擴展延遲大小可采用軟件的方法，從而保證覆蓋整個測量范圍，實現寬范圍的高精度測量。

3 考核要求與方法

本實驗考核的節點、時間、標準及考核方法。

（1）基本要求。設計與總結報告：方案設計與論證，操作過程，電路圖，測試方法與數據，結果分析。時間 2 h，得分 10 分。

發射端：① 產生振動頻率為 20 kHz 的超聲波脈沖是否達到所規定的技術指標；② 階梯波和小斜波的產生，獲得步進系統的取樣信號，考察是否達到所規定的技術指標；③ 單片機的控制是否達到規定的技術參數指標。時間 16 h，得分 35 分。

接收端：① A/D 數據是否達到規定的技術參數指標；② 設計存貯電路和顯示電路，是否達到所規定的技術指標；③ 數字濾波能否削弱漂移因素的影響。時間 16 h，得分 35 分。

（2）創新設計。①“擴展延遲”電路，能否保證覆蓋整個測量范圍，從而實現寬范圍的高精度測量；② 所設計的測厚系統能否實現自動測厚、測速的功能。時間 6 h，得分 15 分。

（3）討論與交流。① 單片機在本系統中的作用；② 比較分析如何保證測厚系統覆蓋整個測量范圍，如何實現寬范圍的高精度測量。時間 1 h，得分 5 分。

4 結語

該實驗項目的主導思想是在教師指導下提倡學生自主設計與自主實驗，通過該實驗可提高學生的設計與研究興趣，全面培養學生設計單片機應用控制系統的能力[1-10]，加強他們的實踐及獨立動手技能，并使學生的創新能力得到不斷增強。實驗涉及超聲波測厚、數據處理、微機原理、數字電路、模擬電子線路、單片機系統設計等多門學科，極大地提高了學生的實踐動手技能。