基于虛擬儀器的超聲測厚儀的研制

陳凡

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電技術(shù)系，廣東 江門 529090）

基于虛擬儀器的超聲測厚儀的研制

陳凡

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電技術(shù)系，廣東 江門 529090）

運用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合超聲波發(fā)射/采集卡開發(fā)了一種新的超聲波測厚儀，并設(shè)計了自動測厚算法，測量結(jié)果表明：新的超聲波測厚儀能夠自動、精確地完成厚度測量.

超聲波；厚度測量；LabVIEW；虛擬儀器

工業(yè)生產(chǎn)中的許多構(gòu)件需要測量其厚度，超聲波測厚儀因檢測精度高、設(shè)備簡單、操作安全、成本低等而得到了廣泛應(yīng)用. 常用的超聲波測厚儀有共振式、蘭姆波式和脈沖反射式，其中脈沖反射式測厚儀結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用最廣[1]. 虛擬儀器技術(shù)以計算機為核心，通過各種硬件接口獲取信號，然后在軟件中完成分析和操作，具有強大的處理功能和模塊化的開發(fā)優(yōu)勢. 作為一種虛擬儀器開發(fā)語言，LabVIEW采用圖形化的語言編程方式，其提供的豐富的總線接口功能能很好地匹配各種硬件的結(jié)構(gòu)特點，運行速度也較快[2].

普通的超聲測厚儀多用閘門定位峰值，實質(zhì)上是把回波的上升沿或下降沿作為回波點，因測量結(jié)果受到回波寬度、閘門高度的影響，故誤差較大[3]. 為此，有人采用偽隨機碼或相控陣技術(shù)來改善測量效果，但均需較復(fù)雜的測量電路和算法[4]. 本文采用數(shù)字式系統(tǒng)，利用虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW平臺下開發(fā)一種新的超聲波測厚儀，根據(jù)超聲波在板材中傳播的特點，編制了自動測厚算法，以期提高測厚精度和效率.

1 超聲波測厚儀的基本原理

超聲波有較高的頻率，一般使用的頻率為5 MHz，這樣高頻率的超聲波可以認為是沿直線傳播的. 利用該特點，人們可以通過時間換算來測量厚度，即厚度=聲速×傳播時間/2. 在厚度測量中，超聲波探頭將電壓信號轉(zhuǎn)換為超聲波脈沖發(fā)射出去，當遇到端面時脈沖會發(fā)生反射，反射回來的信號被超聲波發(fā)射探頭接收并轉(zhuǎn)換為電壓信號，如圖1所示.超聲波會在界面上多次反射，根據(jù)其中任一次反射來回所需的時間均可計算出兩界面之間的厚度.

圖1 超聲波測厚原理

2 測量方案

圖2 測量方案

2

.1 總體設(shè)計

超聲波發(fā)射/接收卡采用多通道超聲波PCI卡，卡上有4個獨立的發(fā)射/接收通道，PCI總線速度快，非常適合超聲波的數(shù)據(jù)采集. 本文采用LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，測量方案如圖2所示. 超聲波探頭將超聲信號傳遞給超聲波發(fā)射/接收卡，通過接口程序進入應(yīng)用軟件分析處理；同時為了定位厚度測量位置，還需要采集行進信號. 應(yīng)用軟件包括接口程序、處理程序和顯示操作程序3個部分.

2.2 接口程序設(shè)計

本系統(tǒng)中的硬件接口程序包括：1）超聲波發(fā)射/接收卡的數(shù)據(jù)采集與控制接口程序，2）行進控制信號的接口程序.

常用的超聲波發(fā)射/接收卡都提供驅(qū)動程序，本系統(tǒng)采用的超聲波發(fā)射/接收卡提供了DLL驅(qū)動程序，LabVIEW中的Call Library Function節(jié)點可以直接調(diào)用DLL中的函數(shù)，實現(xiàn)計算機與采集卡的數(shù)據(jù)通信. Call Library Function通過調(diào)用DLL中的不同函數(shù)以完成對采集卡的初始化、數(shù)據(jù)讀取和控制等功能，從采集到的數(shù)據(jù)中截取所需的數(shù)據(jù)長度，并根據(jù)采集頻率和聲速將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為隨時間變化的超聲波回波波形.

行進信號需通過計算機硬件接口傳遞，常用的硬件接口有并口與串口. 串口的數(shù)據(jù)傳輸比較大，在LabVIEW中使用串口須安裝VISA驅(qū)動程序，效率較低，且串口存在通信不穩(wěn)定的問題；并口編程簡單、可靠性高，但數(shù)據(jù)傳輸量有限. 因此，本系統(tǒng)采用并口的狀態(tài)寄存器接收采集控制信號. 并口內(nèi)有3個8 位輸出鎖存／輸入寄存器. 第1個地址378H為數(shù)據(jù)口；第2個地址379H為狀態(tài)輸入口；第 3個地址 37AH為控制信號輸出口. 利用并口數(shù)據(jù)寄存器實現(xiàn)控制信號的輸出，利用狀態(tài)寄存器實現(xiàn)控制信號的輸入. 在LabVIEW中調(diào)用并口的節(jié)點為“讀端口”和“寫端口”.

2.3 處理與顯示操作程序設(shè)計

在 LabVIEW 中，軟件一般分為前面板和后臺程序，前面板用于界面顯示與操作，后臺程序用于程序運行控制. 本文設(shè)計的程序整體結(jié)構(gòu)為幀結(jié)構(gòu)，它可以完成硬件的初始化、數(shù)據(jù)采集和退出.在主幀中使用了定時while循環(huán)結(jié)構(gòu)以保證采集程序高速和準確的運行，同時利用event結(jié)構(gòu)以中斷方式接收鍵盤和鼠標的操作.

3 算法設(shè)計與實現(xiàn)

要實現(xiàn)對試件的自動測厚，需要觀測到3次回波，并測出第1次回波和第2次回波之間的時間間隔及第2次回波與第3次回波之間的時間間隔，取二者的平均值，以提高測量精確度. 由于超聲波測量中會有高頻振蕩及雜波的影響，判斷回波位置比較困難，所以普通的超聲波測厚儀通常用手動調(diào)整閘門位置來識別回波，無法實現(xiàn)自動測厚.

3.1 算法設(shè)計

由于超聲波的第1次回波的幅值高于第2次回波，第2次回波的幅值又高于第3次回波，所以需調(diào)整采樣位置，排除始波. 假定從采集卡中獲取n個采樣點a[i](i=0,1,2,,n)，則其中必有k個峰值點，設(shè)為數(shù)組b[k](k=1,2,3,)，且b[ 1]>b[ 2]>b[3]. 峰值點數(shù)組b[k]即為所需的一組反射回波波峰數(shù)據(jù). 第1個峰值點b[ 1 ]= max(a[i])，設(shè)此峰值點在采樣數(shù)組a[i]中的位置為i1，其值為a[i1]，同理假設(shè)第2峰值點為a[i2]，第3峰值點為a[i3].a[i1]附近的值如a[i1? 1],a[i1+1]的值等均大于b[2]，為了找出a[i2]，需要首先剔除a[i1]附近的值，故 可以截取一段數(shù)據(jù)，即從采樣數(shù)組a[i]中取a[j](j=i1+m,i1+m+1,,n)，其中m的取值由回波脈沖的寬度決定，則b[ 2]= max(a[j])=a[i2]為第2峰值點，以此類推可獲得峰值點b[3]、b[4]等.

3.2 算法的實現(xiàn)

首先由操作者給出厚度的大概范圍，然后調(diào)整延時，去除始波，再找到信號的峰值點，作為第1次回波；間隔某一段時間（由脈沖的估計寬度決定）后，在剩余信號中尋找峰值點，作為第2次回波；依此類推，尋找第3個峰值點，作為第3次回波. 這樣既能找到回波，又避免了次生雜波的影響. 之所以取前3次回波，是因為回波幅值隨著反射次數(shù)的增加逐漸減小，3次以后的回波很容易被噪聲淹沒，且3次回波計算得到2個厚度值，取2個厚度的平均值可以消除部分隨機誤差的影響. 前3次回波探測顯示界面如圖3所示. 在測量前，需確定試件中的聲速、脈沖的最大寬度、采樣深度及超聲儀器的其他常規(guī)參數(shù).

4 測量精度分析

圖3 前3次回波探測顯示界面

例 取一塊平整無明顯缺陷的鋼板，利用千分尺測量其厚度為20.565 mm，再用本文超聲波測厚儀測其厚度，間隔10 s觀察，獲得5組數(shù)據(jù)，分別為20.650，20.635，20.650，20.650，20.635 mm，取它們的平均值，則測量結(jié)果為20.644 mm，垂直線性誤差為0.4%，低于普通超聲波測厚儀1%的垂直線性誤差.

5 結(jié)束語

通過以上分析，本文的超聲波測厚儀與普通超聲波測厚儀相比可以自動完成厚度測量，消除了手動閘門定位帶來的誤差，提高了測量精度，且測量方法簡單，無需設(shè)計復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)，降低了算法的復(fù)雜度，提高了測量效率.

[1]潘榮寶. 超聲測厚儀及測厚[J]. 壓力容器，1996, 13(1): 58-63.

[2]楊樂平，李海濤，趙勇，等. LabVIEW高級程序設(shè)計[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]彭春，香勇，彭雪蓮，等. 基于時間融合的波形方式高精度超聲測厚[J]. 應(yīng)用聲學(xué)，2005, 24(2): 93-96.

[4]盛凱，陶麗梅，殷紅梅. 超聲相控陣在鋼絲壓延機測厚系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 橡膠工業(yè)，2009 (8): 503-505.

[5]祖強，韓忠倫，盧強. 超聲波厚度測量不確定度的分析與計算[J]. 無損探傷，2005, 29(6): 32-34.

[責(zé)任編輯：孫建平]

Development of an Ultrasonic Thickness Measurement Instrument Based on Virtual Instruments

CHEN Fan
(Department of Electromechanical Technology, Jiangmen Polytechnic College, Jiangmen 529090, China)

An ultrasonic thickness measurement instrument is developed based on virtual instruments. A measurement arithmetic is designed to finish measurement automatically and accurately. Measurement testing shows the instrument can measure thickness automatically, simply and accurately.

ultrasonic wave; thickness measurement; LabVIEW; virtual instruments

TP273

A

1006-7302（2010）02-0003-62

2009-12-10

陳凡（1980—），男，湖北天門人，助教，碩士，主要從事智能儀器設(shè)計研究，E-mail: chen.fan@hotmail.com.