基于单片机的塑料管超声波测厚系统的研究.pdf

科技信息 博士·专家论坛 基于单传和的塑料管超声波测厚系统的研究 北京化工大学机电学院常 源王伟明 刘继红 [摘要]围绕超声波的接受和发射的电路设计，讨论了基于单片机的系统的硬件和软件的构成，重点研究了如何采集 超声信号和对脉冲信号的处理，软件设计主要解决了脉冲信号的计数和壁厚的计算方法，并对影响测厚精度的因素进 行了分析． [关键词]PLC单片机超声波洲厚 1、引言 2、超声波电路设计和分析 在中国，塑料加工企业以中小型塑料厂为主，随着技术设备 2．1超声波测厚原理 的不断改进和自动化水平的不断提高，以及企业对原料、能源、 超声波换能器(探头)发出的超声波一部分在外表面被反射 劳动生产率、开工率的要求和国家对环境保护的重视，在线厚度 回换能器，如图l所示；一部分在内表面反射回换能器(b)，还有 测量及控制系统投资少、收效快、解决塑料加工生产中最主要参 一些发生多次反射(C)。假设超声波在外表面反射回换能器所 数的测量和控制的优点，已逐渐使其成为越来越多企业的选择． 用的时间是t·，在内表面反射回换能器的时间是t。，超声波在试 PLC在管材生产线上被运用的越来越多，它依靠良好的操控 1 件内的传播速度是C，那么试件的厚度L为：L÷c(t：一t。)． 性、可靠性和抗干扰能力成为工业控制中的首选。 厶 超声波通常是指振动频率大于20 在应用过程中，由于管材表面不够平滑，无法做到探头与管 kHz的声波，它具有频率 高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向 材表面的直接耦合，超声波由空气到固体的透射率非常低，所以 传播等特点．而超声波测距是一种传统而且操作简单、实用的非 为了保证有一定能量的超声波透射过管材，在探头到管材之间 接触测量方法，它不受光线、颜色以及电磁场的影响．在恶劣作 就需要耦合剂．在本系统中，我们采用了喷淋水耦合的方法，利 业环境下有一定的适应能力，因此利用超声波进行距离测量在 用水作为耦合荆．图2为超声波耦合示意图．在图2中，超声波 工业控制、建筑测量、机器人定位等方面得到广泛的应用．本文 探头被包围在水仓中间，水由水仓喷向管材，超声波借助水柱耦 主要讨论依靠单片机为核心的测厚系统完成对管材壁厚的测量 合到管材，在内外壁上发生反射，再借助水柱耦合进探头．从管 信号的采集，以汇编语言为变成语言完善了壁厚算法，最终达到 材壁反射回的超声波脉冲经过探头接收后变成电信号，再经过 对壁厚的集中控制，提高产量和效率． 电路分析，得出壁厚信息。 (a) (b) L 探 头 (c) L 图1 超卢波脉冲反射情况 图2超卢波探头的分布利耦合 2．2系统硬件设计 的8位CMOS微控电路，最大可提供12M的晶振用于分频激 系统硬件主要由超声波发射电路、超声波检测接收电路、脉 励超声波换能片。超声波发射电路原理图如图3所示。发射电路 冲放大电路构成。发射电路用来对超声波发射器进行功率驱动， 主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机 将40 kHz的脉冲信号送入发射输入端，经过驱动放大达到足够 P1．0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到 功率之后，推动超声波传感器产生超声波．发射电路的关键部分