1、 河 北 工 业 大 学 毕业设计说明书 作 者： 高善顺 学 号： 100204 学 院： 机械工程学院 系 (专业 )： 测控技术与仪器 题 目： 超声波测厚仪 设计 指导者： 张鹏 讲师 评阅者： 2014 年 6 月 1 日 毕业设计（论文）中文摘要 河北工业大学 2014 届本科毕业设计说明书 毕业设计（论文）外文摘要 题 目 超声波测厚仪 设计 摘要： 超声波 测厚仪是根据超声波脉冲通过 被测 物体达到材料的分界面时，脉冲 被发射回去，并被接收探头接收， 通过 计算 脉冲返回的时间来确定被测材料的厚度。由于超声波 具有 处理方便，并有良好的指向性 的特点 ，超声波测厚仪可以适应多种
2、场合的测厚工作。 本课题研究的超声波测厚仪主要是纸张厚度的测量工作。由于纸张纤维分布不均匀，存在较大间隙的特点，一般的测厚仪很难达到很高的测量精度。课题结合接触式测量和非接触测量的优点，机械部分设计了新型的超声波测 厚传感器，分别设计了水平放置和垂直放置多种适应不同工作条件的传感器， 硬件部分采用MSP430F247 作为微控制器， TDC-GP22 作为脉冲检测器， 可 通过按键控制工作过程， 也可以自动实现纸厚测量， 并通过 LCD 显示时间信息和测量结果。 关键词： 超声波 测厚仪 MSP430 TDC-GP22 河北工业大学 2014 届本科毕业设计说明书 Title： The des
3、ign of Ultrasonic thickness meter Abstract: The measurement principle of ultrasonic thickness meter is when the ultrasonic pulse enter the tested material and reach the interface of the tested material ,the ultrasonic pulse will be reflected and then received by the ultrasonic probe ,then we can get
4、 the thickness of the tested material by calculate the time of the ultrasonic pulses return from the interface of the tested material.Because the ultrasonic pulse has the characteristics of easy management and good directivity,ultrasonic thickness meter can adapt to many thickness measurement occasi
5、ons. My research subject of ultrasonic thickness meter is about paper thickness measurement.Because the paper has the characteristics of uneven distribution of fiber ,normal ultrasonic thickness meter can not achieve high accuracy of measurement.My research subject combines the characteristics of co
6、ntact measurement and uncontact measurement,in the mechanical parts,I design a new type of ultrasonic thickness sensor,in the hardware part,using the MSp430F247 as the microcontroller,TDC-GP22 as the pulse detector.Using the keys to control the process,and also can achieve auto measurement,then usin
7、g LCD to show the time information and measuring results. keywords: Ultrasonic thickness meter MSP430F247 TDC-GP22 目 录 河北工业大学 2014 届本科毕业设计说明书 1 绪论 . 1 1.1 课题简介及要求 . 1 1.2 本课题研究的内容以及现状 . 2 2 单片机及超声波测厚的工作原理 . 3 2.1 单片机的硬件组成 . 3 2.2 单片机的各引脚功能 . 5 2.3 超声波测厚的工作原理 . 5 3 总体方案的确定 . 7 3.1 机械部分 . 7 3.2 硬件设计 .
8、11 3.3 软件设计 . 12 3.4 本章小结 . 13 4 机械部分设计 . 14 4.1 机械加工装配图 . 14 4.2 电磁铁的选择 . 20 4.3 弹簧的选择 . 21 4.4 本章小结 . 21 5 硬件系统的设计及原理图 . 21 5.1 最小系统和 LCD 显示电路 . 22 5.2 超声波发射接收电路 . 23 5.3 自动增益放大电路 . 24 5.4 波形处理和拾取电路 . 25 5.5 本章小结 . 25 6 元器件的选择 . 26 6.1 时间芯片的选择 . 26 6.2 超声波探头的选择 . 27 6.3 其他元器件的选择 . 27 6.4 本章小结 . 29
9、 7 软件仿真调试 . 29 7.1 自动增益放大部分仿真 . 29 7.2 仿真遇到的问题 . 31 7.3 本章小结 . 31 结 论 . 32 参 考 文 献 . 33 致 谢 . 34 附录 A 专利受理文件 . 35 河北工业大学 2014 届本科毕业设计说明书 1 1 绪论 测厚仪在现在的 工业测量环境中应用广泛，其中，基于超声波测量技术的 厚度测量仪 在市场上占有很大的份额。超声波可以实现接触式的测量，也可以实现非接触式的测量 ，这样使得超声波测厚仪可以适应很多的测量场合。由于测量原理简单、测量精度较高、可以制成便携式 、对环境要求较低的优点，超声波测厚仪广泛用于板材、管道、涂层
10、厚度、片状物体的厚度测量。 对于非接触式的测量方式，超声波测厚的原理一般是时差法。 超声波探头发射一定数量的脉 冲，在遇到测量平台 后返回，被 超声波 接收 探头接收，记 录 下从脉冲发射到接收的这段时间；将被测物置于测量平台上 之后 ，超声波探头再次工作，这样得到第二个时间，两个时间做差， 代 入公式得出的值就是 代表 被测物的厚度。对于接触式的测量 ，超声波测厚的原理是超声波脉冲反射原理， 采用收发一体式的探头， 将超声波探头紧贴被测物体的表面 ，当超声波探头发射的脉冲进入到被测物 内部 ，到达材料的分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确计算超声波 脉冲 在材料中的传播时间来确定被测物的厚度
11、。 本课题设计的超声波测厚仪是主要用于纸张厚度测量。 为了提高测量的精度，设计了一种新型的超声波测厚仪。 本课题设计的 超声波测厚仪采用的是接触式的测量原理，但是采用分体式探头，并将测量环境转到液体中。 超声波探头选择的是用于液体环境的液介质探头。由于超声波在液体中的发射频率远大于气介质中的发射频率，这样在理论上提高了测量的精度。 1.1 课题简介及要求 本课题的主要研究对象是纸张厚度检测。对纸张厚度的检测要求的测量精度较高。目前比较成熟的技术方案是电涡流原理测量法。电涡流原理测量法的精度很高，利用电流的涡流效应，通过检测通过纸张的电磁损失来计算纸张的厚度。虽然能够达到相当高的测量精度，但是由
12、于测量原理的问题，对缠绕纸张的 轴的河北工业大学 2014 届本科毕业设计说明书 2 表面精度要求非常高，而且国内设备很难达到加工要求，只能依靠国外进口，价格昂贵。所以现在急需一种测量精度高、可靠性好、价格适中的新型测厚仪。而超声波测量技术作为目前发展很快的测量技术，具有价格适中、测量原理简单、能够达到一定的精度的优点，但缺点是易受到测量环境的影响、存在测量盲区、测量精度有限，很难达到很高的精度。所以，如何利用超声波测量的优点、减少或者改善其缺点，来实现高精度的测量，是本课题研究的核心内容。 1.2 本课题研究的 内容 以及现状 由于测厚仪的使用场合非常广泛，很多行业都会用到，所以测厚仪的 研
13、究一直是许多研究所和生产厂家的热点研究对象。市场上的主流产品的测量对象一般是板材、管道、轨道、板胚、铸件、机加工零件、金属镀层、非金属涂层的厚度。还有很多研究人员对其进行更深层次的研究。 下面主要综述近年国内学者关于测厚仪的相关研究进展，国内学者针对测厚仪的研究取得了显著的研究成果。比如 王占元 等 基于单片机的便携式超声波测厚仪的研制 5、潘荣宝 等超 声测厚仪及测厚 7等。段伟亮 等 6提出了一种为了改善测厚系统抗干扰能力、降低系统复杂度、提高测量效率的一种基于 FPGA 的电磁超声测厚仪。具有无需声耦合剂、抗 干扰能力强、检测效率较高等特点。刘振作等 8简要介绍了涡流涂镀层测厚技术的基本
14、原理与涡流测厚方法标准概况 ,重点介绍了涡流涂镀层测厚仪国内外典型产品的功能特征和应用现状。彭雪莲等 9介绍了磁性方法和电涡流方法测厚仪的测量原理、电路结构、性能特点及其在国内的发展状况 ,与国外部分同类仪器进行了对比 ,并介绍了其在建筑行业中的应用。柯细勇等 10 设计了一种便携式新型超声波测厚仪，实现了精准测量，并能通过将测量的数据通过串口传输到 PC 机中进行分析和比较，给出测量误差产生的原因。 上述综述的目前的研究主要是板材、 管道等测量范围大、测量精度要求较低的场合，对于小范围、高精度、低成本的薄类或超薄类物体厚度的测量的研究还很少。目前市场上的产品中，对于薄类或超薄类物体例如纸张也
15、有很多能达到高精度测量要求的测厚仪，多数为电涡流效应的测量原理，但是仪器本身的生产成本很高。 河北工业大学 2014 届本科毕业设计说明书 3 所以，对纸张等薄类或超薄类物体的测量，需要高的测量精度，也需要降低仪器成本， 课题的研究内容是如何利用超声波测量的优点、减少或者改善其缺点，来实现高精度的测量。 为了实现上述目的，要从超声波的测量方法入手。超声波测量分为接触式和非接触式两种测量方式，接触式测量 方式 一般用于板材、管道壁厚、 流体 流量等的测量，而非接触式 测量方式 常用于距离的测量。超声波的测量环境分为气体环境、液体环境和固体环境三种。一般情况下，气体环境下的测量一般为距离的测量，例
16、如倒车雷达、超声波测距，也可用作较低精度的板材厚度测量。而液体环境的测量一般情况下用于流量的测量，例如常见的超声波流量计等，也可以做距离的测量，例如底装式的超声波液位计，船舶上的声呐检测。固体环境测量方式常用作板材厚度、管道壁厚、家具油漆厚度的测量。三种测量环境下的超声波频率互不相同：气体介质一般为 40k-200kHz 左右，液 体介质一般为 1MHz，而固体介质为 10MHz 左右，不同的频率也就存在不同的测量精度，一般频率越高，分辨力越高，理论测量精度也就越高。所以，要利用超声波测量纸张厚度，想要提高测量精度，就必须采用新型的测量方式。 2 单片机及超声波测厚的工作原理 超声波 测厚仪属
17、于小型仪器，它的控制核心是单片机。 在进行相关研究时 ，首先要了解测量原理，其次要了解仪器的控制核心，这样就可以在了解的前提下进行新想法的思考。本课题使用的超声波探头为分体式超声波探头，为液介质探头，超声波发射频率为 1MHz；本课题使用的单片机为低功耗 MSP430 单片机系列的 MSP430F247， 是一种 16 位超低功耗的混合信号处理器， 具备 处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗、开发方便等优点，有很高的性价比。 下面将分别介绍单片机和超声波测厚工作原理。 2.1 单片机的硬件组成 MSP430 单片机 的片内硬件组成如下图 2.1 所示 河北工业大学 2014
18、 届本科毕业设计说明书 4 图 2.1 MSP430F247 硬件结构图 MSP430F247 是 TI 公司推出的 MSP430 系列超低功耗微控制器的一种。它是由 32kB 闪存、 4KB RAM、 12 位 ADC、 4 个 USCI 和 HW 乘法器等构成的微控制器 。不仅适用于常规的单片机开发，更多的用于低能耗 产品的研制。 MSP430F247 单片机的一般特性如下： 1. 低工作电压范围： 1.8V-3.6V。 2. 超低功耗。活动模式： 270uA（ 1MHz， 2.2V）；待机模式： 0.3uA；掉电模式（ RAM 数据保持）： 0.1uA。 3. 从待机模式到快速唤醒的响应
19、时间少于 1us。 4. 16 位精简指令机构， 62.5ns 指令周期。 5. 具有内部参考电压、采样保持、自动扫描特性的 12 位 A/D 转换器。 6. 具有 3 个捕获 /比较寄存器的 16 位定时器 A。 7. 具有 7 个捕获 /比较寄存器的 16 位定时器 B。 8. 4 个通用串行通 讯接口模块（ USCI），增强 UART 支持；自动波特率检测；IrDA 编码和解码；同步 SPI、 I2C。 9. 片上比较器。 10. 具有可编程电平检测的供电电压管理器 /监测器。 河北工业大学 2014 届本科毕业设计说明书 5 11. 掉电检测器。 12. 可在线串行编程，不需要外部编程
20、电压。需要可编程的保密熔丝保护代码。 13. 可用 64 引脚 QFP 封装和 64 引脚 QFN 封装。 2.2 单片机的各引脚功能 MSP430F247 单片机具有 64 个引脚，采用 QFN 或者 QFP 封装形式，每个引脚都有其固定的功能和第二功能。下图 2.2 为 MSP430F247 单片机的引脚图。 图 2.2 MSP430F247 引 脚图 2.3 超声波测厚的工作原理 超声波用于厚度测量，一般分为接触式 测量 和非接触式 测量 两种测量方式。下面分别介绍接触式测量和非接触式测量的工作原理。 河北工业大学 2014 届本科毕业设计说明书 6 接触 式测量方式：接触式测量方式一般
21、用于金属或者非金属板材的厚度测量、 输送管道壁厚的测量 、 金属表面涂层厚度 测量、轨道和金属铸件及机加工零件的厚度测量等。测厚的原理是超声波脉冲反射原理，采用收发一体式的 超声波探头，将超声波探头紧贴被测 物体表面 （要保持 材料被测表 面的干净整洁，必要时要在 被测表 面上涂抹耦 合剂，将探头与被测面之间的空气挤压出去，以减小测量误差，提高 结果的精度） ，当超声波探头发射的脉冲进入到被测 材料内 ， 并 到达 被测 材料 与外界的 的分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确计算超声波在 被测 材料中的传播时间来确定被测物的厚度。 下图 2.3 为超声波脉冲反射测厚原理示意图。 图 2.3 超声波脉冲反射测厚原 理 非接触式测量方式：非接触式的测量方式是指超声波探头在测量过程中不与被测物接触 ， 可以避免接触造成被测物的形状变化，一般用于薄片类物体的厚度测量。非接触式测量的原理一般是时差法。超声波探头发射一定数量的脉冲，在遇到测量平台后 被发射回去，经 超声波 接收 探头接收，记录下从脉 冲发射到接收的这段时间；将被测物置于测量平台上，超声波探头再次工作，这样得到第二个时间，两个时间做差，代入公式得出的值就是被测物的厚度。 下图 2.4 为超声波时差法测量 示意图。
