【正文】 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 3 動(dòng)， 此時(shí) 液體內(nèi)部 將會(huì) 產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合， 使液體微粒之間發(fā)生猛烈的 碰撞 ，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的 碰撞 ，會(huì)使液體的溫度 由于液體分子做功而 驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解 和 化學(xué)反應(yīng)。 應(yīng)用 [1] 在全球，超聲波廣泛運(yùn)用于診斷學(xué)、治療學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。超聲波治療學(xué)的運(yùn)用 有 賽福瑞家用超聲治療機(jī) ； 工程學(xué)方面的應(yīng)用 有 水下定位與通訊、地下資源勘查等 ； 生物學(xué)方面的應(yīng)用 有 剪切大分子、生物工程及處理種子等 ； 診斷學(xué)方面的應(yīng)用 有 A型、 B型、 M 型、 D型、雙功及彩超等 ； 治療學(xué)方面的應(yīng)用 有理療、治癌、外科、體外碎石、牙科等。 ⑴． 超聲檢驗(yàn) 超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于 超聲波探傷 、測厚、測距、遙控和 超聲成像 技術(shù)。 從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng) 超聲波換能器 聚焦在 被測物 上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力） ， 匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把 被測物 的形象 或厚度 顯示在熒光屏上。上述 技術(shù) 裝置 已在 測量、 醫(yī)療檢查方面獲得普遍 的 應(yīng)用 。 在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。 ⑵． 超聲處理 利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門獲得了廣泛 的 應(yīng)用。 ⑶． 基礎(chǔ)研究 超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收。通過物質(zhì)對超聲波 的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲 學(xué)這一聲學(xué)分支。普通聲波的波長遠(yuǎn)大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當(dāng)作連續(xù)介北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 4 質(zhì)。但對頻率在 1012 赫以上的特超聲波，波長可與固體中的原子間距相比擬，此時(shí)必須把固體當(dāng)作是具有空間周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。點(diǎn)陣振動(dòng)的能量是量子化的 ,稱為聲子。特超聲對固體的作用可歸結(jié)為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準(zhǔn)粒子的相互作用。對固體中特超聲的產(chǎn)生、檢測和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體 —— 液態(tài)氦中 聲現(xiàn)象 的研究構(gòu)成了近代聲學(xué)的新領(lǐng)域。 波測厚儀的應(yīng)用 超聲波測厚是應(yīng)用廣泛的工業(yè)測厚方法之一，超聲波測厚儀在電工技術(shù) 、 工業(yè)自動(dòng)化 、 智能控制 、 通訊及電子技術(shù)等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)的軟、硬件的日益發(fā)展。在測試系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 超 聲波測厚儀是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭 ， 通過精確測量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測量。 超聲波測厚儀可對各種板材和各種加工零件作精確測量，也可以對生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測它們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度。 由于超聲波處理方便，并有良好的指向性，超聲技術(shù)測量金屬 、 非金屬材料的厚度，既快又準(zhǔn)確 ， 無污染 。 在實(shí)際工作中，常常在只許可一個(gè)側(cè)面可按觸的場合，更能顯示其優(yōu)越性 。超聲波測厚儀 廣泛用于各種板材、管材壁厚、鍋爐容器壁厚及其局部腐蝕、銹蝕的情況，因此對冶金、造船、機(jī)械、化工、電力、原子能等各工業(yè)部門的產(chǎn)品檢驗(yàn)對設(shè)備安全運(yùn)行及現(xiàn)代化管理起著主要的作用。 超聲波測厚儀僅是超聲技術(shù)應(yīng) 用的一部分，還有很多領(lǐng)域都可以應(yīng)用到超聲技術(shù)。比如超聲波霧化、超聲波焊接、超聲波鉆孔、超聲波研磨、超聲波 液位計(jì) 、超聲波物位計(jì) 、超聲波拋光、超聲波清洗機(jī)、超聲馬達(dá)等等。超聲波技術(shù)將在各行各業(yè)得到越來越廣泛 的應(yīng)用。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 5 第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)虛擬超聲波測厚儀的硬件 需要選擇合適的超聲波傳感器，進(jìn)行超聲波信號的傳遞與接收。軟件部分則通過 LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)對超聲波傳感器接收信號的處理， 并 對 結(jié)果 進(jìn)行 數(shù)據(jù)化顯示，清楚明了。 主要技術(shù)指標(biāo)如下： （ 1） 搭建虛擬儀器硬件平臺 （ a）傳感器 的選擇 （ b）被檢材料的選擇 （ 2） 編制儀器的 LabVIEW 軟件 （ a）探測方法的選擇 （ b）探頭頻率的選擇 （ c）靈敏度的選擇 （ d） 記錄的存取 （ e） 信號處理 （ f） 結(jié)果顯示。 虛擬測厚儀具有數(shù)字式測厚儀的一切優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于其充分利用了計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，因而具有能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行一些傳統(tǒng)儀器難以實(shí)現(xiàn)的功能，如對檢測數(shù)據(jù)的智能化分析處理、測厚過程的軟件控制、對波形的實(shí)時(shí)存取等。 系 統(tǒng)整體 方案 的 設(shè)計(jì) 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 6 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到生產(chǎn)自動(dòng)化的使用要 求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。 本設(shè)計(jì)采用超聲波直探頭與虛擬儀器相結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)超聲波測厚儀的功能。 圖 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖 LabVIEW 產(chǎn)生的信號傳送到 LabVIEW 數(shù)據(jù)卡 ,然后連 接到超聲波發(fā)射器發(fā)出。超聲波接收器接收到反射回的超聲波與超聲波發(fā)射器發(fā)射的波進(jìn)行底波與始波的相位差計(jì)算，就可以顯示被測物的厚度。另外也可以選用 LabVIEW 本身產(chǎn)生 不同相位的 波形信號， 通過 LabVIEW 頻譜 計(jì)算 峰值頻率 ， 再求倒得到時(shí)間值，帶入公式 vt? 21 就可求出 被測物 的 厚度 。 高頻信號 超聲波發(fā)射器 信號濾波 頻譜分析 超聲波接收器 顯示厚度 被測物 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 7 系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測 量 的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出 試 樣厚度 。實(shí)用 的測 量 方法有兩種，一種是在被測 物體 的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方 法 ；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的 脈沖回波法 。本論文 選擇第二種方法即 脈沖回波法 方 法 進(jìn)行測量 。 LabVIEW 設(shè)計(jì) 主要是超聲波接收器接收超聲波 的 反射信號 并 對其的處理，以實(shí)現(xiàn)測厚的數(shù)字化顯示。 首先使用仿真信號生成模塊產(chǎn)生波形，他 的 參數(shù) 、 頻率和信號類型的相應(yīng)參數(shù) 都可以 分別設(shè)定，幅值取默認(rèn)值 1。波形送到 FFT Spectrum MagPhase 函數(shù)中，就得到了他們的幅頻特性。輸出的 信號 可以直接送給 Graph顯示，為了計(jì)算 時(shí)間值 ，需要先從這 些 信號 中提取出 峰值 對應(yīng) 的頻率 。 將頻率值引出求倒，得到時(shí)間值。 時(shí)間 值的二分之一 就 是超聲波穿過被測物的時(shí)間， 再乘以 超聲波在被測物中傳播的速度 就 可以 得到 被測物的厚度 。 超聲波 測 厚 儀的分辨率取決于對 換能器 的選擇。超聲波 換能器 是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；頻率高分辨率也高 。 所以薄物件 測量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而 厚物件 的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 8 第 3 章 超聲波測厚儀測厚原理、方法 測 量 原理 [2] 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡稱波。頻率在 11～ 2 104Hz 之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于 11Hz 的機(jī)械波，稱為次聲波；高于 2 104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波， 超聲波為直線傳播方式，頻率高，反射能力強(qiáng) 。 其 指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而用于距離測量。利用超聲波檢測往往較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)時(shí)控制，且測量精度能達(dá)到工業(yè)實(shí)用要求，因此在 超聲波測厚 的研制中得到廣泛應(yīng)用。 超聲波 測厚儀 檢測厚度 需使用超聲波。測厚的 的方法有共振法、干涉法、脈沖回波法等?，F(xiàn)在主要采用脈沖回波法檢測厚度的工作原理。 當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)（密度分別為 ρ 1， ρ 2）傳播時(shí)，在其分界面將發(fā)生聲波折射和反射現(xiàn)象。若聲波垂直射入介質(zhì)，其反射率 R為 2121 2()VVRE V VIR I ????? ? 31 式中 IR、 IE為反射波與入射波的聲強(qiáng)； v1,v2為聲波在兩種介質(zhì)中的傳播速度 從 ② 可以看出，如果兩種介質(zhì)的密度 相差較大的話，聲波基本上被全部反射 。 圖 測量原理 H ρ 1 ρ 2 發(fā)射探頭 接收探頭 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 9 由圖 ，將被測物置于與它密度完全不同的介質(zhì)上，此時(shí)，當(dāng)發(fā)射換能器（發(fā)射探頭）被測物發(fā)射超聲波脈沖，設(shè)經(jīng)校驗(yàn)后超聲波波速為 v,超聲波速根據(jù)被測物不同而有所改變。當(dāng)超聲波傳到被測物底部時(shí)被完全反射回來，被接收換能器（接收探頭）所接收。測出從發(fā)射到接受的這段時(shí)間間隔，即回波時(shí)間 t，就可以算出被測物的厚度 H。 1 .2H vt? 由上式可以看出 ： 厚度的測量需要 先得到超聲波在不同被測物中傳播的速度v 以及傳播的時(shí)間 t。 其中 超聲波聲速 v與通過的被測物材料有關(guān)，以下提供了超聲波在不同材料里的傳播速度。 表 不同材料的超聲波波速 材料 聲速（ m/s） 鋁 6260 鐵 5900 銅 4700 黃銅 4640 鋅 4170 銀 3600 玻璃 2350 錫 3230 金 3240 ．超聲波 接收裝置 [3] 超聲波探頭是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又 稱超聲換能器或傳感器。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。超聲波由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生， 以電聲型為主，主要部件為高頻電源和換能器構(gòu)成的探頭。換能器由晶體制成，利用晶體的 逆 壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，壓電效應(yīng)接收超聲波。常用的晶體是石英、酷鈦酸鉛等。 應(yīng)用壓電效應(yīng)制作的超聲波探頭 實(shí)際上 是 利用壓電晶體的諧振工作。超聲波北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 10 發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有 2個(gè)壓電晶片和 1個(gè)共振板。當(dāng)它的兩電極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓 ，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電品片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)就成為超聲波接收器。 超聲波換能器 根據(jù)構(gòu)造可以分為直探頭和斜探頭。直探頭垂直于工件表面使用， 傳播的是超聲縱波，有利于探測表面平滑的物體厚度。斜探頭由直探頭和波型轉(zhuǎn)換器組成。超聲縱波經(jīng)渡型轉(zhuǎn)換器以一定傾角入射到工件表面上時(shí)，發(fā)生反射、折射及波型轉(zhuǎn)換。 原理 [4][5] 超聲波 換能器 有發(fā)送器和接收器， 發(fā)射器利用壓電晶體的諧振帶動(dòng)周圍空氣振動(dòng)來工作的 .超聲波發(fā)射器在被測物上方發(fā)射超聲波，在發(fā)射波到達(dá)物體表面后會(huì) 有一部分波反射回來被接收探頭接收，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，其余超聲波繼續(xù)傳播，直到碰到被測物底部就返回來 被接收器接收 。 被超聲波接收器接收的波擁有一定的時(shí)間差， 在工件表面最早被部分反射，由探頭接收，在示波管上顯示出來稱為始波。由工件底面反射回來的波被探頭接收，在示波管上顯示出來，稱為底波。在始波和底波之間，會(huì)有一些被衰減的 波成為傷波。 圖 探頭接收波形