【正文】 : 2021 年 5 月 28 日 學(xué)位授予時(shí)間 : 北方民族大學(xué)教務(wù)處制 I 摘 要 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 長(zhǎng)度 的測(cè)量，如測(cè) 厚 儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)用超聲波壓電陶瓷 實(shí)現(xiàn)了超聲波的發(fā)射與接收和聲信號(hào)和電信號(hào)的轉(zhuǎn)變；應(yīng)用 LabVIEW 軟件技術(shù)完成對(duì)探頭接收的信號(hào) 的 處理，實(shí)現(xiàn)了超聲波測(cè)厚儀的功能。 計(jì)算機(jī)和儀器結(jié)合方式主要有兩種。虛擬超聲波測(cè)厚儀具有數(shù)字式測(cè)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(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的智能化分析處理、測(cè)厚過程的軟件控制、對(duì)波形的實(shí)時(shí)存取等。 本 論 文基于虛擬儀器的超聲波測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)運(yùn)用 LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)的測(cè)厚儀，除測(cè)厚外，還可用于聲速的測(cè)量。當(dāng)聲波的頻率低于 16Hz 時(shí) 稱為 次聲波，高于 20KHz 則 被叫做 超聲波 。由于這兩大特點(diǎn)，超聲波在現(xiàn)代科技廣泛應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域都有廣 泛的用途。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。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)。 ⑴． 超聲檢驗(yàn) 超聲波的波長(zhǎng)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(cè)厚、測(cè)距、遙控和 超聲成像 技術(shù)。 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。但對(duì)頻率在 1012 赫以上的特超聲波，波長(zhǎng)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)。 波測(cè)厚儀的應(yīng)用 超聲波測(cè)厚是應(yīng)用廣泛的工業(yè)測(cè)厚方法之一，超聲波測(cè)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。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(cè)量。超聲波測(cè)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(duì)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(duì)設(shè)備安全運(yùn)行及現(xiàn)代化管理起著主要的作用。 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(cè)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(cè)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(hào)的傳遞與接收。 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(cè)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(cè)量。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。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(cè)物的厚度。本論文 選擇第二種方法即 脈沖回波法 方 法 進(jìn)行測(cè)量 。輸出的 信號(hào) 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(hào) 中提取出 峰值 對(duì)應(yīng) 的頻率 。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。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) 。測(cè)厚的 的方法有共振法、干涉法、脈沖回波法等。 圖 測(cè)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(cè)厚儀 9 由圖 ，將被測(cè)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(cè)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(cè)物不同而有所改變。 其中 超聲波聲速 v與通過的被測(cè)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。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。當(dāng)它的兩電極外加脈沖信號(hào)，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。斜探頭由直探頭和波型轉(zhuǎn)換器組成。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。 波始 傷波 底波 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(cè)厚儀 11 圖 時(shí)差法 考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的耐振性，我們選用性能穩(wěn)定的話鈦酸鉛系壓電陶瓷 (PZT)探頭。 ．測(cè)厚方法的選擇 由 頭。標(biāo)度直讀法只適用于較大深度的測(cè)定。測(cè)厚時(shí)將被測(cè)物置于水槽內(nèi)，用水浸探頭在被測(cè)物表面適當(dāng)距離 處進(jìn)行探傷，水浸法所用水應(yīng)純凈，探頭表面不能有氣泡。兩個(gè)相鄰回波標(biāo)度差對(duì)應(yīng)的距離就是工件厚度 d。 由于本論文選擇的被測(cè)物表面光滑，上、下表面平行，材料均勻。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。虛擬儀器主要是指這種方式。 ⑴ .性能高： 虛擬 儀器技術(shù)是在 PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的 PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。在利用最新科技的時(shí)候，您可以把它們集 成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí) 間。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。該儀器的主要特點(diǎn)如下：采用了 LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，軟件編程方便、簡(jiǎn)潔、效率高；利用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)可測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻信號(hào)的相位差；在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，通過改變軟件的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)別的儀器的功能。是美國(guó)國(guó)家儀器公司（ National Instruments, NI）的軟件產(chǎn)品。 LabVIEW 不僅是一種編程語言，還是一種用于測(cè)量和自動(dòng)化的特定應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，一種用來快速設(shè)計(jì)工業(yè)原型和應(yīng)用程序的高度交互式的開發(fā)環(huán)境。 . LabVIEW 的應(yīng)用 [7] LabVIEW 的優(yōu)點(diǎn)，使其在包括航天、航空、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。測(cè)試和測(cè)量中的應(yīng)用通常有生產(chǎn)測(cè)試、驗(yàn)證測(cè)試、機(jī)械測(cè)試、實(shí)時(shí)可靠性測(cè)試、便攜式場(chǎng)地測(cè)試、射頻 RF和通信測(cè)試、機(jī)臺(tái)測(cè)試、圖像采集和數(shù)據(jù)采集等。將 LabVIEW 和測(cè)量工具集成于附加的設(shè)計(jì)和仿真工具中，在設(shè)計(jì)過程中就可以將真實(shí)的測(cè)試工具與仿真模型進(jìn)行比較，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷、減少重復(fù)設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量。 LabVIEW作為虛擬儀器程序設(shè)計(jì)軟件，提供了對(duì)多種數(shù)據(jù)類型的支持。 ⑵．簇 一個(gè)簇中可以包含多種數(shù)據(jù)類型的元素，她包括簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型和復(fù)合數(shù)據(jù)類型。然后你可以將前面板上的任何對(duì)象放在簇中。如果需要可以使用工具重置簇的大小。可以用位置工具拖曳其圖標(biāo)的右下角以增加輸入端子的個(gè)數(shù)。LabVIEW提供了多種圖形化的 程序結(jié)構(gòu)用來控制設(shè)計(jì)流程。 i++ ) { } 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(cè)厚儀 18 LabVIEW中的 For循環(huán)可從框圖功能模板子模板中創(chuàng)建。 ②．條件結(jié)構(gòu) 條件結(jié)構(gòu)相當(dāng)于 C語言中的 switch語句或 if else結(jié)構(gòu)或 case結(jié)構(gòu)。 ③．順序結(jié)構(gòu) 順序結(jié)構(gòu)包含一個(gè)或多個(gè)按順序執(zhí)行的子程序框圖或幀，程序中用幀結(jié)構(gòu)來控制程序的執(zhí)行順序，執(zhí)行完某一幀中的程序以后再執(zhí)行下一幀中的程序。 LabVIEW的許多功能體現(xiàn)在儀器控制上， LabVIEW與各種儀器等硬件設(shè)備通信有重要的意義。 LabVIEW中常用的字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有字符串。文件操作中分為 不同的文件格式，包括文本文件、二進(jìn)制文件、電子表格文件、數(shù)據(jù)記錄文件和測(cè)量文件。一幅精心設(shè)計(jì)的畫面為用戶提供的信息量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過完全由數(shù)字或文字組成的報(bào)告。它的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)標(biāo)量，也可以是數(shù)組。 用 LabVIEW 程序進(jìn)行信號(hào)的發(fā)生主要依靠一些可以產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的函數(shù)、 VIs以及 Express VIs 來完成，另外一些數(shù)學(xué)應(yīng)算函數(shù)也可以產(chǎn)生波形信號(hào)。由于超聲波接收器將會(huì)收到的始波和底波的時(shí)間不一樣，存在一定的相位差，因而使用兩個(gè)仿真信號(hào)控件產(chǎn)生兩個(gè)波形，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(cè)厚儀 21 他們的參數(shù)：頻率和信號(hào)類型的相應(yīng)參數(shù)是 一樣的；相位則分別設(shè)定，幅值取默認(rèn)值 1。 在仿真信號(hào) VI 中設(shè)置采樣率和采樣數(shù)，采樣率至少為所設(shè)置頻率的 2倍，采樣數(shù)值可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。 濾波器選板中還包括高級(jí) IIR 濾波器和高級(jí) FIR 濾波器兩個(gè)子選板。 在函數(shù)選板上選擇“ Express→信號(hào)分析 ” . 在該子選板中選擇“濾波器”函數(shù)，用此 Express VI 來處理生成的仿真信號(hào)。 圖 帶 通濾波器的設(shè)置面板 將設(shè)置好的輸入信號(hào)輸入到濾波器，濾波 器 擇 符合條件的波形輸出。 將頻譜測(cè)量放到前面板后會(huì)彈出以下窗口。 處理 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(cè)厚儀 26 信號(hào)經(jīng)單頻測(cè)量 得到頻率值，將兩個(gè)信號(hào)的頻率值求倒 即可得到時(shí)間值，計(jì)算兩個(gè)時(shí)間值的差，帶入 1.2H vt?可求出被測(cè)物的厚度。 超聲波信號(hào)的頻率為 40kHZ。該方法是非接觸動(dòng)態(tài)測(cè)量 ,測(cè)量精確度非常高。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)厚儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波測(cè)量物體間的厚度。 但是在檢測(cè)過程中會(huì)有一些不便的地方： 要求超聲 波測(cè)距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體 。 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(cè)厚儀 31 致謝 我所做的“ 基于虛擬儀器的超聲波測(cè)厚儀 ”是一項(xiàng)綜合的工作。同時(shí)還要感謝系實(shí)驗(yàn)室在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間提供給我們優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件。 最后我要深深地感謝我的家人，正是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人，在生活和學(xué)習(xí)上給予我 無盡的愛、理解和支持，才使我時(shí)刻充滿信心和勇氣，克服成長(zhǎng)路上的種種困難，順利的完成大學(xué)學(xué)習(xí)。Cluster palette, placing it on the block diagram, and dragging a constant into the cluster shell. If you have a cluster control or indicator on the front panel and you want to create a cluster constant containing the same elements on the block diagram, you can either drag that cluster from the front panel to the block diagram or rightclick the cluster on the front panel and select Create187。 Cluster palette. This option gives you a shell (similar to the array shell when creating arrays). You can size the cluster shell when you drop it. rightclick inside the shell and add objects of any type. Note: You can have a cluster inside of a cluster. The cluster bees a control or an indicator cluster based on the first object you place inside the cluster. Create a cluster constant on the block diagram by choosing Cluster Constant from the Cl