【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，共有四種設(shè)計(jì)方案。方案都采用接觸式的測(cè)量方法，將測(cè)量環(huán)境由空氣中轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w水中，這樣可以提高超聲波發(fā)射的頻率，從而提高理論的測(cè)量分辨力，提高了測(cè)量精度。并采用分體式超聲波探頭，由一端發(fā) 射超聲波，另一端接收，這樣的測(cè)量方式可以大大減小測(cè)量盲區(qū)，而且也可以減小后期電路的設(shè)計(jì)難度。下面將分別介紹四種設(shè)計(jì)方案。 方案 1： 圖 為方案 1 的傳感器設(shè)計(jì)草圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 圖 方案 1 設(shè)計(jì)草圖 本方案采用立式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，罐體 (2)盛滿水，將兩個(gè)超聲波探頭 (3)、 (4)全部浸入水中，這樣提供了在液體中的測(cè)量環(huán)境。控制部分為兩個(gè)拉式電磁鐵(11)、 (12)，工作時(shí)可以帶動(dòng)測(cè)量端面 (16)和與半球閥 (7)連接在一起的發(fā)射端超聲波探頭 (4)移動(dòng)。測(cè)量部分為測(cè)量端面 (16)和繞紙軸 (17)。 在非工作狀態(tài)時(shí) ，電磁鐵 (11)、 (12)斷電，處于放松狀態(tài)，半球閥 (7)壓緊在罐體上蓋 (6)的球形槽中，防止液體泄漏。 在工作時(shí)，紙張未到來時(shí)，電磁鐵 (11)、 (12)先通電，帶動(dòng)半球閥 (7)離開罐體上蓋 (6)的球形槽，同時(shí)與半球閥 (7)相連的超聲波探頭 (4)也上移相同的距離，測(cè)量端面 (16)與繞紙軸 (17)接觸，此時(shí)由 超聲波 發(fā)射探頭 (4)發(fā)射超聲波，由 超聲波 接收探頭 (3)接收，計(jì)算出距離 S1，然后電磁鐵 (11)、 (12)斷電，恢復(fù)到原來的位置。在紙張到來后，再次重復(fù)通電過程，這樣測(cè)得距離 S2。則 S1S2的值就是紙張的 厚度。 方案 2： 圖 為方案 2 的傳感器結(jié)構(gòu)草圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 圖 方案 2 設(shè)計(jì)草圖 本方案也采用立式結(jié)構(gòu)，但是控制部分變?yōu)橛扇齻€(gè)電磁鐵控制工作。測(cè)量部分也不存在單獨(dú)的測(cè)量端面，由罐體的下端面作為測(cè)量端面。繞紙軸變?yōu)楝F(xiàn)在的承紙座 (1)，在罐體的下部。 在非工作狀態(tài)，三個(gè)電磁鐵 (8)、 (9)、 (10)均處于斷電狀態(tài)，將罐體 (2)壓緊在承紙座 (1)上，同時(shí)將半球閥 (7)壓緊在罐體上蓋 (6)的球形槽中。 在工作狀態(tài)時(shí)，紙張未到來時(shí)，位于中部的電磁鐵 (8)先通電，兩側(cè)的電磁鐵 (9)、 (10)不通電，帶動(dòng)半球閥 (7)離開罐 體上蓋 (6)，并保持通電狀態(tài)。此時(shí)由 超聲波 發(fā)射探頭 (4)發(fā)射超聲波，并由 超聲波 接收探頭 (3)接收，記錄下距離S1。在紙張到來時(shí)，位于兩側(cè)的電磁鐵 (9)、 (10)通電，帶動(dòng)罐體 (2)離開承紙座(1)，紙張置于承紙座 (1)后，控制兩側(cè)的電磁鐵 (9)、 (10)斷電，將罐體 (2)再次壓緊在承紙座 (1)上，此時(shí)就將紙張壓緊，由 超聲波 發(fā)射探頭 (4)發(fā)射超聲波，并由 超聲波接受探頭 (3)接收后，計(jì)算得出 S2。則 S1S2 為紙張的厚度。 方案 3： 圖 為方案 3 的傳感器結(jié)構(gòu)草圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 圖 方案 3 設(shè)計(jì)草圖 本方案采用臥式的 放置方式?？紤]到立式 放置結(jié)構(gòu) 可能在探頭上富集氣泡，可能 影響測(cè)量結(jié)果的正確性，故提出了臥式的放置方法，可以從理論上減小氣泡對(duì)最后測(cè)量結(jié)果的不利影響。 在非工作狀態(tài)，電磁鐵 (11)、 (12)斷電，將測(cè)量端面 (16)壓緊在承紙面 (17)上，此時(shí)通過裝置左端的超聲波探頭測(cè)得距離為 S1。 在工作狀態(tài)，紙張到來時(shí)，電磁鐵 (11)、 (12)通電，將測(cè)量端面 (16)帶離承紙面 (17)，待紙張置于承紙面 (17)時(shí)，控制電磁鐵 (11)、 (12)斷電，測(cè)量端面 (16)再次壓緊承紙面 (17)，此時(shí)已經(jīng)將紙張壓緊，通過超聲波探頭測(cè)量 此時(shí)的距離S2。則 S1S2 為被測(cè)紙張的厚度。 方案 4:圖 為方案 4 的傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)草圖 圖 方案 4 設(shè)計(jì)草圖 本方案仍采用臥式的放置方式，不過在測(cè)量的另一側(cè)加上了一相同的測(cè)量?jī)x，采用兩側(cè)同時(shí)測(cè)量的方式，可以減小測(cè)量端面對(duì)繞紙軸的沖擊，增加其使用壽命。 在非工作狀態(tài)，電磁鐵 (10)、 (11)處于斷電狀態(tài)，測(cè)量端面 (14)與繞紙軸 (17)保持一段距離。 工作狀態(tài)時(shí)，在紙張等待進(jìn)入時(shí)，控制電磁鐵 (10)、 (11)通電，電磁鐵 (10)、(11)帶動(dòng)測(cè)量端面 (14)向靠近繞紙軸 (17)的方向移動(dòng)，并與繞 紙軸 (17)接觸，并河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 帶動(dòng)罐體 (1)中的活塞 (6)向外側(cè)移動(dòng)，而固定在活塞 (6)上的超聲波探頭 (3)也做出相應(yīng)的移動(dòng)，此時(shí)通過超聲波探頭測(cè)得距離 S1。然后電磁鐵 (10)、 (11)斷電，恢復(fù)到原來的狀態(tài)，測(cè)量端面 (14)離開繞紙軸 (17)。紙張置于繞紙軸 (17)后，控制電磁鐵 (10)、 (11)通電，繼續(xù)上述過程，并測(cè)得距離 S2。則 S1S2 為被測(cè)紙張的厚度。 以上四種為初定的四種設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)前期報(bào)告中所述的四種機(jī)械部分設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較選擇，在能實(shí)現(xiàn)所要求功能的前提下，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、控制簡(jiǎn)易、加工簡(jiǎn)單的角度出發(fā) ，最終選擇了方案 1 作為最終的機(jī)械部分設(shè)計(jì)方案。方案 1采用立式的放置方式，控制機(jī)構(gòu)為兩個(gè)電磁鐵，各個(gè)部分的零件加工較為簡(jiǎn)單，組裝方便。方案 1 的機(jī)械設(shè)計(jì)草圖如下圖 所示： 圖 超聲波測(cè)厚裝置機(jī)械部分設(shè)計(jì)草圖 硬件設(shè)計(jì) 硬件電路主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，是系統(tǒng)的控制核心；超聲波發(fā)射接收模塊，為工作模塊，用于完成超聲波測(cè)距的工作；增益放大和波形拾取模塊主要用于對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行濾波放大及檢波處理，從而產(chǎn)生用于時(shí)間芯片處理的信號(hào)；數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)模塊用于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以便于對(duì)每 次的河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做到有據(jù)可循；顯示模塊用于顯示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，顯示每次試驗(yàn)的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等；自動(dòng) /手動(dòng)切換模塊用于工作模式的切換，手動(dòng)方式用于調(diào)試、排除故障，自動(dòng)方式用于正常工作；電源模塊用于提供整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的電源供應(yīng)。下圖 為控制 系統(tǒng) 框圖： 圖 控制 系統(tǒng)框圖 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)的思路為：通過按下啟動(dòng)按鈕，開啟裝置，開啟后等待按下自動(dòng)運(yùn)行或者手動(dòng)運(yùn)行按鈕。若按下“自動(dòng)運(yùn)行”按鈕，則按下按鈕后，延時(shí) 5s，控制電磁鐵通電，過 1s 后超 聲波探頭工作，將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)，并在液晶顯示屏上顯示出測(cè)量結(jié)果，控制電磁鐵斷電，通過傳感器檢測(cè)紙張到來的信息，如果檢測(cè)到紙張到來，傳感器產(chǎn)生信號(hào)給單片機(jī)，控制電磁鐵通電，過 1s 后超聲波探頭工作，將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)，并在液晶顯示屏上顯示出測(cè)量結(jié)果，并通過單片機(jī)的計(jì)算將最后的紙張厚度輸出在液晶屏上，將紙張厚度儲(chǔ)存，控制電磁鐵斷電，完成一次測(cè)量工作。若按下“手動(dòng)執(zhí)行”，則在按下按鈕后，按下“開始”，電磁鐵通電，過 1s 后超聲波探頭工作，將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)，并在液晶顯示屏上顯示出測(cè)量結(jié)果，按下“結(jié)束”，電磁鐵斷電，實(shí)現(xiàn)一次測(cè)量 。再次按下“開始”，電磁鐵通電，過 1s 后超聲波探頭工作，將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)，并在液晶顯示屏上顯示出測(cè)量結(jié)果，并通過單片機(jī)的計(jì)算將最后的紙張厚度輸出在液晶屏上，將紙張厚度儲(chǔ)存。按下“結(jié)束”，電磁鐵斷電，實(shí)現(xiàn)第二次測(cè)量。按下“返回”，將工作模式轉(zhuǎn)換為河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 自動(dòng)執(zhí)行。下面 圖 為程序框圖： 圖 軟件編程框圖 本章小結(jié) 總體設(shè)計(jì)是一個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂所在。有了方案的總體設(shè)計(jì)，就有了課題研究的河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 目標(biāo)和方向，對(duì)方案整體的框架有了明確的認(rèn)識(shí)。上述是 本 課題超聲波測(cè)厚儀的的總體設(shè)計(jì)思路，包括機(jī)械部分設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì) 和軟件編程設(shè)計(jì)三部分。機(jī)械部分設(shè)計(jì)是課題的試驗(yàn)臺(tái)，后續(xù)的調(diào)試工作要在工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，包括最后的展示工作，這一部分設(shè)計(jì)由我獨(dú)自完成，包括后期的加工組裝工作，傾注了我比較多的精力，我認(rèn)為一個(gè)好的機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)大大減輕硬件電路設(shè)計(jì)的難度，因?yàn)闇y(cè)量誤差的積累實(shí)現(xiàn)從測(cè)量端開始的，就是從機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差開始，逐步積累到硬件電路上，而為了保證儀器的精度，就要在硬件電路上投入很多的精力來進(jìn)行誤差補(bǔ)償，硬件電路的設(shè)計(jì)會(huì)很復(fù)雜，整體的成本也會(huì)提高很多，而一個(gè)良好的機(jī)械設(shè)計(jì)就可以在測(cè)量前端就能保持可靠地測(cè)量精度，省去了后續(xù)電路的補(bǔ)償部分 ，大大簡(jiǎn)化了電路，降低了開發(fā)成本。 硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)已經(jīng)在流程圖和程序框圖中體現(xiàn)。 4 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 機(jī) 械部分的設(shè)計(jì)是本課題最主要的設(shè)計(jì)部分。為了實(shí)現(xiàn)使用超聲波獲得高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了一種新型的測(cè)厚 傳感器，將測(cè)量環(huán)境從氣介質(zhì)轉(zhuǎn)移到液介質(zhì)中，從而提高了超聲波 脈沖 的發(fā)射頻率（氣介質(zhì)發(fā)射頻率一般為 40KHz 或者 200KHz，液介質(zhì)一般為 1MHz），這樣提高了超聲波脈沖的分辨力，從而提高了測(cè)量結(jié)果的精度。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，兼并接觸式和非接觸式的特點(diǎn)，采用測(cè)量端接觸式，計(jì)量端非接觸式的方式，選用分體式的超聲波探 頭，這樣減少了后續(xù)電路的復(fù)雜程度，減少了盲區(qū)的范圍，使得測(cè)量簡(jiǎn)單可靠。下面介紹一下機(jī)械部分的設(shè)計(jì)方案。 機(jī)械加工裝配圖 為了使 最終的方案易于加工，而且能夠?qū)崿F(xiàn)理想的測(cè)量精度，最終選擇了方案 1 作為最終的加工方案。最初方案 1 的設(shè)計(jì)圖為下圖 所示。 河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 圖 方案 1 機(jī)械裝配圖 為了使設(shè)計(jì)更為直觀，使用 UG 繪圖軟件繪制了方案 1 裝配圖的立體圖，如下圖 所示。 圖 方案 1 立體裝配圖 以下為重要零件的平面圖和裝配圖示意圖。 1罐體上蓋 河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 圖 罐體上蓋 2支架上蓋 圖 支架上蓋 3帶滑槽支架 圖 帶滑槽支架 4連接件 河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 圖 連接件 5下連接件 圖 下連接件 6上圓柱管 圖 上圓柱管 河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 7連接管 圖 連接管 8下圓柱管 圖 下圓柱管 9定位座 圖 定位座 以上的設(shè)計(jì)是按照加工材料為鐵板而做的設(shè)計(jì)，但是由于材料和加工費(fèi)用的問題，最后決定使用有機(jī)玻璃作為試驗(yàn)臺(tái)的材料。有機(jī)玻璃具有較好的強(qiáng)度和硬河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 度，而且透明無色，可以清楚的看到實(shí)驗(yàn)的過程，且加工較金屬簡(jiǎn)單 ，價(jià)格適中，而且很多 需要連接件連接的部分可以使用有機(jī)玻璃專用膠水來粘合，方便且穩(wěn)定。同時(shí)也可以采用螺栓連接，只需在需要螺栓連接的部位打孔即可。 為了配合所買的材料的具體尺寸和參數(shù)（主要是彈簧的彈性系數(shù)和電磁鐵的功率），對(duì)方案 1 的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的裝配圖如下圖 所示。 圖 改進(jìn)后的裝配圖 改進(jìn)后的設(shè)計(jì)省去了罐體和連接件， 在加工過程中，考慮到拆裝調(diào)整問題，將 罐體上蓋和支架上蓋的連接改為 咬合件連接，這樣的連接方式穩(wěn)定而且利于拆裝 ，罐體上蓋和支架上蓋與咬合件通過螺栓連接起來，連接更加穩(wěn)定。 側(cè) 面支架與底座的連接改為咬合件和螺紋連接相結(jié)合的方式，只要使咬合件與底座的配合關(guān)系為過盈配合，就可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定， 下圖 為改進(jìn)設(shè)計(jì)后的組裝 實(shí)物圖 : 河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 圖 組裝實(shí)物圖 電磁鐵的選擇 電磁鐵選擇的是直流 24V 電磁鐵，拉力為 5N，行程為 10mm。選擇 24V 直流電磁鐵主要是控制簡(jiǎn)單，能達(dá)到要求，價(jià)格適中。下圖 為電磁鐵的尺寸。 圖 電 磁鐵的尺寸 電磁鐵的作用是提供拉力，是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的控制元件。 選用的電磁鐵是推拉式電磁鐵， 在通電的情況下，通過牽引力帶動(dòng)鐵芯產(chǎn)生收縮的動(dòng)作， 從而產(chǎn)生河北工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 了行程，在斷電的情況下，鐵芯靠彈簧復(fù)位，保持在外部。通過控制電磁鐵的通電斷電，實(shí)現(xiàn)了每次測(cè)量過程： 通電時(shí)，電磁鐵收縮，帶動(dòng)測(cè)量端面與繞紙軸接觸；斷電時(shí)，依靠彈簧復(fù)位，將測(cè)量端面帶離繞紙軸。 彈簧的選擇 彈簧在設(shè)計(jì)中的作用是緩沖作用，由于電磁鐵的動(dòng)作是瞬間完成的，沖擊力較大，通過彈簧可以減小其沖擊力，