【文章內(nèi)容簡介】 ，增強(qiáng)滲透，提高代謝，促進(jìn)血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細(xì)胞功能，因此具有超聲波獨(dú)特的治療意義。（2）溫?zé)嵝?yīng)當(dāng)超聲波在物體中傳播，其能量不斷地被物體吸收而變成熱量，其結(jié)果是使物體己身的溫度升高。產(chǎn)熱過程既是機(jī)械能在介質(zhì)中轉(zhuǎn)變成熱能的能量轉(zhuǎn)換過程，即內(nèi)生熱。（3）理化效應(yīng)超聲的機(jī)械效應(yīng)和溫?zé)嵝?yīng)均可促發(fā)若干物理化學(xué)變化。實(shí)踐證明一些理化效應(yīng)往往是上述效應(yīng)的繼發(fā)效應(yīng)。 超聲波特性（1）超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。（2）超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。（3）超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息。超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測與負(fù)載信息的載體或媒介；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時(shí)，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6用，去影響，改變以致破壞物體的狀態(tài)。 超聲波的應(yīng)用（1）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)。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)，把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息，經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。（2）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)部門獲得了廣泛應(yīng)用。（3）超聲除螨科研人員發(fā)現(xiàn)，螨蟲的聽覺神經(jīng)系統(tǒng)很脆弱，對(duì)特定頻率的超聲非常敏感，針對(duì)螨蟲的這種生理特性，目前已有科技公司的研究人員開發(fā)出了超聲波除螨儀。這種新型的除螨產(chǎn)品采用現(xiàn)代微電子技術(shù)手段，直接用特殊頻率的超聲作用于螨蟲的聽覺神經(jīng)系統(tǒng)，使其生理系統(tǒng)紊亂，煩躁不安，食欲不振，最終奄奄一息逐漸死亡。采用這種原理的除螨產(chǎn)品不用添加任何化學(xué)藥劑，無毒無二次污染，對(duì)人體和家中寵物都沒有傷害，是目前比較理想的除螨產(chǎn)品。（4）超聲除油將黏附有油污的制件放在除油液中，并使除油過程處于一定頻率的超聲波場作用下的除油過程，稱為超聲波除油。引入超聲波可以強(qiáng)化除油過程、縮短除油時(shí)間、提高除油質(zhì)量、降低化學(xué)藥品的消耗量。尤其對(duì)復(fù)雜外形零件、小型精密零件、表面有難除污物的零件及絕緣材料制成的零件有顯著的除油效果，可以省去費(fèi)時(shí)的手工勞動(dòng)，防止零件的損傷。 超聲波測厚原理在利用超聲波對(duì)工件進(jìn)行厚度測量時(shí)，有四種不同的方法可以達(dá)到測量目的，分別是：共振法測厚、干涉法測厚、脈沖透射法測厚和脈沖回波法測厚。由于共振法測厚的局限性太大且測量方法過于繁瑣，干涉法測厚的應(yīng)用只在薄膜測量領(lǐng)域，所以下面只對(duì)脈沖透射法和脈沖回波法這兩種方法作詳細(xì)說明。便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 脈沖透射法超聲波脈沖透射法測厚的工作原理是將超聲波發(fā)射探頭置于被測物體的表面，另外一面放置超聲波探頭的接收頭，通過計(jì)算超聲波發(fā)射探頭發(fā)射信號(hào)到超聲波接收探頭收到信號(hào)的時(shí)間差再與聲速在此種介質(zhì)中的傳播速度（常用材料聲速表見附錄 I）相乘，就可以得到被測物體的厚度。超聲波脈沖透射法不僅可以用來測量物體的你厚度，還可以完成對(duì)被測工件的探傷工作，若被測工件的內(nèi)部有瑕疵，則超聲波會(huì)在瑕疵處有衰減，導(dǎo)致超聲波接收探頭收不到信號(hào)。超聲波脈沖透射法測厚的工作原理如圖 21 所示。 .............................被測工件...........................................................................................................................................................................................................**********發(fā)射探頭接收探頭圖 21 超聲波脈沖透射法測厚的工作原理圖 脈沖回波法由于超聲波具有與光相同的反射特性，所以，當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，一旦遇到不同介質(zhì)的分界面是，就會(huì)有一部分超聲波反射，另外一部分超聲波穿過分界面繼續(xù)傳播。利用超聲波的反射特性，可以在被測工件的表面分別放置一個(gè)超聲波的發(fā)射探頭和一個(gè)超聲波的接收探頭，當(dāng)發(fā)射端發(fā)射信號(hào)后，超聲波在被測工件內(nèi)部傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)被測工件另外一個(gè)表面時(shí)，有一部分超聲波會(huì)反射回來，并被接收端接收。計(jì)算超聲波發(fā)射探頭發(fā)射信號(hào)到超聲波接收探頭收到信號(hào)的時(shí)間差再與聲速在此種介質(zhì)中的傳播速度相乘，就得到的值為被測物體厚度值的兩倍。超聲波脈沖回波法測厚的工作原理如圖 22所示。 超聲波探頭對(duì)于超聲波測厚儀來說，最主要的性能參數(shù)是測量的范圍和精度，而這兩個(gè)參數(shù)是由超聲波探頭直接決定的，因此，超聲波探頭的選擇對(duì)整個(gè)超聲波測厚儀的設(shè)計(jì)來說至陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8關(guān)重要。超聲波探頭的作用就是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)超聲波信號(hào)和超聲波信號(hào)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，所以又可以稱為超聲換能器。圖 23 為不同種類超聲波探頭的實(shí)物圖。 .............................被測工件............................................................................................................................................................................................................發(fā)射探頭接收探頭直射波透射波反射波22 超聲波脈沖回波法測厚的工作原理圖 圖 23 超聲波探頭實(shí)物圖 超聲波探頭的種類根據(jù)測量要求的不同，選用的超聲波探頭的類型和類別也不同，因此，在使用超聲波探頭之前，必須對(duì)超聲波探頭的種類劃分有所了解。對(duì)各類超聲波探頭的名稱、類別、特性、優(yōu)點(diǎn)以及用途的總結(jié)如表 24 所示。表 24 超聲波探頭分類類型 類別 優(yōu)點(diǎn)和用途直探頭 縱波直探頭 優(yōu)點(diǎn)：適用于被測物在探測晶片下方垂直于聲束便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9橫波直探頭 的情況；探測范圍廣；靈敏度高。用途：用于工件的探傷?？v波斜探頭橫波斜探頭斜探頭表面波斜探頭優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)μ筋^斜下方不同角度的情況進(jìn)行探 測；探測范圍小；靈敏度高。用途：經(jīng)常用于金屬板和金屬管的裂紋檢測。周向曲率探頭帶曲率探頭徑向曲率探頭優(yōu)點(diǎn)：超聲波的入射方向可以改變。用途：周向曲率探頭常用于軸類工件的軸向缺陷 檢測；徑向曲率探頭則用于工件的徑向缺 陷檢測點(diǎn)聚焦水浸式探頭線聚焦水浸式探頭點(diǎn)聚焦接觸式探頭聚焦探頭線聚焦接觸式探頭優(yōu)點(diǎn)：方向性好；聲束尺寸小，可以提高靈敏度 和分辨力。用途：適合對(duì)曲面零件進(jìn)行深度探傷；水浸式探 頭要求耦合劑是水，常用于對(duì)材料性質(zhì)和 細(xì)小缺陷的分析。表面波探頭 表面波斜探頭 使用時(shí)，對(duì)工件表面的光潔程度要求較高。 超聲波探頭的性能指標(biāo)（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用超聲波傳感器功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。一般將靈敏度分成相對(duì)靈敏度和靈敏度余量這兩個(gè)參數(shù)。相對(duì)靈敏度是指某一探頭在與測厚儀組合后比較其在特定試驗(yàn)品和石英晶片試驗(yàn)品中的回波幅度，所得的分貝差值。靈敏度余量是指在測厚儀處在最大輸出時(shí)，能夠使回波達(dá)到基準(zhǔn)波高所需要的衰減總量。（4）指向性。超聲波傳感器探測的范圍 超聲波探頭的工作原理超聲波探頭是利用壓電效應(yīng)發(fā)射超聲波和接收超聲波的。其原理是：超聲波探頭發(fā)射超聲波時(shí)，有發(fā)射電路在壓電晶片上加上高幅值的交變電壓，由于雅典晶片上的兩塊金屬極板面積相同、間隔固定，在電壓到達(dá)后，在金屬極板上產(chǎn)生的不同性質(zhì)的電荷是陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10等量的并形成電場，產(chǎn)生電場力，在電場力的作用下，金屬極板發(fā)生形變，產(chǎn)生了超聲波，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到超聲波信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過程稱為逆壓電效應(yīng)；接收超聲波時(shí)，反射回來的超聲波作用在壓電晶片之上，使極板發(fā)生形變，導(dǎo)致交變電場的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過程稱為正壓電效應(yīng) [24]。 超聲波探頭盲區(qū)當(dāng)超聲換能器發(fā)射超聲波后，探頭上還會(huì)有余震的存在，而在余震存在是這段時(shí)間里不允許接收超聲波信號(hào)的，因此，這段時(shí)間就稱為超聲波探頭的盲區(qū)。導(dǎo)致盲區(qū)產(chǎn)生的原因有以下三點(diǎn)：。即使是分體式的探頭，發(fā)射探頭工作完后還會(huì)持續(xù)震動(dòng)一段時(shí)間，這是物理效應(yīng)，也就是余震，這個(gè)余震信號(hào)也會(huì)向外傳播。如果程序設(shè)計(jì)是發(fā)射完畢后立刻切換為接收狀態(tài)（無盲區(qū)） ，那么這個(gè)余震波會(huì)通過殼體和周圍的空氣，直接到達(dá)接收頭，干擾了檢測（注：通常的設(shè)計(jì)里，發(fā)射探頭和接收探頭的距離很近，在這么短的距離里超聲波的檢測角度是很大的，可達(dá) 180176。） 。就像敲鐘一樣，能量仍來自發(fā)射探頭，發(fā)射結(jié)束后，殼體的余震會(huì)直接傳導(dǎo)到接收頭，當(dāng)然這個(gè)時(shí)間很短，但已形成了干擾。另外，在不同的環(huán)境溫度下，殼體的硬度和外形會(huì)有所變化，其余震有時(shí)長、有時(shí)短、有時(shí)干擾大、有時(shí)干擾小，這是設(shè)計(jì)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品時(shí)必須要考慮的問題。超聲波發(fā)射時(shí)的瞬間電流很大，例如某種工業(yè)級(jí)連續(xù)測距產(chǎn)品瞬間電流會(huì)有 15A，通常的產(chǎn)品也能達(dá)到 1A，瞬間這么大的電流會(huì)對(duì)電源有一定影響，并干擾接收電路。通過改善電源設(shè)計(jì)可以緩解這種情況，但在低成本設(shè)計(jì)中很難根除，所以每次發(fā)射完畢，接收電路還需要一段時(shí)間穩(wěn)定工作狀態(tài)。在此期間，其輸出的信號(hào)很難使用。 超聲波測厚儀的耦合劑在超聲波測厚儀使用時(shí)，被測工件表面和超聲波探頭之間必然會(huì)有一層空氣薄膜，雖然這層空氣薄膜用肉眼已經(jīng)無法觀測到，但是它可能會(huì)引起被測工件與探頭之間強(qiáng)烈且雜亂的反射波和折射波，為測量過程帶來許多不必要的麻煩。耦合劑的作用就是排除被測工件表面與探頭之間的空氣，使超聲波有效的穿入被測工件達(dá)到檢測目的。常用的耦合劑包括機(jī)油、變壓器油、潤滑脂和甘油等。其特點(diǎn)是：PH 值呈中性，無毒、無味、無刺激，不沾皮膚和衣服，對(duì)皮膚無刺激、無過敏反應(yīng)，且易擦除，具有良好觸變性且不流淌，操作容易掌握。穩(wěn)定性好，不受氣候變化影響。使用時(shí)一般將耦合劑涂在被測材料的表面，但當(dāng)測量溫度較高時(shí)，耦合劑應(yīng)涂在探頭上。 本次超聲波測厚儀的性能參數(shù) 性能參數(shù)便攜式厚度測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11測量范圍：測量誤差：177。（1%H+）mm 注：H 為被測物的實(shí)際厚度；使用溫度：0176。C40176。C工作頻率：50MHz顯示方式：點(diǎn)陣式液晶顯示電源供給：5V 基本功能（1）發(fā)射超聲波：為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量的目的，需要連續(xù)發(fā)射超聲波。（2）接收超聲波：為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量的目的，接收探頭必須長期有效的接收有用的反射波。（3）顯示數(shù)據(jù)：通過 LCD 液晶屏顯示測量數(shù)據(jù)時(shí)，為實(shí)時(shí)顯示。（4）記錄數(shù)據(jù)：在測量過程中，按下“記錄”按鍵，測厚儀會(huì)將此時(shí)測量的厚度值保存下來，并顯示在屏幕上，但是不影響實(shí)時(shí)測量與實(shí)時(shí)顯示功能。（5）聲速設(shè)定：本測厚儀系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)定五個(gè)常測材料的聲速值，分別是鋁、鐵、普通鋼、不銹鋼以及銅。用戶如需測量其他材料，可以手動(dòng)設(shè)置聲速值。記錄數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將聲速值一起顯示，方便觀測。（6）供電方式：本測厚儀采用 5V 充電電池供電，電池可以反復(fù)使用。 本章小結(jié)本章首先通過定義、性質(zhì)、參數(shù)以及應(yīng)用等幾個(gè)方面對(duì)超聲波進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，然后對(duì)超聲波測厚的原理及不同方法作了介紹，接著詳細(xì)介紹了超聲波探頭的種類和特性參數(shù)，并且對(duì)盲區(qū)進(jìn)行概述，最后，結(jié)合本次超聲波測厚儀所要完成的各項(xiàng)功能做了性能參數(shù)上的規(guī)定，為接下來研究硬件電路的各部分模塊和軟件上的程序設(shè)計(jì)做好了鋪墊。陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 123 超聲波測厚儀的硬件設(shè)計(jì)本次課題所研究的超聲波測厚儀，選用單片機(jī)處理器作為控制核心，控制整個(gè)電路系統(tǒng)的工作運(yùn)行。用于發(fā)射超聲波的驅(qū)動(dòng)電路和接收超聲波的接收電路是整個(gè)電路系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，因?yàn)槌暡ǖ姆瓷洳ㄐ盘?hào)屬于微弱信號(hào)，要經(jīng)過放大處理后才能使用，同時(shí)還不能對(duì)外界的干擾信號(hào)進(jìn)行放大。按鍵部分是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵部分，必須能夠準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。液晶顯示部分作為整個(gè)測厚系統(tǒng)的最終輸出端，是測厚儀不可缺少的一部分。 總體設(shè)計(jì)本次課題所設(shè)計(jì)的超聲波測厚儀采用的是雙晶直探頭作為超聲波的發(fā)射和接收裝置，控制器采用 STC89C52 單片機(jī)，發(fā)射電路模塊和接收電路模塊用到的主要芯片分別為NE555 和 CX20226A。本次課題設(shè)計(jì)的超聲波測厚儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。下面對(duì)各個(gè)電路模塊分別作詳細(xì)介紹和分析。 單片機(jī)控制電路單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功