【正文】 中，就得到了他們的幅頻特性。 將頻率值引出求倒，得到時間值。 超聲波 測 厚 儀的分辨率取決于對 換能器 的選擇。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(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 。 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] 振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。 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。 超聲波 測厚儀 檢測厚度 需使用超聲波?，F(xiàn)在主要采用脈沖回波法檢測厚度的工作原理。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 。當(dāng)超聲波傳到被測物底部時被完全反射回來，被接收換能器（接收探頭）所接收。 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 以及傳播的時間 t。 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] 超聲波探頭是實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又 稱超聲換能器或傳感器。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。常用的晶體是石英、酷鈦酸鉛等。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個壓電晶片和 1個共振板。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，將壓迫壓電品片振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時就成為超聲波接收器。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。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，發(fā)生反射、折射及波型轉(zhuǎn)換。 被超聲波接收器接收的波擁有一定的時間差， 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。在始波和底波之間，會有一些被衰減的 波成為傷波。根據(jù)記錄的時間 t，就可以 計算出被測物的厚度，這就是常用的時差法測距。 超聲波為直線傳播方式 ， 頻率高，反射能力強(qiáng)。因而設(shè)計時，超聲波換能器 的工作頻率要合適，太低，聲波的指向性增益也較低，測量精度受限制；太高，超聲波的吸收值又太大，易衰減，使測厚量程變小。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。應(yīng)以直探頭測厚的主要方法有： ⑴．標(biāo)度直讀法 測厚標(biāo)度校正后，由式②可知，讀取底波顯示的標(biāo)度值就可算得工件厚度。對于厚度較薄的測定會不太精確，落在盲區(qū)之內(nèi)的回波無法測量。用水浸法可克服這個困難。工件厚度的計算法與標(biāo)度直讀法相同。這時在示波屏上顯示出一系列高度依次降低的回波。如果測厚標(biāo)度校正后， n次回波相當(dāng)?shù)纳疃葹?S。 ⑷．分割式探頭法 主要用于測量非常薄 (小于 2ram)物體的厚度。所以采用標(biāo)度直讀法。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。下面的結(jié)構(gòu)反映了常見的 虛擬儀器方案 ： 被測對象→信號處理→數(shù)據(jù)采集卡→數(shù)據(jù)處理→虛擬儀器面板 [6] 虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。只有同時擁有高效的軟件、模塊化 I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢。得益于 NI軟件的靈活性，只需更新您的計算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)您的整個系統(tǒng)。 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 14 ⑶ .開發(fā)時間少 驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上， NI高效的軟件構(gòu)架能與計算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。 ⑷ .無縫集成 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。 NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性?？沙浞职l(fā)揮計算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。 目前，美國的 NI公司和 HP公司在虛擬儀器的研究方面處于領(lǐng)先地位，購買其虛擬儀器產(chǎn)品必將有助于我們的科研和教學(xué)工作，但價格非常昂貴。利用計算 機(jī)的強(qiáng)大功能采用，設(shè)計了一種方便使用的相位差計。如虛擬函數(shù)發(fā)生器、虛擬示波器等。 . LabVIEW . LabVIEW 的概述 LabVIEW 是 實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（ Laboratory Virtual Instrument 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 15 Engineering Workbench）的簡稱。也是目前應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。包括應(yīng)用編程生成器、圖形比較、源代碼控制、程序碼編寫指導(dǎo)及復(fù)雜矩陣運算功能 。同時， LabVIEW 還實現(xiàn)了對 FPGA等硬件的支持，實際上也是一種硬件設(shè)計工具。 LabVIEW適用于測量和自動化應(yīng)用程序的能力與通用編程的能力相互增強(qiáng)和擴(kuò)展，時期在兩個方面體現(xiàn) 出強(qiáng)大的功能。從儀器控制、數(shù)據(jù)采集到測試和工業(yè)自動化，從大學(xué)實驗室到工廠，從研究探索到技術(shù)集成，不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師都在借助 LabVIEW解決研究和工作中出現(xiàn)的各種應(yīng)用課題。利用 PC和虛擬儀器技術(shù)，通過 LabVIEW 的集成軟件 包和 PXI、 PCI、 USB、Ether等模塊化測量和控制硬件，可以提高開發(fā)設(shè)計效率并降低自動化測試和測量應(yīng)用程序的成本。 ⑵．應(yīng)用于工業(yè)測量和控制平臺 LabVIEW 可用于要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用，如高級 I/O、高速模擬信號采集、振動北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 16 監(jiān)控、控制及其視覺之類的高級處理應(yīng)用，以及與工業(yè)硬件（如 OPC設(shè)備和 PLC）的通信。 ⑶．應(yīng)用于設(shè)計、原型建筑和發(fā)布 LabVIEW 可用于高效的設(shè)計應(yīng)用、仿真、仿真數(shù)據(jù)與正式測量之間的比較。 ⑷．應(yīng)用于院校實驗室 LabVIEW 在測控領(lǐng)域掀起革新的同時，也增強(qiáng)和提高了院校實驗室的研究。 . LabVIEW 常用控件 [8] ⑴．?dāng)?shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)交換和處理時程序設(shè)計中不可缺少的部分。 LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型包括數(shù)字型(Numeric)、布爾型 (即邏輯型， Boolean)和字符串型 (String)；構(gòu)造數(shù)據(jù)類型包括數(shù)組和簇；其他數(shù)據(jù)類型包括枚舉（ RefNum）、空類型等等。 LabVIEW的子模板包括多種不同形式的控制和指示，它們的外觀各不相同，人數(shù)字量、滾動條、水箱、溫度計、旋鈕、表頭、刻度盤以及顏色框等，但本質(zhì)是完全相同的，都是數(shù)字型，只是外觀不同而已。 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 17 由于簇可以包含不同的數(shù)據(jù)類型，創(chuàng)建簇時要將不同類型的數(shù)據(jù)打包；訪問簇中的元素時要將簇解包。 ① .簇的創(chuàng)建 在前面板上放置一個簇殼就創(chuàng)建了一個簇。例如數(shù)組，你也可以直接從 Control 工具板上直接拖取對象堆放到簇中。一個簇將是 Control或 Indicator，取決于其內(nèi)的第一個對象的狀態(tài)。 如果你要求簇嚴(yán)格地符合簇 內(nèi)對象的大小，可在簇的邊界上彈出快速菜單選擇自動定義大小 . ② .簇與子 VI的數(shù)據(jù)傳遞 一個 VI的連接窗口最大有 28個端子。 捆綁數(shù)據(jù)功能將分散的元件集合為一個新的簇，或允許你重置一個已有的簇中的元素。最終簇的序是取決于被捆綁的輸入的順序。 ⑶．程序結(jié)構(gòu) 程序結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計語言中的重要組成成分，同樣 LabVIEW中也不例外。 LabVIEW程序結(jié)構(gòu)主要有：循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)等。 iN。 For循環(huán)執(zhí)行的是包含在循環(huán)框架內(nèi)的程序節(jié)點。而且，重復(fù)端口的初始和步長在 LABVIEW中是固定不變的，若要用到不同的初始值或步長，可對重復(fù)端口產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)運算，也可用到移位寄存器來實現(xiàn)。 switch(表達(dá)式 ) {case 常量表達(dá)式 1：語句 1； case 常量表達(dá)式 2：語句 2； case 常量表達(dá)式 n：語句 n； default ：語句 n+1； } 在某種意義上還相當(dāng)于 C語言的 if語句： if(條件判斷表達(dá)式 ) { } else { } 條件結(jié)構(gòu)包括 多個子程序框圖，根據(jù)傳遞給該結(jié)構(gòu)的輸入值執(zhí)行相應(yīng)的子程序框圖。條件結(jié)構(gòu)框由條件選擇器標(biāo)簽、選擇器接線端和分支子程序框組成。順序結(jié)構(gòu)包括層疊式順序結(jié)構(gòu)和平鋪結(jié)構(gòu)。字符串和文件操作時 LabVIEW與外界通信的重要方式。而硬件設(shè)備控制命令和數(shù)據(jù)大多為字符串和文件方式，因此， LabVIEW提供了大量的字符串和文件處理功能。字符串提供了一個獨立于操作平臺的信息和數(shù)據(jù)格式， LabVIEW支持操作系統(tǒng)地各種字體，包括中文字體。字符串?dāng)?shù)組等：在前面板 中，字符串以文本輸入框、標(biāo)簽和表格等形式出現(xiàn)。文件的讀操作、文件的寫操作和文件管理操作。文件管理包括對文件、文件夾及其路徑的操作。傳統(tǒng)的儀器儀表中，除了最簡單的數(shù)碼顯示外，能夠顯示測量信號波形和儀器工作狀態(tài)的 CRT熒光屏正在廣泛應(yīng)用，包括數(shù)字示 波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀等，這些高級的儀器都必需具備實時圖形顯示能力。因此能夠?qū)⒋罅繙y量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為意義明確的顯示曲線或三維圖形的控件是設(shè)計虛擬儀器所必需的。結(jié)于事后記錄圖 Graph方式 來說，它的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為數(shù)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 20 組，也就是就 Graph顯示是將構(gòu)成數(shù)組的全部測量數(shù)據(jù)一次顯示完成；而實時趨勢圖 Chart方式是實時顯示一個或幾個測量數(shù)據(jù)，而且新接收數(shù)據(jù)點要接在原有波形的后面連續(xù)顯示。顯示控件包括事后記錄波形控件 (WaveForm Graph)、實時趨勢圖控件 (WaveForm Chart)、 XY波形記錄控件（ XY Graph）、密度圖形顯示控件 (Intensity Graph)、密度趨勢控件(Intensity Chart)等 . LabVIEW下的設(shè)計 數(shù)字信號具有高保真、低噪聲、便于處理等優(yōu)點，從而得到廣泛的應(yīng)用。在 LabVIEW 中信號的發(fā)生方法總體上可以分為兩種，一種是通過外部硬件發(fā)生信號，用 LabVIEW 編寫程序控制計算機(jī)的 A/D 數(shù)據(jù)采集卡而獲取信號；另一種方式是選用 LabVIEW 本身產(chǎn)生波形信號，即用軟件產(chǎn)生信號。 超聲波測厚的信號可以應(yīng)用 LabVIEW 產(chǎn)生信號傳送到 LabVIEW 數(shù)據(jù)卡 ,然后連接到超聲波發(fā)射器發(fā)出。 在函數(shù)選板上選擇“ Express→輸入”，在該子選板中選擇“仿真信號”函數(shù)，用此 Express VI 來生成所需的仿真信號。 圖 創(chuàng)建 仿真信號的程序框圖 圖 仿真信號生成的前面板 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 22 從圖 可以看到有兩個波形生成，它們是 超聲波接收器將會收到的始波和底波 的波形。 修改輸入 的頻率、相位 值，波形也會發(fā)生相應(yīng)的變化。 理 LabVIEW 中提供了多種濾波器和用來設(shè)計濾波器的函數(shù)節(jié)點和 VI。濾波器包括 Butterworth 濾波器、 Chebyshev 濾波器、橢圓濾波器、貝塞爾濾波器、等紋濾波器等。在這兩個子選板中，濾波器的設(shè)計參數(shù)設(shè)計部分和濾波器的執(zhí)行部分（即將信號通過濾波器）是分開的。 同時， 濾波器的 Express VI 控件提供了多種類型的濾波類型，包括低通、高通、帶通、帶阻、平滑等，可以滿足對仿真信號的一般性濾波要求。本此選用的是帶通濾波