畢業(yè)設(shè)計（論文）基于虛擬儀器的超聲波測厚儀的設(shè)計

1、北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 論文題目: 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀的設(shè)計 院(部)名 稱: 電氣信息工程學(xué)院 學(xué) 生 姓 名: 專 業(yè): 電氣工程及其自動化 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師姓名: 論文提交時間: 2010年5月21日 論文答辯時間: 2010 年5月28日 學(xué)位授予時間: 北方民族大學(xué)教務(wù)處制摘 要由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于長度的測量，如測厚儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波測厚儀，可以對各種板材和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行監(jiān)測，監(jiān)測它們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度。利用超聲波檢測往往比較迅速、

2、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計采用以 labview 為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測厚儀的硬件和軟件設(shè)計方法。應(yīng)用超聲波壓電陶瓷實現(xiàn)了超聲波的發(fā)射與接收和聲信號和電信號的轉(zhuǎn)變；應(yīng)用 labview 軟件技術(shù)完成對探頭接收的信號的處理，實現(xiàn)了超聲波測厚儀的功能。經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)設(shè)計合理、抗干擾能力強、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴展和升級，可以有效地解決各種板材和加工零件精確測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控問題。關(guān)鍵詞：超聲波，測厚，labview abstractas the ul

3、trasonic has strong directional, so its energy consumption is slow, and can spread long distance in the medium, therefore it often used in ultrasonic length measurement, such as thickness and material level measuring instrument can be achieved by ultrasound. ultrasonic thickness gauge can be a varie

4、ty of plates and processing components for accurate measurement of the production equipment also can be a variety of pipes and pressure vessels, monitoring their use after the process of thinning the extent of corrosion. using ultrasonic detection tend to be quick, convenient, simple, easy to contro

5、l, and in real-time measuring precision can reach the requirement of practical industrial, therefore in the research on the mobile robot also widely application.this design used labview with low cost for the core, high precision, miniaturization digital display ultrasonic thickness gauge of hardware

6、 and software design method. application of ultrasonic wave of piezoelectric ceramic realized the emitting and receiving signal harmonic signal and the transformation, application software technology to probe labview received signal processing, realize the ultrasonic thickness gauge function.the exp

7、eriment proved that the system design is reasonable, strong anti-jamming ability, good real-time, expansion and upgrade, so the system can effectively solve all sorts of plank and machining parts, construction site accurate measurement of industrial site monitoring and some problems.keywords: ultras

8、onic, thickness, labview目 錄前言 1第1章超聲波測厚儀的簡介.21.1.超聲波的概述 .21.1.1.超聲波概念 21.1.2.超聲波的特性 21.1.3.超聲波的應(yīng)用 31.2.超聲波測厚儀的應(yīng)用 4第2章系統(tǒng)的總體設(shè)計52.1.系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求.52.1.1.系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù).52.1.2.系統(tǒng)設(shè)計的要求.52.2.系統(tǒng)整體方案的設(shè)計和論證.52.2.1.系統(tǒng)整體方案的設(shè)計.62.2.2. 系統(tǒng)整體方案的論證7第3章超聲波測厚儀測厚原理、方法83.1.超聲波測厚儀測量原理.83.2.超聲波接收裝置.93.2.1.超聲換能器.93.2.2.超聲波換能器測厚原理103

9、.2.3.測厚方法的選擇11第4章系統(tǒng)基于虛擬儀器的設(shè)計134.1.虛擬儀器134.1.1.使用優(yōu)勢134.1.2.主要特點144.2. labview154.2.1.labview的概述.154.2.2. labview的應(yīng)用.154.2.3. labview常用控件164.3.在labview下的設(shè)計204.3.1.信號的生成.204.3.2.波形的處理224.3.3.信號的頻域分析244.3.4.數(shù)據(jù)的處理264.3.5.整體設(shè)計.26第5章總結(jié).30致謝31參考文獻32附錄1：程序框圖.33附錄2：英語原文.34附錄3：中文譯文.44前 言 虛擬儀器(virtual instrumen

10、t,簡稱vi)是儀器技術(shù)與計算機技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它是全新概念的儀器，是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破。它的出現(xiàn)使測量儀器和計算機之間的界線消失，開始了測量儀器的新時代，是儀器領(lǐng)域的一次革命。計算機和儀器結(jié)合方式主要有兩種。一種是將計算機裝入儀器，智能化儀器采用的就是這種結(jié)合方式；另一種方式是將儀器系統(tǒng)裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器的功能，常說的虛擬儀器就是這種方式。美國國家儀器(ni）公司開發(fā)的labview軟件就是目前實現(xiàn)虛擬儀器最流行的設(shè)計工具軟件之一。傳統(tǒng)的超聲波測厚儀由于硬件的束縛，測厚儀存在成本高、軟件升級困難、設(shè)計復(fù)雜等不足，為了克服這些缺點，本論文利

11、用了計算機與虛擬儀器軟件labview相結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計一臺虛擬超聲波測厚儀。虛擬超聲波測厚儀具有數(shù)字式測厚儀的一切優(yōu)點，同時由于其充分利用了計算機的軟硬件資源，因而具有能夠?qū)?shù)據(jù)進行一些傳統(tǒng)儀器難以實現(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、對波形的實時存取等。目前國內(nèi)生產(chǎn)的超聲波測厚儀主要是以微處理器為核心，以大規(guī)模集成芯片為外圍電路，其中以tt，cl系列的使用最為廣泛。超聲波測厚儀一方面可以對各種板材和加工零件作精確測量，另一重要方面是可以對生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進行監(jiān)測，監(jiān)測它們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度。因此超聲波測厚儀廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造船、航

12、空、航天等各個領(lǐng)域。本論文基于虛擬儀器的超聲波測厚儀的設(shè)計運用labview軟件設(shè)計的測厚儀，除測厚外，還可用于聲速的測量。只要能傳播超聲波（頻率高于20khz的聲波）的工程材料（如金屬、材料、玻璃等）都可以進行測量，方法簡單，同時測量的結(jié)果清晰明了。 第1章 超聲波測厚儀的簡介1.1. 超聲波的概述1.1.1.超聲波的概念超聲波是聲音的類別之一，屬于機械波。聲波是指人耳能感受到的一種縱波，它是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式，其頻率范圍16hz-20khz。當(dāng)聲波的頻率低于16hz時稱為次聲波，高于20khz則被叫做超聲波。超聲波和可聞聲波本質(zhì)上是一樣的，它們的共同點都屬于一種機械振動，

13、通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲波頻率高，波長短。超聲波有兩大特點。一是波長短，具有良好的定向性，可作近似直線的傳播，擁有良好的反射性能，并且在固體和液體內(nèi)的衰減比電磁波?。欢枪β蚀?，能量集中，攜帶的能量比一般的聲波大得多，可形成高強度、劇烈的振動，產(chǎn)生機械、光、熱、電、化學(xué)和生物等各種效應(yīng)。由于這兩大特點，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。1.1.2.超聲波的特性1超聲波具有許多優(yōu)秀的特性：傳播特性超聲波由于波長很短，而通常被測物的厚度要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，但這保障了超聲波在均勻介質(zhì)中定向直

14、線的傳播。超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性當(dāng)聲音在空氣中傳播時，聲波能推動空氣中的分子往復(fù)振動而對分子做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是很大的?？栈饔卯?dāng)超聲波在液體中傳播時，由于液體分子受到超聲波的作用而劇烈振動，此時液體內(nèi)部將會產(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)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的碰撞，會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

15、速溶質(zhì)的溶解和化學(xué)反應(yīng)。1.1.3.超聲波的應(yīng)用1在全球，超聲波廣泛運用于診斷學(xué)、治療學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。超聲波治療學(xué)的運用有賽福瑞家用超聲治療機；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。超聲檢驗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

16、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。超聲處理利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學(xué)反應(yīng)和進行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛的應(yīng)用?；A(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過程，并在宏觀上表現(xiàn)

17、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，此時必須把固體當(dāng)作是具有空間周期性的點陣結(jié)構(gòu)。點陣振動的能量是量子化的,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。1.2.超聲波測厚儀的應(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)自動化

18、、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。隨著計算機的軟、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材料分界面時，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，既快又準確，無污染。在實

19、際工作中，常常在只許可一個側(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、機械、化工、電力、原子能等各工業(yè)部門的產(chǎn)品檢驗對設(shè)備安全運行及現(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、超聲波物位計、超聲波拋光、超聲波清洗機、超聲馬達等等。超聲波技術(shù)將在各行各業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1.系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求2.1.1.系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)設(shè)計虛擬超聲波測厚儀的硬件需要選擇合適的超聲

20、波傳感器，進行超聲波信號的傳遞與接收。軟件部分則通過labview軟件實現(xiàn)對超聲波傳感器接收信號的處理，并對結(jié)果進行數(shù)據(jù)化顯示，清楚明了。主要技術(shù)指標如下：（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?。╡）信號處理（f）結(jié)果顯示。2.1.2.系統(tǒng)設(shè)計的要求虛擬測厚儀具有數(shù)字式測厚儀的一切優(yōu)點，同時由于其充分利用了計算機的軟硬件資源，因而具有能夠?qū)?shù)據(jù)進行一些傳統(tǒng)儀器難以實現(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、對波形的實時存取等。2.2.系統(tǒng)整

21、體方案的設(shè)計和論證2.2.1系統(tǒng)整體方案的設(shè)計由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，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)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到生產(chǎn)自動化的使用要求。 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，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(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)計采用超聲波直探頭與虛擬儀器相結(jié)合，共同實現(xiàn)超聲波測厚儀的功能。高頻信號超聲波發(fā)射器信號

22、濾波頻譜分析超聲波接收器顯示厚度被測物圖2.1 設(shè)計系統(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)射的波進行底波與始波的相位差計算，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頻譜計算峰值頻率，再求倒得到時間值，帶入公式 2-1就可求出被測物的厚度。2.2.2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)超聲波傳播的時間來計算出試樣厚度。實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

23、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行測量。labview設(shè)計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，幅值取默認值1。波形送到fft spectrum mag-phase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，為了計算時間值，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，得到時間值。時間值的二分之一就是超聲波穿過被測物的時間，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

24、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。所以薄物件測量時應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而厚物件的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。 第3章 超聲波測厚儀測厚原理、方法3.1.超聲波測厚儀測量原理2振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在112104hz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于11hz的機械波，稱為次聲波；高于2104hz的機械波，稱為超聲波，超聲波為直線傳播方式，頻率高，反射能力強。其指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而用于距離測量。利用超

25、聲波檢測往往較迅速、方便、計算簡單、易于實時控制，且測量精度能達到工業(yè)實用要求，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。現(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1，2）傳播時，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 3-1式中ir、ie為反射波與入射波的聲強；v1,v2為聲波在兩種介質(zhì)中的傳播速度從可以看出，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。h12發(fā)射探頭接收探頭 圖3.1 測量原理由圖3.1可以看出，將被測物置于與它密度完全

26、不同的介質(zhì)上，此時，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)射到接受的這段時間間隔，即回波時間t，就可以算出被測物的厚度h。 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。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3.1 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32403.2超聲波接收裝置

27、3.2.1.超聲換能器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。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際上是利用壓電晶體的諧振工作。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有2個壓電晶片和1個共振板。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，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫

28、壓電品片振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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，發(fā)生反射、折射及波型轉(zhuǎn)換。3.2.2.超聲波換能器測厚原理45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周圍空氣振動來工作的.超聲波發(fā)射器在被測物上方發(fā)射超聲波，在發(fā)射波到達物體表面后會有一部分波反射回來被接收探頭接收，此時開始計時，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

29、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。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，會有一些被衰減的波成為傷波。波始傷波底波圖3.2 探頭接收波形從上圖可以看出，始波和底波之間的時間差t就是超聲波在被測物內(nèi)傳播的時間。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。發(fā)射波接收波從發(fā)射到接收的時間t圖3.3 時差法考慮到現(xiàn)場測量的耐振性，我們選用性能穩(wěn)定的話鈦酸鉛系壓電陶瓷(pzt)探頭。超聲波為直線傳播方式，頻率高，反射能力強。測厚領(lǐng)域的超聲波頻率根據(jù)被測物不同而不同。因而設(shè)計時，超聲波換能器的工作

30、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。3.2.3測厚方法的選擇由2.2.1可知探頭根據(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。本設(shè)計采用的是直探頭。應(yīng)以直探頭測厚的主要方法有：標度直讀法測厚標度校正后，由式可知，讀取底波顯示的標度值就可算得工件厚度。標度直讀法只適用于較大深度的測定。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。水浸法如果被測物很薄，由于超聲波在靠近探頭的近場區(qū)除主波束外還有許多方向分散的副渡束，波束的干擾使得難于測量工件厚度。用水浸

31、法可克服這個困難。測厚時將被測物置于水槽內(nèi)，用水浸探頭在被測物表面適當(dāng)距離處進行探傷，水浸法所用水應(yīng)純凈，探頭表面不能有氣泡。工件厚度的計算法與標度直讀法相同。多次回波法超聲波脈沖在被測物平行的上、下表面來回反射，聲能不斷減少。這時在示波屏上顯示出一系列高度依次降低的回波。兩個相鄰回波標度差對應(yīng)的距離就是工件厚度d。如果測厚標度校正后，n次回波相當(dāng)?shù)纳疃葹閟。則被測物厚度為：h=s/d。分割式探頭法主要用于測量非常薄(小于2ram)物體的厚度。由于本論文選擇的被測物表面光滑，上、下表面平行，材料均勻。所以采用標度直讀法。第4章 系統(tǒng)基于虛擬儀器的設(shè)計4.1.虛擬儀器虛擬儀器（virtual i

32、nstrumention）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。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4.1.1.使用優(yōu)勢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。靈活

33、高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。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、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。.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，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)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。.擴展性強ni的軟硬件

34、工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于ni軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，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您的整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。.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、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。ni設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕松地配置創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。.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。隨著產(chǎn)品在功能上不斷

35、地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。ni的虛擬儀器軟件平臺為所有的i/o設(shè)備提供了標準的接口，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。4.1.2.主要特點盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。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。因此，根據(jù)自己的需要自行研究和開發(fā)虛擬儀器顯得尤為重

36、要。利用計算機的強大功能采用labview8.2圖形編程語言，設(shè)計了一種方便使用的相位差計。該儀器的主要特點如下：采用了labview作為開發(fā)平臺，軟件編程方便、簡潔、效率高；利用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)可測量兩個同頻信號的相位差；在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，通過改變軟件的設(shè)計，可以實現(xiàn)別的儀器的功能。如虛擬函數(shù)發(fā)生器、虛擬示波器等。相信隨著計算機技術(shù)和測控技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器將成為未來教學(xué)科研的重要方法和手段，將取代傳統(tǒng)一起成為測量儀器的主流。4.2. labview4.2.1. labview的概述labview 是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（laboratory virtual instrument en

37、gineering workbench）的簡稱。是美國國家儀器公司（national instruments, ni）的軟件產(chǎn)品。也是目前應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。labview 結(jié)合了簡單易懂的圖形開發(fā)環(huán)境與靈活強的g編程語言，提供了一個非常直觀的編程環(huán)境：有專為大型應(yīng)用開發(fā)、集體開發(fā)及應(yīng)用配置設(shè)計的附加開發(fā)工具。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。labview 不僅是一種編程語言，還是一種用于測量和自動化的特定應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，一種用來快速設(shè)計工業(yè)原型和應(yīng)用程序的高度交互式的開發(fā)環(huán)境。同時，labview 還實現(xiàn)了對fp

38、ga等硬件的支持，實際上也是一種硬件設(shè)計工具。測量和自動化程序在處理和通用程序一樣的問題（如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法、文件i/o、網(wǎng)絡(luò)i/o、用戶i/o和數(shù)據(jù)庫存取、打印等）的同時，還要處理額外的問題（如物理i/o、實時性約束和硬件配置等）。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和擴展，時期在兩個方面體現(xiàn)出強大的功能。4.2.2. labview的應(yīng)用7 labview 的優(yōu)點，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。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lab

39、view解決研究和工作中出現(xiàn)的各種應(yīng)用課題。 應(yīng)用于自動化測試和測量平臺 近30 年來，ni公司革新了測量領(lǐng)域中工程師要年年進行測試和測量的方式。利用pc和虛擬儀器技術(shù)，通過labview 的集成軟件包和pxi、pci、usb、ethernet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。測試和測量中的應(yīng)用通常有生產(chǎn)測試、驗證測試、機械測試、實時可靠性測試、便攜式場地測試、射頻rf和通信測試、機臺測試、圖像采集和數(shù)據(jù)采集等。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、振動監(jiān)控、控制及其視覺之類的高級處理應(yīng)

40、用，以及與工業(yè)硬件（如opc設(shè)備和plc）的通信。另外，可以將labview 中的可編程自動控制器集成于其他測控系統(tǒng)中，從而達到附加的測量和控制功能。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。將labview 和測量工具集成于附加的設(shè)計和仿真工具中，在設(shè)計過程中就可以將真實的測試工具與仿真模型進行比較，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷、減少重復(fù)設(shè)計、提高產(chǎn)品質(zhì)量。應(yīng)用于院校實驗室labview 在測控領(lǐng)域掀起革新的同時，也增強和提高了院校實驗室的研究。在實驗室中，labview 將復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集工作變得簡便，便于研究人員集中精力和時間用于實驗操作、

41、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)，而不是將大量時間用于搭建實驗室設(shè)備。4.2.3. labview常用控件8數(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作為虛擬儀器程序設(shè)計軟件，提供了對多種數(shù)據(jù)類型的支持。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。數(shù)字類型的前面板對象包含在控制模板numeric子模板中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型分為變量和常量兩種，在某種意義上，labview的數(shù)據(jù)也可以這么分，numeric子模板中的前面板對象就相當(dāng)于傳統(tǒng)編程語言

42、中的數(shù)字變量。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。 簇一個簇中可以包含多種數(shù)據(jù)類型的元素，她包括簡單數(shù)據(jù)類型和復(fù)合數(shù)據(jù)類型。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。另外，在程序運行過程中，數(shù)組的長度可以自由改變，而簇的元素個數(shù)是固定的。.簇的創(chuàng)建在前面板上放置一個簇殼就創(chuàng)建了一個簇。然后你可以將前面板上的任何對象放在簇中。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

43、簇中的對象必須全部是control，或全是indicator，不能在同一個簇中組合control與indicator，因為簇本身的屬性必須是其中之一。一個簇將是control或indicator，取決于其內(nèi)的第一個對象的狀態(tài)。如果需要可以使用工具重置簇的大小。如果你要求簇嚴格地符合簇內(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.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?？梢酝ㄟ^把控制或顯示對象捆綁成一個簇，僅使用一個端子實現(xiàn)功能。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。可以用位置工具拖曳其圖標的右下角以增加輸入端子的個數(shù)。最終簇的序

44、是取決于被捆綁的輸入的順序。分解簇功能是將簇分解為若干分離的元件。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提供了多種圖形化的程序結(jié)構(gòu)用來控制設(shè)計流程。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。循環(huán)結(jié)構(gòu)for循環(huán)是labview最基本的循環(huán)結(jié)構(gòu)之一，它執(zhí)行指定次數(shù)的循環(huán)，相當(dāng)于語言中的for循環(huán)：for (i=0; in; i+ ) labview中的for循環(huán)可從框圖功能模板子模板中創(chuàng)建。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。其重復(fù)端口相當(dāng)于c語言for中的i，初始值為0，每次循環(huán)遞增步長為1。而且，重復(fù)端口的初始

45、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)進行一定的數(shù)據(jù)運算，也可用到移位寄存器來實現(xiàn)。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)。 switch(表達式)case 常量表達式1：語句1； case 常量表達式2：語句2； case 常量表達式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)每次只能顯示一個子程序框圖，并且每次只執(zhí)行一個條件分支。條件結(jié)構(gòu)框由條件

46、選擇器標簽、選擇器接線端和分支子程序框組成。順序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)包含一個或多個按順序執(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。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 程序設(shè)計語言除了識別自身語言規(guī)范的一些標識、信息外，還需要和外界交換信息。字符串和文件操作時labview與外界通信的重要方式。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。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。字符串是ascii字符的集合，包括可顯

47、示的字符和不可顯示的字符。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。labview中常用的字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有字符串。字符串?dāng)?shù)組等：在前面板中，字符串以文本輸入框、標簽和表格等形式出現(xiàn)。文件i/o操作時與文件交換數(shù)據(jù)的重要途徑，文件操作包括打開和關(guān)閉文件操作。文件的讀操作、文件的寫操作和文件管理操作。文件操作中分為不同的文件格式，包括文本文件、二進制文件、電子表格文件、數(shù)據(jù)記錄文件和測量文件。文件管理包括對文件、文件夾及其路徑的操作。波形的顯示 labview是以模擬真實儀器操作面板提供了強在的交互式界面設(shè)計功能。傳統(tǒng)的儀器儀表中，除了最簡

48、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。一幅精心設(shè)計的畫面為用戶提供的信息量，遠遠超過完全由數(shù)字或文字組成的報告。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。按照處理測量數(shù)據(jù)的方式和顯示過程的不同，labview波形顯示控件主要分為兩大類，一類為事后記錄圖（graph）,另一類為實時趨勢圖（chart），這兩類控件都是用來對波形或圖形進行顯示的，它們的區(qū)別在于兩面三刀者的數(shù)據(jù)組織方式及波形刷新方式不同。結(jié)于事后記錄圖graph方式來

49、說，它的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為數(shù)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。它的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)標量，也可以是數(shù)組。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.4.3.在labview下的設(shè)計4.3.1.信號的生成數(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

50、。信號分析是通過研究信號的描述、運算、特性以及信號發(fā)生一些變化時其特性相應(yīng)的變化，來揭示自身的時域特性、頻域特性等。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。用labview程序進行信號的發(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。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。但設(shè)計較為復(fù)雜，本

51、論文選用用軟件產(chǎn)生具有一定相位差的波形信號。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。由于超聲波接收器將會收到的始波和底波的時間不一樣，存在一定的相位差，因而使用兩個仿真信號控件產(chǎn)生兩個波形，他們的參數(shù)：頻率和信號類型的相應(yīng)參數(shù)是一樣的；相位則分別設(shè)定，幅值取默認值1。圖 4.3.1 創(chuàng)建仿真信號的程序框圖圖4.3.2 仿真信號生成的前面板從圖4.3.1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。由于接收的時間不一樣，所以存在一定的相位差，但其中頻率是一樣的。修改輸入的頻率、相位值，波形也會發(fā)生相應(yīng)的變化。 在仿真信號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)值可以自動調(diào)節(jié)。4.3.2.波形的處理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。濾波器接節(jié)點位于函數(shù)選板的“信號處理濾波器” 數(shù)字濾波器節(jié)點可以將輸入信號直接經(jīng)過濾波器處理，也可以計算濾波器系數(shù)來設(shè)計濾波器。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。濾波器選板中還包括高級iir濾波器和高級fir濾波器兩個子選板。在這兩個子選板中，濾波器的設(shè)計參數(shù)設(shè)