超声波是一种频率大干两万赫兹的机械波，可以在除真空以外的任何介质中以不同的速度传播。这种波在传播过程中，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减小、反射能力较强能特点。超声波传感器广泛用于各种非接触式、非破坏性的测量过程中。它不受光线、电磁等影响，对恶劣的环境具有一定的适应能力“。因此，在机械制造、电子冶金、航海，宇航、石油化工、交通等工业领域都有广泛的应用。本文主要介绍一种高精度的超声波厚度测量仪。
脉冲反射式超声波测厚仪的实现原理，见图1。超声波进入被测材料后，在测料的A、B面之间来回反射形成振荡。在材料对超声波的吸收和超声波波散射等作用下，超声波产生衰减直至为零。如果能测量出超声波在材料中往返一次的传播时间，在速度已知的情况下，根据公式(1)，就不难求得被测材料的厚度［2]。
式中：
v一超声波在被测材料中的传播速度；
T一超声波在被测材料中往返一次的时间；
D一被测材料的厚度。
2系统构成
超声波厚度测量仪系统构成，见图2。图中超声波发生器在单片机产生的方波脉冲的激励下产生高压区尖峰脉冲信号。脉冲信号驱动超声波换能器(中心频率为5兆赫兹)发出超声波。同时，方波脉冲信号经同步电路启动计数器开始计数。超声波换能器收到超声波回波后，经过信号转换送入到信号处理电路。处理后的信号停止计数器计数。单片机读取计数器的计数值。经过公式计算，得到被测材料的厚度。最后，厚度值送入到显示电路显示。测量速度值是由键盘输入到单片机里。
2．1脉冲发生器
脉冲发生器产生能激励超声波换能器的高压(300伏以上)尖峰脉冲信号。脉冲发生器的输入信号(方波脉冲)由单片机产生”1。本方案采用的是非谐振式发射电路[3]见图3。
非谐振式发射电路的工作原理是：当闸流管(或可控硅)导通时，电容c放电，产生一短脉冲，激励探头中的压电陶瓷晶片使其发射超声脉冲。
在设计中，需要考虑脉冲信譬的厚度，即一次连续发射脉冲的数量，对测量仪的测量精度有着重要的影响。厚度愈大，发射功率愈大，发射波的拖尾信号愈大，相应得测量盲区愈大。反之，测量盲区愈小。但是，发射功率小时，回波信号不很明显。同样会影响到测量结果[4]。
2．2同步电路
同步电路本质是计数器的始能信号产生电路。超声波换能器在发射超声波时，会产生余震波或对换能器产生串行干扰5】。这些干扰很可能淹没换能器收到的第一次回波信号，从而影响测量结果。同步电路会屏蔽掉这段干扰。在第二次回波信号到来时，开启计数器计数。第三次回波信号到来时，计数器停止计数。
2．3计数器
计数嚣能准确地i记录两次回波信号的时间间隔，见图4。在高频脉冲频率已知的情况下，根据公式(2)，不难求出超声波在被测材料中传播所需时间。
式中：T——超声波在材料巾的传播时间
12一一计数器的计数值l
f——高频脉冲频率；
v——超声波在材料中的传播速度
2．4信号处理电路
一般来说，超声波换能器输出的回波信号为1毫伏～1伏的交变信号[3]。所以，信号处理电路不仅要提供上百分贝的信号增益，同时还要对信号进行滤波检波处理。鉴于篇幅有限，在此只给出检波电路的参考模型[5],见图五。
检波电路也要满足一定的频率特性。检波电路的下限频率提高，检波后的波形宽度变窄，分辨率提高。但是，下限频率过高，回波波峰不明显，不利于最后的处理。
2．5超声波波速的测量
超声波受环境温度的影响较大。如每升高l℃，超声波速度升高0．6m／s[5]。在测量精度要求高的情况下，必须获得较准确的超声波声速或采取合适的方法对声速进行修正。在本方案中，采用实测的方法获得超声波速度。在实际使用中，根据标准试件可以测得在当时环境下，超声波在材料中的传播速度。测量原理是，在被测材料厚度已知的情况下，根据公式(1)就可以得到超声波的声速。
3结束语
本方案利用超声波测量材料厚度。测量结果由四位LED显示输出。测量精度为0．03mm，分辨率0．01mm，测量误差±0．02mm。
在本方案中，部分数字电路由一块CPLD(复杂可编程逻辑器件)完成。所以，系统结构简单、体积小、成本低、系统可靠等特点[6】。
参考文献
【1】胡萍．超声波测距仪的研靠lJ[j】．计算机与现代化，2003，98(10)：54～56
[2]马忠梅，等．单片机的C语言应用程序设计【M】．北京：北京航空航天大学出版社，2001
【3】Ⅸ超声渡探伤》编写组．超声波探例[M】．北京：电力工业出版社，1980
【4]马志民，等．一种自动抑制超声测量盲区的方法【J]声学术，2005，24(1)：55～57
[5】江缉光．电路原理(上册)【M】．北京：清华大学出版社，1999
[6】Thomas&Moorby’s．硬件描述语言[MI．刘明业，等译．北京：清华大学出版社，2001
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