内孔偏心检测系统的设计与实现

张俊英，杨　录，李云鹏，张艳花，王元元

(1．中北大学信息与通信工程学院；电子测试技术国家重点实验室，山西太原　030051；2．富士康(太原)科技工业园，山西太原　030032；3．中国矿业大学徐州应用技术学院，江苏徐州　221008)

0　引言

在现代机械工业中，深孔机床加工与一般切削机床加工在操作控制上的最大不同之处在于，深孔加工是在操作者不能凭视觉直接观测的隐蔽条件下进行的。深孔钻头的断屑、排屑、切屑刃的磨损、切屑形态、被加工表面状况以至钻头走向是否正确等，都是决定加工成败、质量、效率及成本的重大影响因素，但这些都无法用肉眼直接觉察。通过实时在线测量其偏心量的变化，可以提高其生产效率，针对应用于工业生产线而言，超声波测厚是运用最为广泛的一种方法。

1　系统原理

1．1超声脉冲反射原理

超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。超声测厚技术从原理上分为谐振式和脉冲反射式2种。系统采用脉冲反射式测厚法，其原理是：超声波进入被测材料后，在测料的上下面之间来回反射形成多次反射波。如果能测量出超声波在材料中往返一次的传播时间Δt，在速度v已知的情况下，根据式(1)，可以求得被测材料的厚度d[1-2]：

d=vΔt/2

(1)

1．2深孔加工工件壁厚确定

为了实时在线检测工件厚度，检测装置采用三通道即3个探头在被测工件上呈120°放置。如图1所示。

图1　工件壁厚检测原理

图1是深孔加工后工件刨面图，R和r分别为工件的外圆半径和内圆半径。在A、B、C点布置3个超声测厚探头，设3点所测厚度值分别为ha、hb、hc，p1(x1，y1)，p2(x2，y2)，p3(x3，y3)分别为A、B、C点声波入射线与以加工出的深孔孔壁交点，点O1为深孔的圆心，也是要确定其坐标位置的点。据探头位置可知θ1=30°，θ2=150°，θ3=270°以及测出的厚度值带入式(2)中：

(2)

可得已加工工件孔壁上3点的值，由于它们是一个圆上的3点，因此可由式(3)求出其圆心O1的坐标值(x，y)，并利用直角坐标与极坐标关系式x=ρcosθ与y=ρsinθ，可知所加工的深孔的圆心O1与基准圆心O的相对偏差，实时监测工件的偏心量来保证工件的合格率。

(x-x1)2+(y-y1)2=r2

(3)

2　系统构成

测偏系统由两大模块组成，即超声发射接收电路部分和单片机部分，超声波发射接收电路部分由系统电源模块、发射接收放大电路、可调增益放大检波电路、门电路等组成。该系统采用脉冲反射式测厚法，探头采用水浸聚焦纵波直探头检测壁厚。发射电路输出一个上升时间很短，脉冲很窄的周期性电脉冲，通过电缆加到探头上，激励压电晶片产生超声波脉冲。探头发出的超声脉冲进入工件后，在工件的上下两表面形成多次反射。反射波经压电晶片再转换成电信号。经接收电路放大后，由时间差提取电路测出声波在工件两个表面之间的传播时间t，从而获得工件的厚度。系统整体原理框图如图2所示。

图2　系统原理图框图

2．1超声信号的产生

超声波的发射电路是在发射窄脉冲控制之下，产生激励超声探头的高压控制信号，从而实现了超声波发射。在实际超声波测厚中，通常将几百伏的高电压窄脉冲信号加到超声探头上，激励超声探头的压电晶片振动，使其发射超声波。系统中采用的是600 V的高压模块，发射电路如图3所示。

图3　超声波发射电路

IRF840是一款N沟道增强型功率场效应管，耐600 V的高压，导通电阻小。整个超声发射电路的工作原理为：在没有发射窄脉冲时，600 V高压通过RG1，RG2对CG1充电，使其两端的电压差达到+600 V左右。发射脉冲到达后，IRF840导通，此时CG1通过IRF840放电，在其导通的瞬间，IRF840的漏极电压比较小，使CG1的电位拉低。由于电容两端的电压不能突变，使得输出端FST1的电位在瞬间约为-600 V，这个负脉冲作用于超声探头，使其产生压电变换，发射超声波。图中RG5是阻尼电阻，它既是在放电电路中调整放电时间和发射脉冲强度，还调整超声脉冲的宽度。该电阻与超声探头并联，改变RG5同时也改变了探头电阻尼大小，即影响检测的分辨力[3]。实际应用中，阻值可以根据发射探头的不同频率进行设置。

2．2回波信号处理电路

在超声波测厚系统中，传感器接收的回波信号的质量主要取决于被测对象的表面形状、传导介质的密度以及距离等。此外，回波信号通常会受到大量信号的干扰，包括外界固有目标的干扰、移动目标的周期和随机干扰、模拟电路本身引入的干扰等。因此，接收电路必须有较强的适应能力和对干扰信号的抑制能力。文中超声波接收电路由低噪声前置放大电路、VCA810可变增益放大电路、检波电路和门控制电路组成。

2．2．1低噪声前置放大电路

低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)在超声测厚接收系统中处于前端位置，其性能指标的好坏对接收电路整体性能有很大影响。式(4)为表示级联放大系统噪声系数的弗里斯公式[4]：

(4)

式中：F1，F2，……，Fn为各级放大电路的噪声系数；G1，G2，……，Gn-1为各级放大电路的增益。

图4为系统的同相和反相级联前置放大电路。其中DA1、DA2是两个反向二极管起保护作用，防止接收电路过载。通过对可变电阻器WA1来调节其第一级的放大倍数，以便对接收的回波信号适当放大。第二级为一固定放大电路，同时为防止回波信号出现直流偏置，通过调节WA2使回波信号始终在基线轴上。

图4　低噪声前置放大电路

2．2．2可变增益放大电路

如图5所示，可变增益放大电路是采用高增益、低噪声、低畸变、控制范围连续可调的压控放大器VCA810来完成的。采用±5 V供电，具有差分输入单端输出，稳定的增益带宽，低输出直流误差。其工作原理是通过对控制电压Vc的改变实现增益控制，控制电压与增益的关系是G=-40(VC+1)dB．由此可看出，当控制电压Vc从0 V变化到-2 V时，增益从-40 dB线性地变化到+40 dB．系统采用直流耦合方式，为防止出现直流偏置，采用可变电阻器WB1的调节使其接收到的回波信号始终在基线上。

图5　可变增益放大电路

2．2．3检波放大电路

检波放大电路如图6所示。检波电路是由2AP10和RC组成的低通滤波器构成。2AP10具有结电容低，工作频率高和反向电流小等特点，来实现信号的包络检波。其中，低通滤波器的截止频率可根据式(5)来计算：

(5)

式(5)即通过改变RC10和CC3的大小来改变其上限截止频率。在试验中发现，当测量厚度较小时，会使底波信号叠加在始发波内，此时可通过调节CC3的大小来减小始发波的拖尾现象，从而实现高质量的检波以提高厚度变化的时间分辨力。

与电压反馈运算放大器相比，THS3002是高速电流反馈运算放大器，具有高达6 500 V/μs的转换速率，420 MHz的-3 dB的带宽和良好的带内平坦度，在115 MHz时增益仅下降0．1 dB，非常适合于大信号放大。文中检波信号的放大选用该芯片来实现，其动态输出范围可达0～10 V．

图6　检波可调放大电路

2．2．4门电路及整形电路

使用门控制电路去除干扰信号，从而保留有用信号，并将其有用信号送给整形电路，以便准确得到水钢界面波和钢底波信号的时间差。图7为门电路及整形电路。

图7　门电路及整形电路

检波放大后的信号先经过电压跟随器将检波信号与门电路隔离开，以保证其电路的阻抗匹配。将检波输出的信号同时通过2路门电路对回波信号分时提取，检波信号同时经过隔直耦合电容CJ1、CK1进入由三极管输出构成的跟随器，它具有输入阻抗大输出阻抗小的特点，可以减小前级运放的内阻，并提高运放的带负载能力。Q1、Q3的射极输出端分别通过Q2、Q4以及闸门信号MK01、MK02来实现对检波信号的分时段提取。将带有厚度信息的信号JB01、JB02通过LM393的正端与基准电压比较，实现检波信号的整形，从而使其与信号幅度无关至于时间有关，以便于单片机来计算出被测工件的厚度，其时序关系如图8所示。

图8　时间差提取时序图

2．3时间差提取及壁厚计算

将整形后的水钢界面波和钢底波分别作为单片机C8051F340的中断触发信号INT0和INT1，当INT0中断产生时启动定时器计数、当INT1中断产生时关闭定时器并读取定时器计数值，通过计算可将时间计数值转换为壁厚值。

单片机C8051F340最高可提供48 MHz的计数时基脉冲，计数时差为0．021 μs，则壁厚测量误差为0．126 mm，可达到高精度测试要求。

3　测试结果与分析

使用工作频率为5 MHz的探头，检测一个长1 200 mm，外径Φ60 mm，内径Φ14 mm有偏斜的深孔件壁厚，在其上取10组点检测，测试结果如表1所示。

表1　厚度检测结果

从试件测试结果和该试件的两个端口的实测可以看出，偏斜趋势和系统测量值所表现的相吻合，在试件的两个端面的实测值与系统测量值的误差在±0．2 mm内。以上测试结果证明，系统能够对深孔加工工件壁厚及偏心进行实时在线测量。

4　结论

在深入研究脉冲超声测厚技术国内外现状的基础上，设计了一种基于高速单片机C8051F340的三通道超声测偏仪。主要采用高稳定超声产生与接收电路，以硬件电路的形式来建立厚度时差关系，在保证精度的前提下系统实现相对简单，成本较低。该系统可作为独立设备对深孔工件偏心在线实时监测，如发现偏心量超出阈值可以立即停车，并可以通过对刀具或者辅助工具的调整修正刀具的加工进给路线，从而可以避免被加工工件的报废，降低废品率，可以有效节约资源。也可以作为自动加工设备的辅助检测机构为其提供进给依据，从而实现无人为干预的全自动高精度深孔加工成套设备。其应用前景更为可观。

参考文献：

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[4]耿云辉．一种大动态范围AGC电路的设计与实现．微处理机，2012(3)：20-23．

[5]李勇峰．大量程、高精度超声测距仪设计．仪表技术与传感器，2013(4)：28-31．