超聲波檢測(cè)，也叫超聲檢測(cè)，是利用超聲波技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)工作的，是五種常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法的一種。無(wú)損檢測(cè)是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，對(duì)被檢驗(yàn)部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種檢測(cè)手段，Nondestructive Testing。當(dāng)今國(guó)內(nèi)有關(guān)的超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為JB/T4730.3，GB/T11345-1989，CB/T3559-2011等，JB/T4730.3為一個(gè)比較綜合性的標(biāo)準(zhǔn)，而后面兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為焊縫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，還有其它的的鋼板，鑄鍛件等檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，使用者可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的查詢。
由于超聲波檢測(cè)一般采用LM1812，雖效果較好，但價(jià)格較貴，且要用到電感等易引入干擾的元件。用作測(cè)距的聲波其波長(zhǎng)一般在40kHz左右，正好落在LM567可捕捉的范圍內(nèi)，因此完全可用它作為超聲波檢測(cè)集成電路。下面將介紹基于LM567的超聲波檢測(cè)設(shè)計(jì)。
1.LM567內(nèi)部功能
LM567是一種常見(jiàn)的低價(jià)解碼集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。LM567內(nèi)部包含了兩個(gè)鑒相器、放大器、電壓控制振蕩器VCO等單元。其典型的應(yīng)用電路如圖2所示。鎖相環(huán)路輸出信號(hào)由電壓控制振蕩器VCO產(chǎn)生，電壓控制振蕩器的自由振蕩頻率(即無(wú)外加控制電壓時(shí)的振蕩頻率)與腳5、6外接定時(shí)元件R1C1的關(guān)系式為：f0≈1/1.1R1C1。
選用適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)元件，可使LM567的振蕩頻率在0.01Hz～500kHz內(nèi)連續(xù)變化。腳1、2外接濾波電容C2、C3。LM567一般作為鎖相環(huán)路解碼器，即當(dāng)從腳3輸入的信號(hào)的頻率在f0附近的帶寬BW范圍內(nèi)時(shí)信號(hào)被捕捉到，從輸出腳8輸出低電平(未捕捉時(shí)為高電平)。帶寬BW可由下式計(jì)算：
式中，ui為輸入信號(hào)的有效值(rms)，ui《200mV。C2為濾波電容(單位為iF)，調(diào)節(jié)它可調(diào)節(jié)帶寬。
圖1 LM567內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
圖2 典型應(yīng)用電路
實(shí)際上，由上式計(jì)算得出的并不是環(huán)路帶寬BW的實(shí)際值，而是環(huán)路帶寬BW與環(huán)路中心頻率f0的百分比，其值再乘上100%才是鎖相環(huán)路的實(shí)際捕獲帶寬。對(duì)輸入信號(hào)的要求是ui》20mV，上式是圖3所示。可見(jiàn)ui》200mV時(shí)帶寬僅由f0與C2的積決定。
圖3 帶寬與輸入電壓及C2的關(guān)系
2.基于LM567的超聲波檢測(cè)
圖4是超聲波測(cè)距電路。單片機(jī)從P1.7發(fā)出約40kHz的方波，經(jīng)三極管T后從超聲波發(fā)射頭發(fā)出超聲波，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器開(kāi)始定時(shí);超聲波碰到液面后反射回來(lái)被接收頭接收;經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)放A1、A2放大后送到LM567的輸入端(腳3);LM567捕捉到超聲波后輸出低電平，此負(fù)跳變可作為中斷輸入引起單片機(jī)中斷，定時(shí)器停止定時(shí)，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間t;單片機(jī)計(jì)算出距離：h1=vt/2，其中v為超聲波在空氣中的波速。
圖4 用LM567檢測(cè)超聲波的測(cè)距電路圖
LM567存在著輸出延時(shí)，LM567的最大輸出延時(shí)與帶寬的關(guān)系如圖5所示，可見(jiàn)最大延時(shí)在27個(gè)以上超聲波周期之間，本設(shè)計(jì)中延時(shí)選定為27個(gè)超聲波周期。延時(shí)并不影響測(cè)量，在測(cè)量程序設(shè)計(jì)時(shí)可將它減去，但要求延時(shí)較固定。由圖3、5可知為使延時(shí)比較固定，就要求有較固定的捕捉帶寬，這就要求運(yùn)放要有足夠大的放大倍數(shù)，以使輸入信號(hào)足夠大。但輸入LM567的信號(hào)又不能太大，否則易引入干擾信號(hào)造成LM567輸出不穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)中運(yùn)放的總放大倍數(shù)小于200;帶寬BW為5%左右。
圖5 輸出延時(shí)與帶寬的關(guān)系
單片機(jī)測(cè)量程序流程如圖6所示。
圖6 程序流程圖
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列，用LM567作超聲波檢測(cè)電路不僅價(jià)格低，而且測(cè)量精度較高。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了解碼集成電路LM567的組成及應(yīng)用電路，并重點(diǎn)介紹了將它用于超聲波檢測(cè)時(shí)對(duì)輸入信號(hào)的要求及外圍元件的要求。給出了以LM567作為檢測(cè)元件的超聲波測(cè)距電路及測(cè)量程序流程圖。
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