基于超声波的管道测厚行走装置的设计

                  李庚 ，王军民，吕志杰，李方旭，晏宇  唐银海

           (长江大学 地球物理与石油资源学院,湖北武汉 430100)

摘要：测厚一直是许多工业方向的问题，设计一种简便、精确的测厚行走装置对于管道测厚来说意义重大。本设计主要利用Arduino软硬件开发平台，通过上位机对装置实现前进、后退及其它元件的操作，将测得数据通过无限通信模块进行传输，并将测得的数据以txt的文本格式存储在SD卡上。该装置可以在恶劣的环境下代替人进行测厚工作，具有一定的应用前景。                                                                                                          

关键词： Arduino 上位机 无线传输 测厚  

 

1 引言

近几年来由于无损检测技术的不断发展使得超声高频反射技术已经引起了各行各业的广泛关注。因为超声波能够穿透非常多的部件，所以可以运用超声波检测技术让这些部件内部构造的特征轻易呈现。超声检测技术其实就是把无形的东西转换成可以识别的图形，进而使部件内部的结构特征信息能够让人们通过图形观察出来^[[1]^]。

传统的超声波测厚仪应用广泛，例如石油化工业、电站、汽车制造、机械制造业，可以测量船壳、甲板、锅炉、管道、储油罐、轨道^[[2]] 。目前，大部分的行业中常见的测量仪器采用的是手持操作进行测量，在使用过程中缺乏良好的人机交互界面，操作起来繁琐，显示方式单一，并且不具备通信功能，存储方面会受到很大的限制，而且会受到天气和其它因素的影响，随机科技的不断发展，各种通过上位机对行走装置进行控制的设备的出现，与传统的测厚仪器相比，加入一些显示，控制与模式选择功能，会丰富很多功能。

    本文主要对传统的手持测厚仪的方法进行改进，设计了一种基于Arduino单片机的管道测厚行走装置。该设计主要以Arduino单片机为控制核心，同时以串口HMI作为作为上位机，并配备无线通信模块，在使用的过程中可以通过上位机对行走装置进行监测和控制，该装置具有操作便捷，稳定性好等特点。

二 系统设计

2.1 主要框图

系统结构框架(图1),如图所示该设计主要由以上几部分组成。直流稳压电源主要是给驱动装置、测厚仪、无线模块、Arduino控制芯片供电。工作原理是操作命令由上位机给出，通过无线模块将其命令传递给Arduino控制芯片, Arduino通过控制指令使行走装置实现各种位移功能，同时通过命令使测厚仪装置将测出的数据也通过无线模块传递给Arduino控制芯片，最后通过命令将其保存在SD卡上。

           

                               图1结构图

三 硬件部分

3.1 Arduino

Arduino开发板(图2)是一款开源的单片机开发平台，是基于Lunix内核来实现的。主要由一块AVR单片机、一个晶振和一个5V直流电源、外加各类接口就构成了整个开发板^[[3]]。开发板与计算机进行程序进行交互是通过USB数据接口来实现的，在官方IDE中编写程序代码后，进行修改无错误后，将程序通过USB接口上传到Arduino开发板，开发板上的单片机进行程序的执行与数据的处理。

      图2

3.2 驱动装置

      

                               图3

如图3所示，Arduino来实现对行走驱动装置的控制，而行走装置主要依靠L298N电机驱动以及mos管来实现

行走装置如(图4)所示，主体是一个凸出可以自由伸缩的细管，在管的顶端和该主体的尾端各自接上圆弧形的磁铁，使其完全贴合要测管道的内壁，该行走装置主要通过L298N与大功率MOS管实现位移以及停止的操作。

                    图4

L298N(如图5)内置的两组H桥用来维持电机两端电压始终处于高低电平之间，该模块的两种供电模式不仅可以供电给开发板外还可以驱动和控制两路电机，当使能端ENA,ENB处于高电平状态时，通过组合不同的N1、N2状态控制电机的不同的运动状态从而使行走装置进行位移操作^[[4]]。

图5 L298N         图6 MOS管

    功率MOS管一般采用N沟道增强型垂直式结构，在漏极区都有一个n-的漂移区，n-的漂移区的掺杂浓度比p基极区小，所以当正电压加上漏极上时，漏极P基极被方向偏压，大部分的耗尽区宽度将跨过n-的漂移区。因为在偏移区内形成电流的电子全部是多子，所以在高阻的n-区不会出现两种载流子的泛滥。因此，功率MOS管是一个单极型元件^[[5]]。

如图(6所示)，该设计采用的MOS管模块如上图所示，该MOS管的工作电压DC5V—36V,触发信号源是数字量高低电平(DC3.3V—20V),可以接单片机IO口，PLC接口，直流电源等，可以接PWM信号，信号频率0—20KHz完美支持；该模块的输出能力是直流DC5V—36V,常温下持续电流15A,功率400W,在辅助扇热的条件下,最大电流可达30A;主要的应用在输出端可以控制大功率的设备上,比如电机、灯泡、LED灯带、直流马达、控制电机转速等。

3.3无线模块

数据无线传输模块使用的是一款基于100mW的无线数传，工作在2.4~2.518GHz频段，使用串口进行数据收发，降低无线应用的门槛；其功率密度集中，传输距离远、高速率、全双工，可以双向同时通信，支持文件传输；TTL电平输出，兼容3.3V与5V的IO口电压^[[6]]。

该模块的典型特点是高速传输，在多种波特率下，可以达到全双工特性(双向同时收发)，不限包长，支持不间断传输，支持文件传输。

该模块有四种工作模式，由引脚M0、M1设置。

3.4 测厚仪部分

主要用到日常生活中超声波测厚仪，超声波测厚仪的测厚原理(如图7)就是超声波会通过超声波探头发射出去，在测量时将探头与被测物体贴合，在进行测厚时超声波探头会有发射波出去，由于超声波与光波类似，会有反射的特性，会有一部分的超声波会反射回来，可以计算超声波探头发射波到反射波的时间差同时由于超声波在不同的介质中的传播速度是已知的，这样就可以计算出被测物体的厚度^[[7]]。

            图7  测厚原理图

根据超声波在不同的介质中的传播速度的不同，同时获得反射波与发射波的时间差，就可以得出厚度的计算公式：

                        H=V*T                               (1-1)

式中的H表示最终计算的厚度值，V表示超声波不同介质中的速度，T表示两次的时间差。

3.5 SD储存卡

    主要对进行测量的数据以txt 的格式进行保存。

  

四 软件设计

软件部分采用模块化设计，主要分为主程序、无线数据传输程序、小车运动控制程序，程序流程图所示。该流程的主要目的是当某一功能的程序设计好就将其导入到Arduino开发板，导入后看功能是否实现功能正常，若能正常执行就进行下一步程序。若不能正常实现功能，则对该部分程序进行调试，当所有模块的功能测试完成后，将其完整的程序导入Arduino，设计的上位机如图所示。

上位机的界面主要由USART HMI来实现的，HMI是Human Machine Interface的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。上位机的界面主要由USART HMI来实现的^[[8]]。HMI在日常的生活中十分常见，它的主要特性可以通过软件配置把I/O配置成输入状态或输出状态，同时支持四种不同的通讯接口(TTL,RS232,RS485,CAN),支持的接触类型有电容触屏与电阻触屏，在通电进入工作状态无需人格初始设置，提供用户时间存储空间，可以通过窗口的指令调整背光。如图所示，为了实现装置的行走及数据传输的功能等，该上位机的设计的功能主要有行走的控制，前进距离的显示，校准，停止，复位，保存数据等功能 。

            图8 上位机

五 总结

   本设计只是对传统的手持测厚方案进行了改进，主要运用了Arduino与无线模块使测得的数据可以无线传输，同时可以通过上位机对装置进行命令操作,从而完成测厚的操作，操作方便且便于携带。