CN101458074A - 一种具有传感器自动识别功能的超声测厚仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有传感器自动识别功能的超声测厚仪，用于无损检测领域。所述超声测厚仪包括传感器，测厚仪主机和上位机软件。传感器与测厚仪主机连接。所述测厚仪主机包括：信号发射模块，与所述传感器连接；信号接收模块，与所述传感器连接；信号处理模块，与所述信号发射模块和信号接收模块连接；主处理器，与所述信号处理模块连接；显示和键盘，与所述主处理器连接；存储通信模块，与所述主处理器连接；供电模块，与测厚仪主机内其它所有模块连接。所述上位机软件通过USB连接线与所述测厚仪主机通讯。所述测厚仪主机其特征在于：能自动测试识别传感器的电学和声学性能(电声学性能)，并根据所测得的电声学性能自动匹配传感器与测量电路。

Description

一种具有传感器自动识别功能的超声测厚仪

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别涉及超声测厚仪在被测物体单面测量物体厚度的领域。

背景技术

超声测厚仪广泛使用在冶金、造船、机械、化工、航空，航天，石油，电力、原子能等工业领域，对各种板材厚度、管材壁厚、锅炉容器壁厚等进行厚度测量。目前市场上众多厂商生产的超声测厚仪都不具备测试传感器的电学性能和声学性能(电声学性能)的功能，都只能使用厂商事先指定的传感器和对应超声测厚仪匹配。对超声测厚仪的用户而言，由于不能自由匹配传感器和超声测厚仪，很多超声测厚仪不能使用性能优良的传感器从而导致超声测厚仪的性能大大降低；另一方面很多超声测厚仪由于不能找到指定的可匹配的传感器而被废弃，很多传感器由于不能找到指定的可匹配的超声测厚仪而被废弃。对生产超声测厚仪的厂商而言，由于不能自由匹配传感器和超声测厚仪，众多超声测厚仪生产厂商都必须自己寻找可匹配的传感器甚至研发自己的传感器，大大增加了超声测厚仪的研发和生产成本。

发明内容

本发明的目的是提出一种能自动测试识别传感器的电学性能和声学性能(电声学性能)，并能根据所测得的传感器的电声学性能自动匹配传感器与测量电路(包括传感器自动零点校准)的超声测厚仪。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种超声测厚仪，包括传感器，测厚仪主机和上位机软件，所述传感器与所述测厚仪主机连接，用于向被测物体发送超声波信号和采集由被测物体反射回的声波信号；所述测厚仪主机包括：信号发射模块，与所述传感器连接，用于对所述传感器发送高压触发信号使所述传感器发射超声波信号；信号接收模块，与所述传感器连接，用于对传感器接收到的从被测物体返回的回波信号进行放大，比较并将处理后的信号传递给信号处理模块；信号处理模块，与所述信号发射模块和信号接收模块连接，用于各种信号在主处理器，信号发射模块，信号接收模块之间的传递；主处理器，与所述信号处理模块连接，用于对接收到的所述各种信号进行处理和命令的发送；存储通信模块，与所述主处理器连接，用于数据存储和通过USB连接线与所述上位机软件进行通讯；供电模块，与测厚仪主机内所述其它所有模块连接，用于对所述测厚仪主机内的所有模块提供电源；显示和键盘，与所述主处理器连接，用于显示和键盘输入；所述上位机软件，通过USB连接线与所述测厚仪主机连接，对测厚仪主机上传的数据进行处理。当传感器与测厚仪主机连接后，测厚仪主机首先发射激励脉冲信号给传感器，传感器在激励脉冲信号的激励下产生超声波信号，然后传感器将反射回的超声波信号转化为电信号，最后测厚仪主机采集此电信号并对此电信号进行分析处理后得到传感器的电学性能和声学性能，以此来识别传感器并自动匹配信号接收模块的参数。

所述测厚仪主机自动测试识别传感器的电学和声学性能(电声学性能)后，根据所测得的传感器的电声学性能自动设置信号接收模块中信号放大电路的放大倍数和门限比较器电路中的比较门限，从而实现传感器与测厚仪主机的自动匹配。

上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点：能自动测试识别传感器的电学和声学性能(电声学性能)，并能根据所测得的传感器的电声学性能自动匹配传感器与信号接收电路；可在被测物体单面进行测量并且具备成本低，体积小，重量轻，易于携带，操作简便，功耗低，环保无污染，无需损坏被测物体的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的一种超声测厚仪结构示意图

图2是本发明实施例的另一种超声测厚仪结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例的一种超声测厚仪结构示意图，图2是对图1中的超声测厚仪进行进一步细化的结构示意图，结合图1、图2，本实施例的超声测厚仪包括：传感器，上位机软件和测厚仪主机。测厚仪主机包括：信号发射模块，与传感器连接，用于对传感器发送高压触发信号使传感器对被测物体发射超声波信号；信号接收模块，与传感器连接，用于对传感器接收到的从被测物体返回的回波信号进行限幅，放大，比较并将处理后的信号传递给信号处理模块；信号处理模块，与信号发射模块和信号接收模块连接，用于各种信号在主处理器，信号发射模块，信号接收模块之间的传递；主处理器，与信号处理模块连接，用于对接收到的所述各种信号进行处理和命令的发送；存储通信模块，与主处理器连接，用于数据存储和通过USB连接线与上位机软件进行通讯；显示和键盘，与主处理器连接，用于显示超声测厚仪的各种信息和将用户的各种设置传递给主处理器；供电模块，与测厚仪主机内其它所有模块连接，用于对测厚仪主机内的所有模块提供电源。

下面对本实施例的超声测厚仪的各部分进行详细描述。

传感器(也称为探头)是用来使电压信号和声波信号之间相互转换的元件，由敏感元件和转换电路组成。在实际应用过程中由测厚仪主机发出负高压激励脉冲给传感器，传感器在激励脉冲的作用下发出超声波信号，此超声波信号经过被测物体另一面的反射后被传感器接收到，传感器将接收到的回波信号转换为电信号后发送给测厚仪主机。

传感器是超声测厚仪的重要组成部分。如果传感器在激励信号的作用下不能够正常发射超声波信号或者无法正常接收经被测物体另一面反射回来的回波信号，那么将直接影响到测量的准确性。同时如果选择不恰当的传感器(例如用高频传感器测量厚度超过传感器测量范围的物体)，由传感器发出的超声信号无法到达被测物体的另一面，那么将无法精确测量物体的厚度或者根本无法测量物体的厚度。

信号接收模块包括限幅电路，信号放大电路和门限比较器。

由于一般模拟和数字电路的供电电源的绝对值都在12V以下，也就是他们的工作电压绝对值要保持在12V以下。然而由于传感器的工作需要，信号发射模块必须发出高达-120V的高压负脉冲激励信号，因此如果作用在传感器敏感元件上的高压信号通过某种途径直接作用在测厚仪主机的信号接收模块电路中，那么将对信号接收电路产生很大的噪声干扰，导致无法正常测量，严重的可能引起硬件电路中某些电子元件的损坏。由上面的描述中我们可以知道我们必须对传感器接收到的信号在进入测厚仪主机电路之前进行严格的限幅处理，保证进入测厚仪主机的电压信号在安全范围内。因此限幅电路对测厚仪主机的安全工作非常重要。

通常传感器接收到的从被测物体另一面反射回来的回波信号幅值都很小，不能满足信号处理的要求，所以信号的放大是必不可少的。对相同的被测物体，不同的传感器接收到回波信号的幅值是不同的，所以放大电路的放大倍数的选择是非常重要的。如果信号放大电路采用固定的放大倍数对不同传感器接收到的信号进行放大，那么势必要导致后续电路对信号处理的准确性降低。例如：某传感器的回波信号幅值偏低，如果放大电路采用和回波信号幅值偏高的传感器相同的放大倍数(假设门限比较器电路中采用相同的门限值)，那么将导致厚度测量不准确。由上述描述可以知道测厚仪主机与传感器的自动匹配是非常必要的。

门限比较器，根据信号处理模块的门限值设置对经过限幅和放大的传感器回波信号进行比较，以判断传感器的灵敏度同时与放大电路的放大倍数配合实现测厚仪主机与传感器的匹配。因为不同传感器的灵敏度是不同的，所以实现测厚仪主机与不同灵敏度的传感器匹配，对准确的测量被测物体的厚度是非常重要的。根据不同的灵敏度的传感器配置不同的测厚仪主机电路成为解决问题的根本。

信号发射模块，产生高压负脉冲激励信号。由于传感器需要高压脉冲的激励后才能发射超声波信号，因此信号发射模块便是根据信号处理模块的设置产生高压负脉冲激励的模块。

信号处理模块，主要包括可编程控制器CPLD，对信号进行处理；计数器，用于厚度测量和自动识别传感器的电学性能和声学性能时进行时间计数。信号处理模块接收来自主处理器的控制命令及数据，从而根据主处理器的控制产生高压的控制脉冲，信号放大电路的增益控制信号和门限比较器的门限控制信号；信号处理模块同时将经过限幅，放大和门限比较的传感器接收信号经过处理后发送给主处理器。

在自动识别传感器的过程中，信号处理模块首先根据主处理器的命令向信号发射模块发送产生传感器高压激励脉冲的触发信号，然后接收来自信号接收模块的信号并将处理后的信号发送给主处理器，最后根据主处理器的命令设置信号接收模块中放大电路的增益和门限比较器的门限值。

存储通讯模块包括E²PROM和USB接口电路。E²PROM用于存储各种数据和设置，将用户在使用过程中的相关设置进行保存以便下次开机使用时保持原工作状态和设置，此外可将用户需要保存的测量结果保存在其中，以便事后调出测量数据。USB接口电路，用于主处理器与上位机软件之间的通讯。本发明可将用户保存在测厚仪主机内的测量数据通过USB数据线发送到上位机软件中，便于用户作相关的数据分析等后续处理工作。

主处理器主要进行数据处理和控制。在自动识别传感器的过程中，主处理器对信号处理模块发送过来的信息进行处理得出传感器的频率和灵敏度，然后根据传感器的频率和灵敏度将信号接收模块中所需的放大倍数参数和门限值参数发送给信号处理模块。

显示和键盘包括LCD液晶屏和由薄膜按键构成的键盘。LCD液晶屏直接与主处理器通讯，显示超声测厚仪的各种信息；键盘直接与主处理器连接，用于将用户的各项设置传递给主处理器。

供电模块采用两节1.5V电池对测厚仪主机内的所有其他模块供电；供电模块同时受主处理器的控制可自动关机以节约能源。

本发明实施例超声测厚仪采用声学的方法测量被测物体的厚度，其原理为：

被测物体厚度＝1/2(超声波在被测物体中传播时间)×超声在被测物体中的传播速度

具体实施方法为将传感器耦合到被测物体一侧，测厚仪通过发送高压脉冲激励传感器发出超声波信号，传感器接收超声波信号在被测物体的另一面反射回来的回波信号。测厚仪主机计算超声波在被测物体中的传播时间然后按照上述公式计算便可以得到被测物体的厚度。

本发明实施例超声测厚仪采用计算传感器反射回波的单周期的方式确定传感器的频率，采用测量传感器反射回波的幅度的方法来确定传感器的灵敏度。

具体实施方法为在开机或更换传感器时，测厚仪主机自动进行测试识别传感器的电学性能和声学性能(电声学性能)的工作，并根据所测得的传感器的电声学性能自动匹配传感器与信号接收电路，还可以对传感器自动进行零点校准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有传感器自动识别功能的超声测厚仪，包括传感器，测厚仪主机和上位机软件。所述传感器与所述测厚仪主机连接，用于向被测物体发送超声波信号和采集由被测物体反射回的声波信号；所述测厚仪主机通过向所述传感器发射高压触发信号使所述传感器发出超声信号，所述测厚仪主机采集传感器接收到的回波信号，通过对回波信号的处理得到被测物体厚度；所述测厚仪主机包括信号发射模块，信号接收模块，信号处理模块，主处理器，存储通讯模块，供电模块，显示和键盘。

本发明的特征在于：测厚仪主机首先发射激励脉冲信号给传感器，传感器在激励脉冲信号的激励下产生超声波信号，然后传感器将反射回的超声波信号转化为电信号，最后测厚仪主机采集此电信号并对此电信号进行分析，处理后得到传感器的电学性能和声学性能，以此来识别传感器并匹配信号接收模块的参数。

2.如权利要求1里所述超声测厚仪，其特征在于，所述测厚仪主机自动测试识别传感器的电学和声学性能(电声学性能)后，根据所测得的传感器的电声学性能自动设置信号接收模块中信号放大电路的放大倍数和门限比较器电路中的比较门限，从而实现传感器与测厚仪主机的自动匹配。

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