CN1908581A

CN1908581A - 超声波板状物测厚仪

Info

Publication number: CN1908581A
Application number: CN 200610052834
Authority: CN
Inventors: 姚文斌; 章英永; 张蔚; 吴晓平
Original assignee: Zhejiang Forestry College
Current assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2007-02-07

Abstract

一种超声波板状物测厚仪，包含有超声波发射接收器，温度传感器(7)、程序下载接口(8)、液晶显示器(9)、控制用芯片(10)。超声波发射电路(1)中，TXOCO为信号输入口，电平信号驱动场效应管控制信号的导通与截止，信号经升压器升压，驱动发射头发射超声波；收接电路中，接收头(2)感应到电压信号后，输入一级(3)、二级(4)放大电路，经二级放大后输入比较电路(5)，再接上位电阻RA5，最后连接处理器(10)的ICP端口。本发明广泛应用在各种板状物的厚度测定，数字显示快捷、直观。相比现有技术具有不需液体参与，不影响对干燥板状物的测定；体积小，携带方便；单独完成测厚功能，生产成本低等优点。

Description

超声波板状物测厚仪

技术领域

本发明涉及一种测量厚度的仪器，尤适于测定竹、木板材的厚度。

背景技术

CN200510083608·6公开了株式会社迪思科的“测厚仪以及磨削装置”专利申请技术，该专利申请技术的测距原理，虽然也是采用超声波的发射与接收的时间来推算厚度，但它兼具测距与磨削双重功能，有流体的参与，因而有流体膜、流体柱的筒状体、流体供给体等技术特征，要求被测板状物表面有水膜存在，不适于测定干燥的板状物。而且它的结构和功能都较复杂，因而生产成本较高。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种专用于板状物测厚的、没有流体(水)参与因而可以测定干燥板状的、且结构和功能较简单、生产成本较低的超声波板状物测厚仪。

上述目的可以通过如下措施来实现：它包含有超声波发射接收器、温度传感器、程序下载接口、液晶显示器、控制用处理器。

上述目的还以通过如下措施来完善：超声波发射电路中，TXOCO为信号输入口，电平信号驱动场效应管IRF-7328控制信号的导通与截止，信号经升压器T1升压，驱动超声波发射头LS2发射超声波；在超声波接收电路中，接收头LS1感应出电压信号后，输入一级放大电路，经运算放大器初次放大的信号通过藕合电容CA6后，再输入二级放大电路进行二级放大，二级放大后的信号输入比较电路中的比较器的正端，当信号大于负端已设定的电压值时，比较器输出端产生低电平，接上位电阻RA₅，输出信号接芯片的ICP端口；超声波接收电路的一级放大电路中的运算放大器选用MAX5455型；超声波发射接收器为收发同体型；设定超声波传播速度为V，发收的间隔时间为t，则测距为S＝Vt；根据定律，超声波在理想空气中的传播速度公式为：V＝vRT/ū。其中ū为气体摩尔质量、v为气体比热比、R为气体常数、T为热力学温度，一般情况下ū、v为定值，R为常数，则传速V与热力学温度T的平方根成正比，温度越高，传速越快；0℃时，超声波的传速实验公认定值为331.45米/秒，空气中的传速表达式为

V = 331.45 \sqrt{(X + 273.16) / 273.16}

(米/秒)，超声波传播速度由测得的气温计算获得，即只需将实测的摄氏气温填入X中就可算出该气温条件下的传速V，式中273.16为0℃对应的绝对温度值；超声波接收电路中的比较电路和芯片结合，在读取温度传感器的数值的同时，还对信号动作作出如下判断：

(1)四个波形信号的发射与计时；(2)信号的收到与否；(3)收到信号的时间间隔与停止计时；(4)收到信号的波形数；(5)收到完整信号后的数据处理。

附图说明

图1为本测厚仪的超声波发射接收电路图。

图2为本测厚仪的控制及外围设备电路图。

图3为本测厚仪的信号判断处理程序流程图

具体实施方式

本发明下面将结合实施例并参照附图予以详述：

图1中右下部分为超声波发射电路1。在此电路中，TX_OC0为处理器10的PD4端口产生的40KHz信号输入口，该电平信号驱动场效应管IRF7328控制其导通与截止。通过IRF7328的40KHz的信号再经过T1升压，得一个峰值电压为60V的信号从而驱动400ST160超声波发射传感器产生40KHz的超声波。图中，CB1、CB2为稳压电容。

图1中左上部分为超声波接收放大电路。400SR160是超声波传感器接收头2，当接收到超声波时，感应出电压信号，然后输入一级放大电路3的MAX492CPA运算放大器进行一级放大。RA10、RA12、RA14和MAX5455数字式可变电位器的数值比例数为一级可调增益放大系数。芯片通过SCK、DP_nCS、MOSI端口来调节MAX5455的L2和W2之间的电阻，从而调节一级增益放大倍数。

一级放大后的信号通过CA6藕合电容再输入二级放大电路4的MAX492CPA运算放大器进行二级放大。RA9、RA13、RA15和MAX5455数字式可变电位器的数值比例系数为二级可调增益放大系数。处理器10通过SCK、DP_nCS、MOSI端口来调节MAX5455的L1和W1之间的电阻，从而调节二级增益放大倍数。

二级放大后的信号输入比较电路5的比较器LMX331的正端，当信号大于负端已调定的参考电压时，LMX331的输出端产生低电平。LMX331的负端的参考电压由RA3、RA6、CA5组成的分压器6中RA3和RA6比值来决定。LMX331输出端接上位电阻RA5，输出的信号输入芯片10的内部的定时/计算器的ICP端口。图中，CA1、CA2、CA3为稳压电容。

MAX5455具有双路、256抽头、加/减控制接口的数字电位器，有256个滑臂定点，可用微处理器进行编程控制，每路可调的电阻范围为0-100K欧姆。它与传统的模拟电位器的工作原理结构、外形完全不同。它取消了活动件，是一个半导体集成电路，其优点是没有噪声，有极长的工作寿命。MAX5455个SPI(串行)接口的数字式电位器，可通过CS、INC、U/D端口与微处理器相接，通过编程可设定每路的电阻值。

图2为本超声波板状物测厚仪的控制及外围设备电路图。处理器10为ATmega 16L-8AI型主控芯片，ISP为程序下载接口8，DS18B20高精度温度传感器7通过单总线方式接PBO端口，设置一个ISP(在线编程)端口，以便系统日后进行软件升级。其中以RMJ12864A液晶显示器9作为人机界面，以显示各种测量结果(可以显示温度、时间、距离等数值)，上述控制及外围设备，电子产品市场有售，且连接组合方法的说明，为便于实施本技术，在图1、图2中标出了相关器件的型号，以获得好的实施方式。其中的液晶显示器9通过8根数据线与芯片10的PA口相接，另三个控制端口分别接处理器的PC0、PC1、PC2端口。如果还需增加其它附加功能，则DS1302时钟芯片通过模拟串行总线与单片机PC6、PC7端口连接，芯片可精确测出时间数值显示在液晶显示器上，以便了解何时对被测对象厚度值进行测量。在本测厚仪中还可加入串口通信端口，用于与上位进行信息交换，采用MAX232ESE作为串口通信芯片，该芯片通过R2OUT、R2IN与单片机的PD0、PD1相连。

图3为信号判断处理程序流程图，首先为初始化(内部资源的分配，I/O口和外围设备的设置)，再读取温度传感器的数值，接着用处理器10控制超声波发射头连续发射四个波形，然后单片机查询超声波接收头有无信号，没有信号，则调大增益倍数，在有效的时间内直到收到信号为止。考虑到本测厚仪的超声波为收发同体型，为排除发射头与接收头之间的相邻发收，特设定“延时2ms(毫秒)”的程序，予以除去。当超过有效时间时，程序跳转到读取温度值处，重新开始。当在有效的时间内接收到信号，即停止计时，并做数据处理(温度值的转换，距离的计算等)，接下来对该信号进行是否有效性处理，当接收到的为四个完整的信号时，认为此次接收是有效的，显示结果(距离，温度等)正确，然后结束；如果接收的不是四个完整的信号，那么此次接收是无效的(比如信号经过多次折射，衰减)，程序跳转到读取温度值处，重新开始。

本测厚仪在测板状物厚度时，需实测两次值后相减获得，首次测量测厚仪到板状物搁置基台的距离(H)，再测量测厚仪到板状物上表面的距离(S)，板厚D＝H-S。

本发明相比现有技术具有不需液体参与，不影响对干燥板状物的测定；体积小，携带方便；单一完成测厚功能，生产成本低等优点。

Claims

1、一种超声波板状物测厚仪，包含有超声波发射接收器，其特征是测厚仪还包含有温度传感器(7)、程序下载接口(8)、液晶显示器(9)、控制用处理器(10)。

2、如权利要求1所述的超声波板状物测厚仪，其特征是超声波发射电路(1)中，TXOCO为信号输入口，电平信号驱动场效应管IRF-7328控制信号的导通与截止，信号经升压器T1升压，驱动超声波发射头LS2发射超声波；在超声波接收电路中，接收头LS1(2)感应出电压信号后，输入一级放大电路(3)、经运算放大器初次放大的信号通过藕合电容CA6后，再输入二级放大电路(4)进行二级放大，二级放大后的信号输入比较电路(5)中的比较器的正端，当信号大于负端已设定的电压值时，比较器输出端产生低电平，接上位电阻RA5，输出信号接入芯片的ICP端口。

3、如权利要求2所述的超声波板状物测厚仪，其特征是所说的超声波接收电路的一级放大电路(3)中的运算放大器选用MAX5455型。

4、如权利要求1或2或3所述的超声波板状物测厚仪，其特征是所说的超声波发射接收器为收发同体型。

5、如权利要求1所述的超声波板状物测厚仪，其特征是设定超声波传播速度为V，发收的间隔时间为t，测距为S＝vt；根据定律，超声波在理想空气中的传播速度公式为：V＝νRT/ū。其中ū为气体摩尔质量、ν为气体比热比、R为气体常数、T为热力学温度，一般情况下ū、ν为定值，R为常数，则传播速度V与热力学温度T的平方根成正比，温度越高，传速越快；0℃时，超声波的传速实验公认定值为331.45米/秒，空气中的传速表达式为

超声波传速由测得的气温计算获得。

6、如权利要求1-5中任一项所说的超声波板状物测厚仪，其特征是所说的超声波接收电路中的比较电路(5)、处理器(10)结合，在读取温度传感器(7)的数值的同时，还对信号动作作出如下判断：

(1)四个波形信号的发射与计时；

(2)信号的收到与否；

(3)收到信号的时间间隔与停止计时；

(4)收到信号的波形数；

(5)收到完整信号后的数据处理。