CN204594436U - 一种超声波厚度测量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波厚度测量的装置，其特点是包括发射模块、接收模块、输入限幅模块、前置放大模块、压控放大器、控制电压产生模块、信号整形模块，接收模块的输出端与输入限幅模块的输入端连接，输入限幅模块的输出端与前置放大模块的输入端连接，前置放大模块的输出端与压控放大器的输入端连接，压控放大器的输出端与信号整形模块连接后，与控制电压产生模块的输入端连接，控制电压产生模块的输出端与压控放大器的电压控制端连接；优点是本装置结构设计简单，可以精确得到两次回波群的时间间隔，减小厚度测量的误差。

Description

一种超声波厚度测量的装置

技术领域

本实用新型涉及检测技术，尤其是设计一种超声波厚度测量的装置。

背景技术

超声波测厚技术是根据超声波脉冲反射原理可以进行厚度测量，当探头发射的超声波脉冲经过水、油等介质到达被测物体表面，超声波的一部分能量会被反射回探头，产生第一次回波，探头发射的超声波的另一部分能量通过被测物体到达材料另一表面时，超声波会再次被反射回来形成第二次回波，通过精确测量超声波在材料中的传播时间可以确定被测材料的厚度。该技术目前已广泛应用于化工、造船、航空、航天等众多工业部门的检验领域。

然而超声测厚技术在实际应用中存在两方面的问题：1)、在超声波脉冲发射方面，超声波脉冲的产生是靠一定功率的电脉冲激励超声波探头产生机械振动实现的。理想情况下，当向探头施加单个电脉冲信号，探头只产生单个超声波脉冲，产生规则形状的回波信号，从而很容易实现对回波信号的检测。但在实际应用中，任何一个超声波探头产生主振波形的同时总会伴随产生较长时间的余振波形，这些余振波形到达被测件后都会产生回波；2)、在超声波脉冲接收方面，来自探头的超声波信号能量在被测件表面以及内部传播过程中，不仅逐渐衰减，而且受到材料均匀性以及材料颗粒等因素影响，还会产生能量散射等现象，这些都会导致回波产生畸变，从而进一步影响回波波形的洁净程度。所有这些回波全部被探头拾取，使得实际检测到的回波信号不是单一脉冲，而是一群不规则的畸变波形。以上两方面的因素都使得脉冲反射法超声测厚技术无法精确测量回波脉冲时间差，从而造成实际测量中产生较大误差。

已有很多学者对于超声波测厚技术中回波脉冲时间差的精确提取做了大量工作，主要包括以下两类：1)、对回波波形放大、检波、获得回波包络波形，回波包络经过比较器整形，可以得到一次回波和二次回波间隔的脉冲信号，然后用计数器对该脉冲间隔进行测量，进而得到厚度信息。该方法测量电路简单，然而当被测件厚度、材质等不同时，经放大后的回波信号幅度、形状也不同，经脉冲整形后的信号仍然无法获得稳定的脉冲前沿，从而导致该方法的检测结果误差变大，测量精度降低；2)、采用功率谱估计、线性预测或者神经网络等复杂的信号处理算法完成回波时间估计。采用高级的信号处理算 法在一定程度上提高了测量精度，然而这种测量方法不仅需要高速模数转换器对回波信号进行完全采样，而且需要高速数字信号处理器完成复杂算法运行，费用昂贵且设计方法复杂，不利于实时测量，也不利于测量装置的小型化。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种系统复杂度低且厚度测量精度高的超声波厚度测量的装置。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超声波厚度测量的装置，包括发射模块、接收模块、输入限幅模块、前置放大模块、压控放大器、控制电压产生模块、信号整形模块，所述的接收模块的输出端与所述的输入限幅模块的输入端连接，所述的输入限幅模块的输出端与所述的前置放大模块的输入端连接，所述的前置放大模块的输出端与所述的压控放大器的输入端连接，所述的压控放大器的输出端与所述的信号整形模块连接后，与所述的控制电压产生模块的输入端连接，所述的控制电压产生模块的输出端与所述的压控放大器的电压控制端连接；

所述的输入限幅模块包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电阻和第二电阻，所述的第一电容的一端作为所述的输入限幅模块的输入端与所述的接收模块的输出端连接，所述的第一电容的另一端、所述的第一二极管的正极与所述的第二二极管的负极连接，所述的第一二极管的负极、所述的第三二极管的负极与所述的第一电阻的一端连接，所述的第一电阻的另一端与由电源产生的-5V电压连接，所述的第二二极管的正极、所述的第四二极管的正极与所述的第二电阻的一端连接，所述的第二电阻的另一端与由电源产生的+5V电压连接，所述的第四二极管的负极、所述的第三二极管的正极与所述的第二电容的一端连接，所述的第五二极管的正极、所述的第六二极管的负极作为所述的输入限幅模块的输出端与所述的第二电容的另一端连接，所述的第五二极管的负极、所述的第六二极管的正极与电源接地端连接。

所述的前置放大模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻和第一运算放大器，所述的第三电阻的一端作为所述的前置放大模块的输入端与所述的第一运算放大器的同相输入端相连，所述的第三电阻的另一端与电源接地端连接，所述的第四电阻的一端、所述的第五电阻的一端与所述的第一运算放大器的异相输入端连接，所述的第四电阻的另一端与电源接地端连接，所述的第一运算放大器的输出端与所述的第五电阻的另一端连接。

所述的第一运算放大器采用MAX4104同相放大器。

所述的压控放大器包括第六电阻和第七电阻和压控放大器芯片，所述的压控放大器 芯片的第一引脚通过所述的第六电阻与电源接地端连接，所述的压控放大器芯片的第八引脚与所述的第七电阻的一端连接，所述的第七电阻的另一端作为所述的压控放大器的输入端与所述的前置放大模块的输出端连接，所述的压控放大器芯片的第三引脚作为所述的压控放大器的电压控制端与所述的控制电压产生模块的输出端连接，所述的压控放大器芯片的第五引脚作为所述的压控放大器的输出端与所述的控制电压产生模块的输入端、所述的信号整形模块的输入端连接。

所述的压控放大器芯片采用VCA810芯片。

所述的控制电压产生模块包括第三电容、第四电容、第五电容、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第七二极管和第二运算放大器，所述的第三电容的一端、所述的第八电阻的一端、所述的第九电阻的一端、所述的第七二极管的负极作为所述的控制电压产生模块的输出端与所述的压控放大器的电压控制端连接，所述的第三电容的另一端与电源接地端连接，所述的第八电阻的另一端与所述的电源负极连接，所述的第九电阻的另一端与所述的电源接地端连接，所述的第七二极管的正极与所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端与所述的第四电容的一端、所述的第二运算放大器的输出端，所述的第二运算放大器的同相输入端与所述的压控放大器的输出端、所述的信号整形模块的输入端连接，所述的第二运算放大器的反相输入端与所述的第四电容的另一端，所述的第十一电阻的一端连接，所述的第十一电阻的另一端与所述的第十二电阻的一端、所述的第十三电阻的一端、所述的第五电容的一端连接，所述的第十三电阻的另一端与所述的电源正极连接，所述的第十二电阻的另一端与所述的第五电容的另一端、电源的接地端连接。

所述的信号整形模块包括比较器芯片、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻和第六电容，所述的比较器芯片的同相输入端作为所述的信号整形模块的输入端，所述的比较器芯片的异相输入端与所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十四电阻的另一端、所述的第六电容的一端、所述的第十五电阻的一端通过所述的第十六电阻与电源正极连接，所述的第六电容的另一端、所述的第十五电阻的另一端与电源接地端连接，所述的比较器芯片的输出端作为所述的信号整形模块的输出端并通过所述的第十七电阻与电源正极连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：通过设置压控放大器，不需要采用高速模数转换器对信号采样，也不需要采用高速数字信号处理器处理复杂算法，通过控制电压产生电路控制压控放大器的增益状态，能够对回波脉冲群的第一振荡周期识别放大并对回波脉冲群的其他周期波形加以衰减，然后通过脉冲整形电路后就可以精确得到回波间隔的测量结果，提高被测物件厚度测量的精确性。

附图说明

图1为本实用新型一种超声波厚度测量的方法的原理框图；

图2为本实用新型一种超声波厚度测量的方法设置的测量装置中的输入限幅模块的电路结构图；

图3为本实用新型一种超声波厚度测量的方法设置的测量装置中的前置放大模块的电路结构图；

图4为本实用新型一种超声波厚度测量的方法设置的测量装置中的压控放大器的电路结构图；

图5为本实用新型一种超声波厚度测量的方法设置的测量装置中的控制电压产生模块的电路结构图。

图6为本实用新型一种超声波厚度测量的方法设置的测量装置中的信号整形模块的电路结构图

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图所示，一种超声波厚度测量的装置，包括发射模块1、接收模块2、输入限幅模块3、前置放大模块4、压控放大器5、控制电压产生模块6、信号整形模块7，接收模块2的输出端与输入限幅模块3的输入端连接，输入限幅模块3的输出端与前置放大模块4的输入端连接，前置放大模块4的输出端与压控放大器5的输入端连接，压控放大器5的输出端与信号整形模块7连接后，与控制电压产生模块6的输入端连接，控制电压产生模块6的输出端与压控放大器5的电压控制端连接；

输入限幅模块3包括第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电阻R1和第二电阻R2，第一电容C1的一端作为输入限幅模块3的输入端与接收模块2的输出端连接，第一电容C1的另一端、第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极连接，第一二极管D1的负极、第三二极管D3的负极与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端与由电源产生的-5V电压连接，第二二极管D2的正极、第四二极管D4的正极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与由电源产生的+5V电压连接，第四二极管D4的负极、第三二极管D3的正极与第二电容C2的一端连接，第五二极管D5的正极、第六二极管D6的负极作为输入限幅模块3的输出端与第二电容C2的另一端连接，第五二极管D5的负极、第六二极管D6的正极与主电源电路的接地端连接。

前置放大模块4包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第一运算放大器U1，第三电阻R3的一端作为前置放大模块4的输入端与第一运算放大器U1的同相输入端相连，第三电阻R3的另一端与主电源电路的接地端连接，第四电阻R4的一端、 第五电阻R5的一端与第一运算放大器U1的反相输入端连接，第四电阻R4的一另端与主电源电路的接地端连接，第一运算放大器U1的输出端作为前置放大模块4的输出端与第五电阻R5的另一端连接。在此具体实施例中，第一运算放大器U1采用MAX4104同相放大器。

压控放大器5包括第六电阻R6和第七电阻R7和型号为VCA810的压控放大器芯片U3，压控放大器芯片U3的第一引脚通过第六电阻R6与电源接地端连接，压控放大器芯片U3的第八引脚与第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端作为压控放大器5的输入端与前置放大模块4的输出端连接，压控放大器芯片U3的第三引脚作为压控放大器5的电压控制端与控制电压产生模块6的输出端连接，压控放大器芯片U3的第五引脚作为压控放大器5的输出端与控制电压产生模块6的输入端、信号整形模块7的输入端连接。在此具体实施例中，压控放大器芯片U3采用VCA810芯片。

控制电压产生模块6包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第七二极管D7和型号为MAX4104的第二运算放大器U2，第三电容C3的一端、第八电阻R8的一端、第九电阻R9的一端、第七二极管D7的负极作为控制电压产生模块7的输出端与压控放大器5的电压控制端连接，第三电容C3的另一端与电源接地端连接，第八电阻R8的另一端与电源负极连接，第九电阻R9的另一端与电源接地端连接，第七二极管D7的正极与第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端与第四电容C4的一端、第二运算放大器U2的输出端，第二运算放大器U2的同相输入端与压控放大器5的输出端、信号整形模块7的输入端连接，第二运算放大器U2的反相输入端与第四电容C4的另一端，第十一电阻R11的一端连接，第十一电阻R11的另一端与第十二电阻R12的一端、第十三电阻R13的一端、第五电容C5的一端连接，第十三电阻R13的另一端与电源正极连接，第十二电阻R12的另一端与第五电容C5的另一端、主电源电路的接地端连接。

信号整形模块7包括型号为MAX4104的比较器芯片U4、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17和第六电容C6，比较器芯片U4的同相输入端作为信号整形模块7的输入端，比较器芯片U4的反相输入端与第十四电阻R14的一端连接，第十四电阻R14的另一端、第六电容C6的一端、第十五电阻R15的一端通过第十六电阻R16与电源正极连接，第六电容C6的另一端、第十五电阻R15的另一端与接地端连接，比较器芯片U4的输出端作为信号整形模块7的输出端并通过第十七电阻R17与电源正极连接。

Claims (8)

1.一种超声波厚度测量的装置，其特征在于：包括发射模块、接收模块、输入限幅模块、前置放大模块、压控放大器、控制电压产生模块、信号整形模块，所述的接收模块的输出端与所述的输入限幅模块的输入端连接，所述的输入限幅模块的输出端与所述的前置放大模块的输入端连接，所述的前置放大模块的输出端与所述的压控放大器的输入端连接，所述的压控放大器的输出端与所述的信号整形模块连接后，与所述的控制电压产生模块的输入端连接，所述的控制电压产生模块的输出端与所述的压控放大器的电压控制端连接。

2.根据权利要求1所述的一种超声波厚度测量的装置，其特征在于所述的输入限幅模块包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电阻和第二电阻，所述的第一电容的一端作为所述的输入限幅模块的输入端与所述的接收模块的输出端连接，所述的第一电容的另一端、所述的第一二极管的正极与所述的第二二极管的负极连接，所述的第一二极管的负极、所述的第三二极管的负极与所述的第一电阻的一端连接，所述的第一电阻的另一端与由电源产生的-5V电压连接，所述的第二二极管的正极、所述的第四二极管的正极与所述的第二电阻的一端连接，所述的第二电阻的另一端与由电源产生的+5V电压连接，所述的第四二极管的负极、所述的第三二极管的正极与所述的第二电容的一端连接，所述的第五二极管的正极、所述的第六二极管的负极作为所述的输入限幅模块的输出端与所述的第二电容的另一端连接，所述的第五二极管的负极、所述的第六二极管的正极与电源接地端连接。

3.根据权利要求1所述的一种超声波厚度测量的装置，其特征在于所述的前置放大模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻和第一运算放大器，所述的第三电阻的一端作为所述的前置放大模块的输入端与所述的第一运算放大器的同相输入端相连，所述的第三电阻的另一端与电源接地端连接，所述的第四电阻的一端、所述的第五电阻的一端与所述的第一运算放大器的异相输入端连接，所述的第四电阻的另一端与电源接地端连接，所述的第一运算放大器的输出端与所述的第五电阻的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的一种超声波厚度测量的装置，其特征在于所述的第一运算放大器采用MAX4104同相放大器。

5.根据权利要求1所述的一种超声波厚度测量的装置，其特征在于所述的压控放大器包括第六电阻和第七电阻和压控放大器芯片，所述的压控放大器芯片的第一引脚通过所述的第六电阻与电源接地端连接，所述的压控放大器芯片的第八引脚与所述的第七电阻的一端连接，所述的第七电阻的另一端作为所述的压控放大器的输入端与所述的前 置放大模块的输出端连接，所述的压控放大器芯片的第三引脚作为所述的压控放大器的电压控制端与所述的控制电压产生模块的输出端连接，所述的压控放大器芯片的第五引脚作为所述的压控放大器的输出端与所述的控制电压产生模块的输入端、所述的信号整形模块的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的一种超声波厚度测量的装置，其特征在于所述的压控放大器芯片采用VCA810芯片。

7.根据权利要求1所述的一种超声波厚度测量的装置，其特征在于所述的控制电压产生模块包括第三电容、第四电容、第五电容、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第七二极管和第二运算放大器，所述的第三电容的一端、所述的第八电阻的一端、所述的第九电阻的一端、所述的第七二极管的负极作为所述的控制电压产生模块的输出端与所述的压控放大器的电压控制端连接，所述的第三电容的另一端与电源接地端连接，所述的第八电阻的另一端与所述的电源负极连接，所述的第九电阻的另一端与所述的电源接地端连接，所述的第七二极管的正极与所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端与所述的第四电容的一端、所述的第二运算放大器的输出端，所述的第二运算放大器的同相输入端与所述的压控放大器的输出端、所述的信号整形模块的输入端连接，所述的第二运算放大器的反相输入端与所述的第四电容的另一端，所述的第十一电阻的一端连接，所述的第十一电阻的另一端与所述的第十二电阻的一端、所述的第十三电阻的一端、所述的第五电容的一端连接，所述的第十三电阻的另一端与所述的电源正极连接，所述的第十二电阻的另一端与所述的第五电容的另一端、电源的接地端连接。

8.根据权利要求1所述的一种超声波厚度测量的装置，其特征在于所述的信号整形模块包括比较器芯片、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻和第六电容，所述的比较器芯片的同相输入端作为所述的信号整形模块的输入端，所述的比较器芯片的异相输入端与所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十四电阻的另一端、所述的第六电容的一端、所述的第十五电阻的一端通过所述的第十六电阻与电源正极连接，所述的第六电容的另一端、所述的第十五电阻的另一端与电源接地端连接，所述的比较器芯片的输出端作为所述的信号整形模块的输出端并通过所述的第十七电阻与电源正极连接。