CN2470786Y - 超声波测厚仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种改进设计的超声波测厚仪,可实现测厚时的自动校零及实现接收增益可调等。主要包括超声波探头、单片微处理器电路单元,和与单片微处理器电路单元连接的超声波发射电路单元、超声波接收电路单元、计数器电路单元、厚度脉冲形成电路单元、衰减/放大电路单元、接收增益控制电路单元,和高频振荡器电路单元。通过分别测出超声波自发射至接收到介面波、底波的第一、第二时间而得到超声波通过工件厚度的时间,免去人工校零。
Description
本实用新型涉及一种物理测量装置，是一种利用超声波对工件进行厚度测量的仪器。
目前利用超声波测厚的一般方法是采用超声波脉冲反射法，根据超声波在已知材料工件中的传播时间来测量被测工件的厚度。该种测量方法，只要接触被测工件的一个面就可进行测量，故特别适于测量有腐蚀性材料的容器壁厚度。
图1示出一种超声波测厚仪的原理性结构，包括探头101、超声波发射电路单元102、超声波接收电路单元103、厚度方波成形电路单元104、高频振荡器电路单元105、计数器电路单元106、单片微处理器电路单元107、液晶显示器电路单元108、和键盘电路单元109。将探头101与被测工件100表面接触，超声波发射电路单元102在单片微处理器电路单元107的控制下通过探头101向工件100发射超声波，到达工件100的底面后反射，反射波被超声波接收电路单元103接收，由厚度方波成形电路单元104获得超声波从发射到接收间的时间间隔；一高频振荡器电路单元105产生高频振荡脉冲，由计数器电路单元106通过在厚度方波成形电路单元104输出的波形时间间隔内计算高频振荡脉冲的个数而计量出该时间间隔，最后由单片微处理器电路单元107将时间间隔乘以工件材料的声速常数，得到被测工件的厚度，并输送至液晶显示器电路单元108显示。键盘电路单元109设置有若干常用的功能键。
由于测量时探头101需紧密接触工件，天长日久势必造成探头表面磨损，从而引入测量误差。解决的办法是在每次测厚前对超声波测厚仪进行人工校零，如图2中所示。通常在测厚仪面板上设置一校零块200，是一已知厚度、已知材料声速且表面光滑的金属块，将探头101前端的延时块1011与该校零块200接触，发射的超声波经延时块1011至校零块200，反射的底波(如图中实线所示)被测厚仪的超声波接收电路单元103接收，而获得发射到接收之间的时间间隔，由于校零块200的厚度已知，校零块200的声速常数已知，据此就可换算出延时块1011的厚度，再在正式测厚时减去该延时块1011的厚度，就可测得真正的工件厚度。由于每次测厚前都需作校零操作，很不方便。
本实用新型的目的是设计一种超声波测厚仪，对传统结构的超声波测厚仪作出改进，在测试的同时即能实现自动校零，从而彻底消除人工校零过程。
申请人注意到，在探头发射出超声波后，在延时块1011及被测工件(可将图2中校零块200视作被测工件)中传播，超声波将先、后接触被测工件的表面及底面，会先、后反射产生介面波(如图2中虚线所示)和底波(如图中实线所示)两种反射波信号，如果能测出超声波自发射至接收到介面波的第一时间及接收到底波的第二时间，将第二时间减去第一时间，就可以得到真正的超声波通过工件厚度的时间，就可自动校正因探头磨损而引入的测量误差，即不必作人工校零操作。本实用新型的技术方案就是利用该原理设计的。
实现本实用新型目的的技术方案是这样的：一种超声波测厚仪，包括超声波探头、单片微处理器电路单元，和与单片微处理器电路单元连接的超声波发射电路单元、超声波接收电路单元、计数器电路单元、厚度脉冲形成电路单元，和高频振荡器电路单元；超声波发射电路单元及超声波接收电路单元分别连接超声波探头，厚度脉冲形成电路单元的输出端及高频振荡器电路单元的输出端分别连接计数器电路单元，其特征在于：还包括有一衰减/放大电路单元，衰减/放大电路单元的输入端与超声波发射电路单元的输出端连接并同时连接超声波探头，衰减/放大电路单元的输出端与厚度脉冲形成电路单元的第一输入端连接，衰减/放大电路单元的衰减/放大控制端与单片微处理器电路单元连接，超声波接收电路单元的输出端与厚度脉冲形成电路单元的第二输入端连接。
所述的衰减/放大电路单元是一电流型宽带放大器。
还包括有一接收增益控制电路单元，接收增益控制电路单元的增益切换控制端与所述的单片微处理器电路单元连接，所述接收增益控制电路单元的输出端连接所述的超声波接收电路单元。
所述的接收增益控制电路单元由集成电流型放大器连接由晶体管驱动的继电器构成，所述的增益切换控制端连接所述的单片微处理器电路，继电器触点连接所述超声波接收电路单元的增益控制端。
所述的计数器电路单元由逻辑与门、计数器和并/串变换器顺序连接构成；逻辑与门的第一输入端连接所述的厚度脉冲成形电路单元输出端，逻辑与门的第二输入端连接所述的高频振荡脉冲电路单元输出端，并/串变换器输出端连接所述的单片微处理器电路单元。
还包括有一标准RS-232串行通讯接口，与所述的单片微处理器电路单元连接。
还包括有一液晶显示器电路单元，与所述的单片微处理器电路单元连接。
本实用新型的超声波测厚仪，通过设置一个与超声波发射电路单元的输出端连接的衰减/放大电路单元，并同时连接超声波探头，该衰减/放大电路单元，对所接收到的超声波发射信号进行衰减，和在单片微处理器电路单元的控制下对接收的介面波进行放大，从而可获得第一时间；再由超声波接收电路单元获得第二时间，厚度脉冲形成电路单元则得到该两时间之差，就可由高频振荡电路单元及计数器电路单元对该时间差进行计数，并送单片微处理器电路单元作运算，最终获得被测工件的厚度，并通过显示器电路单元显示，实现测厚时的自动校零；此外，通过设置接收增益控制电路单元，可随机调节超声波接收电路单元的放大量；通过所设置的标准RS-232串行通讯接口，可连接微计算机或打印机，实现超声波测厚仪与PC机间的通讯功能和打印厚度参数等的功能。
下面结合实施例及附图进一步说明本实用新型的技术。
图1是传统超声波测厚仪的原理性结构框图。
图2是超声波测厚仪利用校零块进行人工校零的原理示意图。
图3是本实用新型改进结构的超声波测厚仪的原理性结构框图。
图4是图3所示原理框图的主要实施电路图。
图1及图2说明前已述及，不再赘述。
参见图3，本实用新型改进结构的超声波测厚仪，包括超声波探头301、单片微处理器电路单元302，超声波发射电路单元303、超声波接收电路单元304、计数器电路单元305、厚度脉冲形成电路单元306、衰减/放大电路单元307、接收增益控制电路单元308、高频振荡器电路单元309、液晶显示电路单元310(如点阵式液晶显示电路单元)、键盘电路单元311和标准RS-232串行通讯接口312。
单片微处理器电路单元302控制超声波发射电路单元303发射超声波，所发射的超声波经探头301射入被测工件100，同时输入衰减/放大电路单元307，此时，衰减/放大电路单元307对所接收到的发射超声波作衰减(削波与限幅)，滞后一定时间后，单片微处理器电路单元302控制衰减/放大电路单元307作为放大器，以便接收并放大介面波信号。输出的介面波信号送厚度脉冲形成电路单元306的第一输入端。
同时，单片微处理器电路单元302控制超声波接收电路单元304接收并放大底波信号，输出的底波信号送厚度脉冲形成电路单元306的第二输入端。
厚度脉冲形成电路单元306根据该介面波信号与底波信号接收时间之差而获得一厚度脉冲，脉冲宽度恰反映出超声波从被测工件表面至底面及反射离开工件底面至表面的时间间隔。厚度脉冲输出至计数器电路单元305。
计数器电路单元305在厚度脉冲有效的时间间隔内对高频振荡器电路单元309输出的高频脉冲进行计数，计数结果送单片微处理器电路单元302，通过运算换算成工件厚度，并由液晶显示电路单元310显示。
所设置的接收增益控制电路单元308，在单片微处理器电路单元302的控制下，用于切换超声波接收放大器电路单元304的增益档。
所设置的标准RS-232串行通讯接口312，可连接PC机或打印机，供上位计算机读取存储在测厚仪中的厚度测量值，或作打印输出。
参见图4，图中仅示出超声波发射电路单元303、超声波接收电路单元304、接收增益控制电路单元308、衰减/放大电路单元307、厚度脉冲形成电路单元306、单片微处理器电路单元302、高频振荡电路单元309、和计数器电路单元305的实施电路(其余电路单元310、311、312，由于是本技术领域内相当成熟的技术，不再给出具体的实施电路图)。
单片微处理器电路单元302中的单片微处理器(CPU)U8采用87C528。
由MOS场效应晶体管Q1及其外围元件连接构成超声波发射电路单元303，输出超声波信号由电容C1耦合至超声波探头及衰减/放大电路单元302。
衰减/放大电路单元302是由电流型宽带放大器(MAX4180)及其外围元件连接构成的电路模块，其CTRL控制端(11脚)连接单片微处理器(CPU)，该电路模块工作于对所接收的超声波发射信号的衰减状态，和在上述信号的控制下工作于对接收的介面波信号的放大状态。
厚度脉冲形成电路单元306由两个单稳态触发器U3A、U3B及异或逻辑门U4A连接构成。其中U3B的CLR端接+A信号，即超声波接收电路单元304的输出信号，NL1端与单片微处理器(CPU)连接。
超声波接收电路单元304及接收增益控制电路单元308是由电流型宽带放大器(MAX4180)、比较器(整形)U2、晶体管Q7、Q8、继电器(RELAY)及其外围元件连接构成的电路模块，单片微处理器(CPU)15、17端输出的增益切换信号，用于继电器触点切换(实施例只设置了两档)，从而使宽带放大器的放大量可控。超声波接收电路单元304输出的底波信号经+A端连接至U3B的同名信号端。
高频振荡电路单元309及计数器电路单元305由逻辑与非门U5C、U5D、计数器U6B、U6A(74HC393)、8位并串变换器U7(74HC165)及其外围元件连接构成。输出计数信号送单片微处理器(CPU)。
本实用新型的超声波测厚仪，通过改进设计，实现测量时的自动校零，且接收增益可调节。在仪器的软件设计中，还充分考虑了测量值的最小量捕捉问题，单片微处理器电路单元对一组连续跳动的数据，通过不断比较和保留最小测量值、舍弃大于最小测量值的其余测量值，而最终获得一次测量中最小的厚度值，从而充分考虑被测工件表面腐蚀现象，即确保测试到工件最薄的部位。
Claims (7)
1.一种超声波测厚仪，包括超声波探头、单片微处理器电路单元，和与单片微处理器电路单元连接的超声波发射电路单元、超声波接收电路单元、计数器电路单元、厚度脉冲形成电路单元，和高频振荡器电路单元；超声波发射电路单元及超声波接收电路单元分别连接超声波探头，厚度脉冲形成电路单元的输出端及高频振荡器电路单元的输出端分别连接计数器电路单元，其特征在于：
还包括有一衰减/放大电路单元，衰减/放大电路单元的输入端与超声波发射电路单元的输出端连接并同时连接超声波探头，衰减/放大电路单元的输出端与厚度脉冲形成电路单元的第一输入端连接，衰减/放大电路单元的衰减/放大控制端与单片微处理器电路单元连接，超声波接收电路单元的输出端与厚度脉冲形成电路单元的第二输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种超声波测厚仪，其特征在于：所述的衰减/放大电路单元是一电流型宽带放大器。
3.根据权利要求1所述的一种超声波测厚仪，其特征在于：还包括有一接收增益控制电路单元，接收增益控制电路单元的增益切换控制端与所述的单片微处理器电路单元连接，所述接收增益控制电路单元的输出端连接所述的超声波接收电路单元。
4.根据权利要求3所述的一种超声波测厚仪，其特征在于：所述的接收增益控制电路单元由集成电流型放大器连接由晶体管驱动的继电器构成，所述的增益切换控制端连接所述的单片微处理器电路，继电器触点连接所述超声波接收电路单元的增益控制端。
5.根据权利要求1所述的一种超声波测厚仪，其特征在于：所述的计数器电路单元由逻辑与门、计数器和并/串变换器顺序连接构成；逻辑与门的第一输入端连接所述的厚度脉冲成形电路单元输出端，逻辑与门的第二输入端连接所述的高频振荡脉冲电路单元输出端，并/串变换器输出端连接所述的单片微处理器电路单元。
6.根据权利要求1所述的一种超声波测厚仪，其特征在于：还包括有一标准RS-232串行通讯接口，与所述的单片微处理器电路单元连接。
7.根据权利要求1所述的一种超声波测厚仪，其特征在于：还包括有一液晶显示器电路单元，与所述的单片微处理器电路单元连接。
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