超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法，包括超聲波回波上升沿到達時間Ts的檢測、超聲波回波下降沿到達時間Tx的檢測和回波峰值時間Tf的計算，將回波峰值時間Tf代入超聲波測量厚度計算公式S＝V*Tf/2，即可得到被測物體的厚度，還公開了該方法使用的裝置；優(yōu)點是1、測厚精度提高，誤差減小到0.001mm以下；2、元件間的受耦合程度影響變小，測量穩(wěn)定性提高；3、基本消除了相位誤差；4、更易小型化，計時芯片所占面積大約是原來計時電路的1/10；5、被測物體材料的差異對厚度測量不產生任何影響；6、超聲波探頭的按壓力度和溫度對超聲波的傳播會存在影響，用本方法精度可以控制在0.02mm以內。
【專利說明】超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種厚度檢測方法，尤其涉及一種利用超聲波進行測量厚度的方法，還涉及一種該檢測方法使用的裝置。
【背景技術】
[0002]超聲波測量厚度的原理與光波測量原理相似。探頭發(fā)射的超聲波脈沖到達被測物體并在物體中傳播，到達材料分界面時被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測物體的厚度，測算公式為s = v*t/2，其中S為被測物體的厚度，V為超聲波在所述被測物體材料中的傳播速度，t為超聲波在所述被測物體材料中的傳播時間。
[0003]超聲波傳播時間的起點與脈沖發(fā)射時間相關，時間終點的檢測有兩種方式:
[0004]1、以超聲回波引起的壓電效應超過某一個閾值為超聲波的到達標志。
[0005]2、以超聲回波的壓電效應第一次達到峰值作為回波到達的標志。
[0006]其中，前一種叫做前沿檢測，后一種叫做峰值檢測。前沿檢測的優(yōu)勢在于電路容易實現(xiàn)，成本較低，只要用一個響應時間比較短的比較器就可以檢測到，其缺點也是顯而易見的，在測量薄件的時候容易有比較大的相位誤差。而峰值檢測能夠消除這種相位誤差，但是峰值檢測一般都需要使用高速的數(shù)據(jù)采集器(A/D轉換芯片)和處理速度比較高的微處理器才能實現(xiàn)，而這會大大增加儀器的成本以及儀器的體積。
[0007]在計算被測物體厚度時，會測量超聲回波的到達時間，且設定一個閾值，作為超聲回波到達時間的參考點，一般情況下，閾值是個固定值，在測試過程中不會發(fā)生變化，但是超聲波幅度是與放大電路的增益，探頭與試塊耦合的程度相關，也就是說在多次測量中，超聲波的幅度無法保持一致。幅度的變化會引起交越點的偏移，幅度增強則交越點前移，幅度減弱則交越點后移，在極端情況下，這種偏移最大可以達到超聲波的1/4周期。以鋼中聲速為5920m/s計算，假設采用的超聲波探頭的固有頻率為5MHz，則相位偏差可以達到5920/5000/2*0.25 = 0.148mm,而這在薄物體測量中是不能被接受的。
[0008]對于峰值測量，如果采樣率足夠高，儀器可以采集到很接近于峰值的時間點。假設采樣率是頻率的16倍，則峰值時刻的量化誤差大約是5920/5000/2/16，約為0.03mm,基本能夠達到精密測厚的要求。然而這種情況下，需要的采樣率大約是5M*16 = 80MSPS。因此這樣會使超聲波測厚儀的儀器成本大幅度增加，這在成本上很難被接受。因此需要有一種既能減小相位誤差，又不大幅度增加成本的方法。
【發(fā)明內容】
[0009]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種誤差小、便于實現(xiàn)及成本低的超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法。
[0010]為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是:超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法，包括以下步驟:
[0011]步驟一、將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波上升沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將上升沿到達時間Ts傳遞給主控芯片；
[0012]步驟二、繼續(xù)將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波下降沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將下降沿到達時間Tx傳遞給所述主控芯片；
[0013]步驟三、取上升沿到達時間Ts與下降沿到達時間Tx的平均值，即為回波峰值時間Tf ；
[0014]步驟四，將所述回波峰值時間Tf代入超聲波測量厚度計算公式S = V*Tf/2，即可得到被測物體的厚度；其中，V為超聲波在所述被測物體材料中的傳播速度。
[0015]作為優(yōu)選的技術方案，超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法包括以下步驟:
[0016]步驟一、將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波上升沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將上升沿到達時間Ts傳遞給所述主控芯片；該步驟至少進行兩次，并將各次上升沿到達時間Ts相加后取平均值Tsp ；
[0017]步驟二、繼續(xù)將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波下降沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將下降沿到達時間Tx傳遞給所述主控芯片；該步驟進行的次數(shù)與步驟一相同，并將各次下降沿到達時間Tx相加后取平均值Txp ；
[0018]步驟三、取上升沿到達時間Tsp與下降沿到達時間Txp的平均值，即為回波峰值時間 Tfp ；
[0019]步驟四、將所述回波峰值時間Tfp代入超聲波測量厚度計算公式S = V*Tfp/2，即可得到被測物體的厚度；其中，V為超聲波在所述被測物體材料中的傳播速度。
[0020]本發(fā)明還涉及一種該厚度檢測方法使用的裝置，包括超聲波探頭，所述超聲波探頭連接有比較器，所述比較器連接有計時器，所述計時器連接有主控芯片。
[0021]作為優(yōu)選的技術方案，所述比較器包括帶有八個引腳的集成比較器芯片A，所述集成比較器芯片A的1#腳連接有供電電壓VDD_R，1#腳還連接有放大器電容保護電路，所述比較器集成比較器芯片A的2#腳通過電容C17接地，所述比較器集成比較器芯片A的1#腳與2#腳之間連接有電阻R16，所述電阻R16的負極通過滑動變阻器RPl的滑動觸點接地，所述滑動變阻器RPl的負極懸空，所述R16與所述滑動變阻器RPl形成的分壓作為電壓基準輸入比較器集成比較器芯片A的3#腳，所述供電電壓VDD_R還串接有電阻R15和電阻R17，所述電阻R15和所述電阻R17的阻值相同，所述電阻R17的負極與所述滑動變阻器RPl的滑動觸點相連，并接地，集成比較器芯片集成比較器芯片集成比較器芯片所述集成比較器芯片A的5#腳通過電阻R18連接至所述電容C17的負極，所述集成比較器芯片A的7#腳為所述比較器的信號輸出端，所述集成比較器芯片A的8#腳懸空。
[0022]作為優(yōu)選的技術方案，所述供電電壓VDD_R為+5V穩(wěn)定電壓。
[0023]作為優(yōu)選的技術方案，所述放大器電容保護電路包括連接在所述集成比較器芯片A1#腳上的電容C15，所述電容C15的負極接地，所述電容C15兩端還并聯(lián)有電解電容C13。
[0024]作為優(yōu)選的技術方案，所述計時器包括帶有三十二個引腳的計時芯片TDC-GP21，所述計時芯片TDC-GP21的1#腳連接至有源晶振Xl的3#腳，所述有源晶振Xl的1#腳懸空，所述有源晶振Xl的2#腳接地，所述有源晶振Xl的4#腳連接有+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的3#腳也連接有+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的4#腳通過電容C40連接至所述計時芯片TDC-GP21的3#腳，所述計時芯片TDC-GP21的4#腳與7#腳還直接接地，所述計時芯片TDC-GP21的14#腳與+3.3V電源連接，同時所述計時芯片TDC-GP21的14#腳還通過電容C47接地，所述計時芯片TDC-GP21的15#腳通過電阻R44和電容C48接地，所述計時芯片TDC-GP21的16#腳通過電容C45接地，所述電容C48的正極與所述電容C45的正極之間連接有無源晶振X2，所述計時芯片TDC-GP21的21#腳接地，所述計時芯片TDC-GP21的22#腳連接至+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的21#腳與所述計時芯片TDC-GP21的22#腳之間連接有電容C34，所述計時芯片TDC-GP21的25#腳通過電阻R36連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的26#腳通過電阻R35連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的27#腳通過電阻R33接地，所述計時芯片TDC-GP21的28#腳直接接地，所述計時芯片TDC-GP21的29#腳連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的29#腳還連接有計時芯片保護電路，所述計時芯片TDC-GP21的30#腳與所述集成比較器芯片A7#腳相連，所述計時芯片TDC-GP21的32#腳與所述主控芯片相連，所述計時芯片TDC-GP21的32#腳通過電阻R31連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的2#腳、5#腳、6#腳、17#腳、18#腳、19#腳、20#腳、23#腳和24#腳分別懸空。
[0025]作為優(yōu)選的技術方案，所述計時芯片保護電路包括連接在所述計時芯片TDC-GP21的29#腳上的電容C31，所述電容C31的負極接地，所述電容C31兩端還并聯(lián)有電解電容C10。
[0026]作為優(yōu)選的技術方案，所述主控芯片包括帶有六十四個引腳的芯片MSP430F149，所述芯片MSP430F149的1#腳與64#腳上連接有芯片保護電路，所述芯片MSP430F149的8#腳與9#腳之間連接有無源晶振X3，所述芯片MSP430F149的44#腳與所述計時芯片TDC-GP21的13#腳相連，所述芯片MSP430F149的45#腳與所述計時芯片TDC-GP21的12#腳相連，所述芯片MSP430F149的46#腳與所述計時芯片TDC-GP21的11#腳相連，所述芯片MSP430F149的47#腳與所述計時芯片TDC-GP21的10#腳相連，所述芯片MSP430F149的48#腳與所述計時芯片TDC-GP21的9#腳相連，所述芯片MSP430F149的49#腳與所述計時芯片TDC-GP21的8#腳相連，所述芯片MSP430F149的50#腳與所述計時芯片TDC-GP21的31#腳相連，所述芯片MSP430F149的58#腳通過電容C49接地，所述芯片MSP430F149的62#腳和63#腳分別接地，所述芯片MSP430F149的其余引腳懸空。
[0027]作為優(yōu)選的技術方案，所述芯片保護電路包括連接在所述芯片MSP430F149的1#腳與64#腳上的電容C51，所述電容C51的負極接地，所述電容C51兩端還并聯(lián)有電容C50，所述電容C50的正極接+3.3V電源。
[0028]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是:
[0029]1、測厚精度有較大提高，因為采用計時芯片TDC-GP21，屬高精度計時芯片，使量化誤差減小到0.0Olmm以下，現(xiàn)有技術中的量化誤差一般為0.074_左右。
[0030]2、由于元件間的受耦合程度影響變小，因此測量穩(wěn)定性提高。
[0031]3、基本消除了相位誤差，由現(xiàn)有技術中0.148mm的相位誤差，基本減小到幾乎為零。
[0032]4、更易小型化。現(xiàn)有技術的計時電路大約需要3?4顆SO封裝的電路，而計時芯片所占面積大約是原來計時電路的1/10。
[0033]5、由于被檢測件的材料不同，其超聲波衰減的程度也不一樣，導致超聲回波信號的強度存在較大差異，而在采用本發(fā)明的方法之后，這種差異對厚度測量不產生任何影響。
[0034]6、測試時超聲波探頭的按壓力度和溫度對超聲波的傳播會存在一定影響,米用本方法后精度可以控制在0.02_以內，基本能夠達到精密測厚的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中:
[0036]圖1是本發(fā)明實施例步驟一的原理示意圖；
[0037]圖2是本發(fā)明實施例步驟二的原理示意圖；
[0038]圖3是本發(fā)明實施例步驟二的原理不意圖；
[0039]圖4是本發(fā)明實施例比較器的電路原理圖；
[0040]圖5是本發(fā)明實施例的計時器的電路原理圖；
[0041]圖6是本發(fā)明實施例的主控芯片的電路原理圖；
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和實施例，進一步闡述本發(fā)明。在下面的詳細描述中，只通過說明的方式描述了本發(fā)明的某些示范性實施例。毋庸置疑，本領域的普通技術人員可以認識到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式對所描述的實施例進行修正。因此，附圖和描述在本質上是說明性的，而不是用于限制權利要求的保護范圍。
[0043]超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法，包括以下步驟:
[0044]如圖1所示，步驟一、將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，超聲波探頭在檢測之前，需要在超聲波探頭上附圖耦合劑，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波上升沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將上升沿到達時間Ts傳遞給主控芯片；
[0045]如圖2所示，步驟二、繼續(xù)將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波下降沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將下降沿到達時間Tx傳遞給所述主控芯片;
[0046]如圖3所示，步驟三、取上升沿到達時間Ts與下降沿到達時間Tx的平均值，即為回波峰值時間Tf ；
[0047]步驟四，將所述回波峰值時間Tf代入超聲波測量厚度計算公式S = V*Tf/2，即可得到被測物體的厚度；其中，V為超聲波在所述被測物體材料中的傳播速度。
[0048]本實施例中，為了提高厚度檢測的精度，主要包括以下步驟:
[0049]步驟一、將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波上升沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將上升沿到達時間Ts傳遞給所述主控芯片；該步驟至少進行兩次，并將各次上升沿到達時間Ts相加后取平均值Tsp，本實施例中該步驟需要進行八次，從而最大程度地提高了被測物體厚度檢測的精度。
[0050]步驟二、繼續(xù)將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波下降沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將下降沿到達時間Tx傳遞給所述主控芯片；相應地，該步驟進行的次數(shù)也進行八次，并將各次下降沿到達時間Tx相加后取平均值Txp ；
[0051]步驟三、取上升沿到達時間Tsp與下降沿到達時間Txp的平均值，即為回波峰值時間 Tfp ；
[0052]步驟四、將所述回波峰值時間Tfp代入超聲波測量厚度計算公式S = V*Tfp/2，即可得到被測物體的厚度；其中，V為超聲波在所述被測物體材料中的傳播速度。
[0053]本實施例還涉及一種該厚度檢測方法使用的裝置，包括超聲波探頭，所述超聲波探頭連接有比較器，所述比較器連接有計時器，所述計時器連接有主控芯片。
[0054]如圖4所示，所述比較器包括帶有八個引腳的集成比較器芯片A，所述集成比較器芯片A的1#腳連接有供電電壓VDD_R，1#腳還連接有放大器電容保護電路，所述比較器集成比較器芯片A的2#腳通過電容C17接地，所述比較器集成比較器芯片A的1#腳與2#腳之間連接有電阻R16，所述電阻R16的負極通過滑動變阻器RPl的滑動觸點接地，所述滑動變阻器RPl的負極懸空，所述R16與所述滑動變阻器RPl形成的分壓作為電壓基準輸入比較器集成比較器芯片A的3#腳作為基準。所述供電電壓VDD_R還串接有電阻R15和電阻R17，所述電阻R15和所述電阻R17的阻值相同，為超聲波信號Ultrasonic提供偏置電壓，且所述偏置電壓為0.7mvo超聲波信號Ultrasonic通過電容C16交流稱合變?yōu)橐云秒妷篤DD_R/2為中心值得衰減正弦波。所述電阻R17的負極與所述滑動變阻器RPl的滑動觸點相連，并接地。集成比較器芯片集成比較器芯片集成比較器芯片所述集成比較器芯片A的5#腳通過電阻R18連接至所述電容C17的負極，所述集成比較器芯片A的7#腳為所述比較器的信號輸出端，所述集成比較器芯片A的8#腳懸空。
[0055]所述供電電壓VDD_R為+5V穩(wěn)定電壓，所述集成比較器芯片的3#腳電壓基準應調至VDD_R/2+0.5V = 3V,使超聲波回波信號基本不會造成相位延遲，有助于提高檢測精度。所述放大器電容保護電路包括連接在所述集成比較器芯片A1#腳上的電容C15，所述電容C15的負極接地，所述電容C15兩端還并聯(lián)有電解電容C13。
[0056]如圖5所示，所述計時器包括帶有三十二個引腳的計時芯片TDC-GP21，所述計時芯片TDC-GP21的1#腳連接至有源晶振Xl的3#腳，所述有源晶振Xl的1#腳懸空，所述有源晶振Xl的2#腳接地，所述有源晶振Xl的4#腳連接有+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的3#腳也連接有+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的4#腳通過電容C40連接至所述計時芯片TDC-GP21的3#腳，所述計時芯片TDC-GP21的4#腳與7#腳還直接接地，所述計時芯片TDC-GP21的14#腳與+3.3V電源連接，同時所述計時芯片TDC-GP21的14#腳還通過電容C47接地，所述計時芯片TDC-GP21的15#腳通過電阻R44和電容C48接地，所述計時芯片TDC-GP21的16#腳通過電容C45接地，所述電容C48的正極與所述電容C45的正極之間連接有無源晶振X2，所述計時芯片TDC-GP21的21#腳接地，所述計時芯片TDC-GP21的22#腳連接至+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的21#腳與所述計時芯片TDC-GP21的22#腳之間連接有電容C34，所述計時芯片TDC-GP21的25#腳通過電阻R36連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的26#腳通過電阻R35連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的27#腳通過電阻R33接地，所述計時芯片TDC-GP21的28#腳直接接地，所述計時芯片TDC-GP21的29#腳連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的29#腳還連接有計時芯片保護電路，所述計時芯片TDC-GP21的30#腳是計時結束信號，與所述集成比較器芯片A7#腳相連，所述計時芯片TDC-GP21的31#腳連接主控芯片MSP430F149的50#腳作為計時啟動信號。所述計時芯片TDC-GP21的32#腳通過電阻R31連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的2#腳、5#腳、6#腳、17#腳、18#腳、19#腳、20#腳、23#腳和24#腳分別懸空。計時芯片TDC-GP21的啟動信號(START)是主控芯片發(fā)出的，與超聲波發(fā)射時間相差嚴格的一個時鐘周期；計時芯片TDC-GP21的結束信號(STOPl)來自于比較器的輸出信號。
[0057]所述計時芯片保護電路包括連接在所述計時芯片TDC-GP21的29#腳上的電容C31，所述電容C31的負極接地，所述電容C31兩端還并聯(lián)有電解電容C10。
[0058]如圖6所示，所述主控芯片包括帶有六十四個引腳的芯片MSP430F149，所述芯片MSP430F149的1#腳與64#腳上連接有芯片保護電路，所述芯片MSP430F149的8#腳與9#腳之間連接有無源晶振X3，所述芯片MSP430F149的44#腳與所述計時芯片TDC-GP21的13#腳相連，所述芯片MSP430F149的45#腳與所述計時芯片TDC-GP21的12#腳相連，所述芯片MSP430F149的46#腳與所述計時芯片TDC-GP21的11#腳相連，所述芯片MSP430F149的47#腳與所述計時芯片TDC-GP21的10#腳相連，所述芯片MSP430F149的48#腳與所述計時芯片TDC-GP21的9#腳相連，所述芯片MSP430F149的49#腳與所述計時芯片TDC-GP21的8#腳相連，所述芯片MSP430F149的50#腳與所述計時芯片TDC-GP21的31#腳相連，所述芯片MSP430F149的58#腳通過電容C49接地，所述芯片MSP430F149的62#腳和63#腳分別接地，所述芯片MSP430F149的其余引腳懸空。
[0059]本實施例中，所述芯片保護電路包括連接在所述芯片MSP430F149的1#腳與64#腳上的電容C51，所述電容C51的負極接地，所述電容C51兩端還并聯(lián)有電容C50，所述電容C50的正極接+3.3V電源。
[0060]本實施例具有以下特點:
[0061]1、邊沿檢測的精度大幅度提高
[0062]邊沿檢測通常的實現(xiàn)方式是:設定閾值輸入到比較器的一端，被檢測波形輸入到比較器的另一端，二者差值在零點變化的時候，比較器的輸出發(fā)生電平反轉。
[0063]由此可見，邊沿檢測的精度取決于比較器的兩個指標:響應時間和觸發(fā)閾值。即當輸入端電平差值發(fā)生正負變化時，電平反轉越迅速，則相位誤差越??；觸發(fā)閾值越小則相位誤差越小(輸入電平差值發(fā)生交越時，輸出電平反轉越陡峭)。因此在實施例中，選取MAX9013這一比較器IC作為邊沿檢測的器件，相應時間短、反轉迅速。
[0064]2、設計精密的計時電路
[0065]傳統(tǒng)即時電路多采用計數(shù)器，通過脈沖計數(shù)的辦法來實現(xiàn)計時。以脈沖周期為40MHz計算，計時精度只能達到25nS，以5920m/S的聲速計算，厚度的測量誤差為5920*0.025/2 = 0.074mm,因此目前使用的采用這種原理的計時方法的儀器是無法達到
0.05mm精度的。本實施例中采用熱量表行業(yè)目前大量使用的精密計時芯片來實現(xiàn)精密計時，計時精度可以達到PS級，完全能滿足精密測厚的要求。
[0066]3、等效峰值的實現(xiàn)
[0067]現(xiàn)有技術中等效峰值的實現(xiàn)是:檢測首波的上升沿和下降沿(對于同一閾值而言)，峰值時刻是上升沿和下降沿的均值。這里出現(xiàn)的問題是，需要使用兩路比較器，但如果采用兩路比較器分別檢測上升沿和下降沿，勢必會增加硬件電路的復雜度，也提高了成本。并且由于兩通道的差異，會造成上升沿時間和下降沿時間檢測的不對稱，從而引入一定的系統(tǒng)誤差。而本實施例中首先設置計時芯片TDC-GP21為正脈沖觸發(fā)，連續(xù)測至少4次取平均作為上升沿的平均到達時間Tsp ;設置TDC-GP21計時芯片為負脈沖觸發(fā)，連續(xù)測量4次取平均得出下降沿的平均到達時間Txp,峰值到達時間為Tfp = (Tsp+Txp)/2。
[0068]實際上在檢測不同材料的被測物體時，由于探頭發(fā)射頻率可以達到50Hz或者更高，因此可使用8次發(fā)射與回波接收計算一次超聲波厚度，響應速度也是比較快的，根本不會影響讀數(shù)速度。
[0069]4、不存在耦合影響
[0070]因為峰值的相位是不隨幅度變化而變化的，所以耦合情況的變化、材料衰減對超聲波的幅度的影響、以及電路性能差別造成的回波幅度的變化并不會影響厚度值的測量，將這種方法用于回波-回波方式的超聲波厚度檢測，可以達到更高的精度，實驗證明，這種方法的厚度分辨率約為0.001mm，誤差基本可以控制在0.02mm以內，實際上這完全能夠滿足薄件測厚的要求。
[0071]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)TyZ，所述超聲波回波上升沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將上升沿到達時間Ts傳遞給主控芯片； 步驟二、繼續(xù)將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波下降沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將下降沿到達時間Tx傳遞給所述主控芯片； 步驟三、取上升沿到達時間Ts與下降沿到達時間Tx的平均值，即為回波峰值時間Tf ； 步驟四，將所述回波峰值時間Tf代入超聲波測量厚度計算公式S = V*Tf/2，即可得到被測物體的厚度；其中，V為超聲波在所述被測物體材料中的傳播速度。
2.如權利要求1所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波上升沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將上升沿到達時間Ts傳遞給所述主控芯片；該步驟至少進行兩次，并將各次上升沿到達時間Ts相加后取平均值Tsp ； 步驟二、繼續(xù)將超聲波探頭垂直抵靠在被測物體上并發(fā)出超聲波，所述超聲波到達所述被測物體的材料分界面，所述超聲波被反射回來形成超聲波回波，所述超聲波回波被所述超聲波探頭接收并轉變成回波電信號，所述回波電信號傳送給比較器，所述比較器中被輸入閾值參數(shù)Tyz，所述超聲波回波下降沿的電信號與所述閾值參數(shù)相等時，所述比較器輸出信號至計時器，所述計時器將下降沿到達時間Tx傳遞給所述主控芯片；該步驟進行的次數(shù)與步驟一相同，并將各次下降沿到達時間Tx相加后取平均值Txp ； 步驟三、取上升沿到達時間Tsp與下降沿到達時間Txp的平均值，即為回波峰值時間Tfp ； 步驟四、將所述回波峰值時間Tfp代入超聲波測量厚度計算公式S = V*Tfp/2，即可得到被測物體的厚度；其中，V為超聲波在所述被測物體材料中的傳播速度。
3.如權利要求1或2所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度方法使用的裝置，其特征在于，包括超聲波探頭，所述超聲波探頭連接有比較器，所述比較器連接有計時器，所述計時器連接有主控芯片。
4.如權利要求3所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度方法使用的裝置，其特征在于:所述 比較器包括帶有八個引腳的集成比較器芯片A，所述集成比較器芯片A的1#腳連接有供電電壓VDD_R，1#腳還連接有放大器電容保護電路，所述比較器集成比較器芯片A的2#腳通過電容C17接地，所述比較器集成比較器芯片A的1#腳與2#腳之間連接有電阻R16，所述電阻R16的負極通過滑動變阻器RPl的滑動觸點接地，所述滑動變阻器RPl的負極懸空，所述R16與所述滑動變阻器RPl形成的分壓作為電壓基準輸入比較器集成比較器芯片A的3#腳，所述供電電壓VDD_R還串接有電阻Rl5和電阻Rl7，所述電阻Rl5和所述電阻Rl7的阻值相同，所述電阻R17的負極與所述滑動變阻器RPl的滑動觸點相連，并接地，集成比較器芯片集成比較器芯片集成比較器芯片所述集成比較器芯片A的5#腳通過電阻R18連接至所述電容C17的負極，所述集成比較器芯片A的7#腳為所述比較器的信號輸出端，所述集成比較器芯片A的8#腳懸空。
5.如權利要求4所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度方法使用的裝置，其特征在于:所述供電電壓VDD_R為+5V穩(wěn)定電壓。
6.如權利要求4所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度方法使用的裝置，其特征在于:所述放大器電容保護電路包括連接在所述集成比較器芯片A1#腳上的電容C15，所述電容C15的負極接地，所述電容C15兩端還并聯(lián)有電解電容C13。
7.如權利要求3所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度方法使用的裝置，其特征在于:所述計時器包括帶有三十二個引腳的計時芯片TDC-GP21，所述計時芯片TDC-GP21的1#腳連接至有源晶振Xl的3#腳，所述有源晶振Xl的1#腳懸空，所述有源晶振Xl的2#腳接地，所述有源晶振Xl的4#腳連接有+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的3#腳也連接有+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的4#腳通過電容C40連接至所述計時芯片TDC-GP21的3#腳，所述計時芯片TD C-GP21的4#腳與7#腳還直接接地，所述計時芯片TDC-GP21的14#腳與+3.3V電源連接，同時所述計時芯片TDC-GP21的14#腳還通過電容C47接地，所述計時芯片TDC-GP21的15#腳通過電阻R44和電容C48接地，所述計時芯片TDC-GP21的16#腳通過電容C45接地，所述電容C48的正極與所述電容C45的正極之間連接有無源晶振X2，所述計時芯片TDC-GP21的21#腳接地，所述計時芯片TDC-GP21的22#腳連接至+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的21#腳與所述計時芯片TDC-GP21的22#腳之間連接有電容C34，所述計時芯片TDC-GP21的25#腳通過電阻R36連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的26#腳通過電阻R35連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的27#腳通過電阻R33接地，所述計時芯片TDC-GP21的28#腳直接接地，所述計時芯片TDC-GP21的29#腳連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的29#腳還連接有計時芯片保護電路，所述計時芯片TDC-GP21的30#腳與所述集成比較器芯片A7#腳相連，所述計時芯片TDC-GP21的32#腳與所述主控芯片相連，所述計時芯片TDC-GP21的32#腳通過電阻R31連接至所述+3.3V電源，所述計時芯片TDC-GP21的2#腳、5#腳、6#腳、17#腳、18#腳、19#腳、20#腳、23#腳和24#腳分別懸空。
8.如權利要求7所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度方法使用的裝置，其特征在于:所述計時芯片保護電路包括連接在所述計時芯片TDC-GP21的29#腳上的電容C31，所述電容C31的負極接地，所述電容C31兩端還并聯(lián)有電解電容C10。
9.如權利要求3所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度方法使用的裝置，其特征在于:所述主控芯片包括帶有六十四個引腳的芯片MSP430F149，所述芯片MSP430F149的1#腳與64#腳上連接有芯片保護電路，所述芯片MSP430F149的8#腳與9#腳之間連接有無源晶振X3，所述芯片MSP430F149的44#腳與所述計時芯片TDC-GP21的13#腳相連，所述芯片MSP430F149的45#腳與所述計時芯片TDC-GP21的12#腳相連，所述芯片MSP430F149的46#腳與所述計時芯片TDC-GP21的11#腳相連，所述芯片MSP430F149的47#腳與所述計時芯片TDC-GP21的10#腳相連，所述芯片MSP430F149的48#腳與所述計時芯片TDC-GP21的9#腳相連，所述芯片MSP430F149的49#腳與所述計時芯片TDC-GP21的8#腳相連，所述芯片MSP430F149的50#腳與所述計時芯片TDC-GP21的31#腳相連，所述芯片MSP430F149的58#腳通過電容C49接地，所述芯片MSP430F149的62#腳和63#腳分別接地，所述芯片MSP430F149的其余引腳懸空。
10.如權利要求9所述的超聲波等效峰值精準檢測厚度方法使用的裝置，其特征在于:所述芯片保護電路包括連接在所述芯片MSP430F149的1#腳與64#腳上的電容C51，所述電容C51的負極接地，所述電容C51兩端還并聯(lián)有電容C50，所述電容C50的正極接+3.3V電源。
【文檔編號】G01B15/02GK104048628SQ201410268232
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權日:2014年6月16日
【發(fā)明者】楊慶德, 尹建華 申請人:山東中科普銳檢測技術有限公司