專利名稱：超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子測量儀表，尤其涉及一種用于土木建筑工程中的超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)。
目前，在建筑領(lǐng)域高層建筑深基坑開挖的情況下，必須測定鋼筋的應(yīng)力，傳統(tǒng)的測試方法是基于弦振動原理的振弦式鋼筋應(yīng)力計和由電阻應(yīng)變片制成的應(yīng)變片式應(yīng)力計；這二種儀器的缺點是振弦式鋼筋應(yīng)力計的測微精度極低，其測量分辨率約為50μm左右，且無法直接標(biāo)定鋼筋的微應(yīng)變值，測定值需二次折合，才能獲得應(yīng)變值；此外，振弦式應(yīng)力計的測量誤差隨溫度的變化較大；應(yīng)變片式應(yīng)力計的測量分辨率略高于振弦式鋼筋應(yīng)力計，然而壽命短是應(yīng)變片式應(yīng)力計的致命的缺點；因而在大多數(shù)場合，采用振弦式鋼筋應(yīng)力計或應(yīng)變片式應(yīng)力計所測得的值不能正確地指導(dǎo)工程施工，精度低，誤差大。
當(dāng)今，信息化施工已成為土木建筑工程的主流，在施工過程中需要準(zhǔn)確地獲取工程施工情況的第一手資料，以便工程技術(shù)人員準(zhǔn)確地指導(dǎo)施工；因而對直接反映施工情況的監(jiān)測手段提出了更高的要求；遺憾的是基于弦振動原理的振弦式應(yīng)力、位移、應(yīng)變儀器由于其自身的缺陷無法提供準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，由于測量精度的原因誤導(dǎo)施工的現(xiàn)象屢見不鮮；根據(jù)我國目前測量儀器制造業(yè)的現(xiàn)狀，尚無基于現(xiàn)代測量原理測定應(yīng)力、位移、應(yīng)變等工程測量儀器提供。
本發(fā)明的目的就是為了改變我國工程施工測量儀器的落后局面，針對振弦式鋼筋應(yīng)力計的缺陷，而提供的一種完全拚棄了弦振動原理、利用超聲波原理精確測定應(yīng)力、位移、應(yīng)變等物理量的現(xiàn)代測量儀器；為準(zhǔn)確指導(dǎo)工程施工提供一種完全排除了周圍環(huán)境干擾、溫度漂移因素，具有測量精度達(dá)到微米量級的變化位移、智能化程度高等特征的超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)。
實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是1、一種超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)，其特征在于由設(shè)在被測物上的至少一個超聲波探測器(1)和與之配套的接收測量系統(tǒng)(2)以及供電電路(3)構(gòu)成；所述的接收測量系統(tǒng)包括電子測量電路子系統(tǒng)(2)和匯編程序軟件子系統(tǒng)(28)，其中電子測量電路子系統(tǒng)(2)由單片機(jī)CPU、高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)、多次回波控制電路(12)、信號驅(qū)動及功率放大電路(13)、時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)、單片機(jī)CPU及外圍電路(15)、輸入輸出擴(kuò)展電路(16)、非易失性靜態(tài)存儲器(17)、薄膜觸摸鍵盤(18)、RS-232接口電路(19)、液晶顯示屏(20)、溫度測量電路(21)、溫度控制電路(22)組成；所述的高阻放大器(9)的輸入端與超聲波探測器(1)超聲波接收器的探頭連接，高阻放大器(9)的輸出端與高速電壓比較器(10)的輸入端連接，并且高速電壓比較器(10)同時與多次回波控制電路(12)和時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)順序連接；所述單片機(jī)CPU發(fā)出的清零信號分別與單脈沖變換器(11)、時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)和多次回波控制電路(12)連接；單片機(jī)還與RS-232接口電路(19)雙向連接，并通過數(shù)據(jù)線與輸入輸出擴(kuò)展電路(16)和非易失性靜態(tài)存儲器(17)雙向連接，還與薄膜觸摸按鈕(18)單向連接；所述單脈沖變換器(11)起始受單片機(jī)的清零信號清零后，接收高速電壓比較器(10)的輸出信號并經(jīng)變換后與信號驅(qū)動及功率放大電路(13)連接，經(jīng)信號驅(qū)動及功率放大電路(13)放大后的信號與超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器探頭連接；所述的時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)和液晶顯示屏(20)分別通過輸入輸出擴(kuò)展電路(16)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線連接；所述的匯編程序軟件子系統(tǒng)(28)固化在電子測量電路子系統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)，用以對測量值進(jìn)行計算、對測量誤差進(jìn)行軟件修正，對所述電子測量電路子系統(tǒng)的有關(guān)電路進(jìn)行控制；所述的供電電路(3)由抗雷擊電路(23)、整流濾波電路(24)、限流穩(wěn)壓充電電路(25)，電源變換器(26)和兩組蓄電池(27)組成；提供電子測量電路子系統(tǒng)(2)的工作電源。
一種專用于超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)的超聲波探測器，其特征在于包括外套管、內(nèi)套管、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器以及溫度集成電路；所述的內(nèi)套管設(shè)在外套管中，內(nèi)套管的中段設(shè)置一段自由端；所述的超聲波發(fā)射器和超聲波接收器分別連接在內(nèi)套管的兩端，共同構(gòu)成高密封腔體；所述的內(nèi)套管中還設(shè)有一溫度集成電路。
一種用于超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)的測量方法，其特征在于利用超聲波傳輸原理，通過電子測量電路子系統(tǒng)(2)向超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器(4)發(fā)出激勵脈沖信號，經(jīng)超聲波接收器(5)接收后轉(zhuǎn)換成電壓型回波信號，電子測量電路(2)收到回波信號后再發(fā)出下一個激勵脈沖信號，以往返多次的應(yīng)答交互方式放大微變量；將電子測量電路子系統(tǒng)中發(fā)出的激勵脈沖信號經(jīng)超聲波探測器轉(zhuǎn)換成超聲波能量，再經(jīng)電子測量電路子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
采用溫度控制電路(22)對所述高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)及信號驅(qū)動及功率放大電路(13)進(jìn)行恒溫控制方式，以保持這些電路中的集成電路的延時時間受環(huán)境溫度變化的影響最小；采用在內(nèi)套管的中段設(shè)置自由端的方式消除超聲波探測器由于自身溫度膨脹系數(shù)隨外界溫度變化所造成的誤差以及由于超聲波探測器與被測物之間溫度系數(shù)不匹配所造成的誤差；通過設(shè)置在超聲波探測器內(nèi)套管中的溫度集成電路(8)測定超聲波探測器的工作溫度，并將該溫度測定值提供給單片機(jī)CPU，固化在單片機(jī)CPU中的匯編程序軟件根據(jù)測定的溫度值修正超聲波處于該測定溫度情況下的傳播速度。
由于本發(fā)明采用了以上的技術(shù)方案，所產(chǎn)生的效果和優(yōu)點是明顯的1)本發(fā)明超聲波探測器內(nèi)套管設(shè)計自由端的結(jié)構(gòu)完全克服了振弦式應(yīng)力計安裝時須將被測物截斷的弊端，排除了振弦式應(yīng)力計因自身溫度變化而引起的誤差，簡化了安裝和測量的操作過程；2)通過直接測出被測物的微小變形量和位移數(shù)據(jù)；采用多次回波對時標(biāo)脈沖進(jìn)行計數(shù)，將被測量的微變量實行放大，無需其它精密設(shè)備便能完成對微米量級直至毫米量級的微小位移測量，大大提高了工程測量的精度；3)采用非易失性靜態(tài)存儲器，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行長期保存；4)配有RS-232接口，可與通用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)后處理能力；5)壽命長，適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)。
6)能精確測定超聲波探測器(1)及其周邊環(huán)境的溫度；7)配有專用的供電和充電電路，對本發(fā)明的所有用電提供合適的工作電源并對配置的電池施以充電；為進(jìn)一步了解本發(fā)明的性能、特征，現(xiàn)結(jié)合以下實施例及其附圖再作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明的超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)總框圖；圖2是本發(fā)明的超聲波探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3-1、圖3-2、圖3-3、圖3-4、圖3-5為組成本發(fā)明電子測量電路子系統(tǒng)各電路的電原理圖；圖4是本發(fā)明充電及供電電路子系統(tǒng)的電原理圖5-1、圖5-2、圖5-3、圖5-4分別是本發(fā)明匯編程序軟件子系統(tǒng)的程序控制流程圖。
請參閱附圖本發(fā)明是一種超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)，由至少一個超聲波探測器和與之配套的接收測量系統(tǒng)構(gòu)成。利用超聲波傳輸原理，將接收測量系統(tǒng)中發(fā)出的激勵脈沖信號經(jīng)超聲波探測器轉(zhuǎn)換成超聲波能量，再經(jīng)接收測量系統(tǒng)中的電子測量電路子系統(tǒng)(2)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
所述的超聲波探測器包括超聲波發(fā)射器(4)、超聲波接收器(5)、內(nèi)套管(6)、外套管(7)和溫度集成電路(8)。所述的內(nèi)套管(6)是一段不銹鋼管，其中段是一段不銹鋼波紋管(6-1)，不銹鋼波紋管段(6-1)的作用是形成自由端，從而徹底消除超聲波探測器由于自身溫度膨脹系數(shù)隨外界溫度變化所造成的誤差以及由于超聲波探測器與被測物之間溫度系數(shù)不匹配所造成的誤差；內(nèi)套管(6)設(shè)在封閉的外套管(7)中，所述的超聲波發(fā)射器(4)和超聲波接收器(5)分別設(shè)在內(nèi)套管波紋管段(61)的兩端并共同形成高密封腔體。所述的超聲波探測器的發(fā)射器(4)和接收器(5)分別通過連接端(41)、(51)與被測物固定。本發(fā)明的實施例中，超聲波發(fā)射器采用HTCK/40T型號，超聲波接收器采用HTCK/40R型號。所述的內(nèi)套管中還設(shè)有一溫度集成電路(8)，溫度集成電路(8)采用LM235型號，其作用是探測出超聲波探測器所處的環(huán)境溫度，同時根據(jù)測定的溫度值計算出由于環(huán)境溫度變化引起的超聲波探測器密封腔體氣體密度的變化量，由固化在單片機(jī)CPU中的匯編程序軟件子系統(tǒng)(28)修正由于氣體密度的變化而引起的超聲波波速的變化。
所述的接收測量系統(tǒng)，包括電子測量電路子系統(tǒng)(2)及匯編程序軟件子系統(tǒng)(28)。利用超聲波傳輸原理，通過電子測量電路子系統(tǒng)(2)向超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器(4)發(fā)出激勵脈沖信號，經(jīng)超聲波接收器(5)接收后轉(zhuǎn)換成電壓型回波信號，電子測量電路子系統(tǒng)(2)收到回波信號后再發(fā)出下一個激勵脈沖信號，以往返多次的應(yīng)答交互方式放大微變量；電子測量電路子系統(tǒng)(2)發(fā)出的激勵脈沖信號經(jīng)在所述的內(nèi)套管一端的超聲波發(fā)射器(4)轉(zhuǎn)換成超聲波信號，該超聲波信號傳輸至內(nèi)套管的另一端的超聲波接收器被重新變換成電壓型回波信號；經(jīng)多次重復(fù)以上過程并達(dá)到要求的次數(shù)后，再經(jīng)電子測量電路子系統(tǒng)(2)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明電子測量電路子系統(tǒng)(2)由單片機(jī)CPU、高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)、多次回波控制電路(12)、信號驅(qū)動及功率放大電路(13)、時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)、單片機(jī)CPU的外圍電路(15)、輸入輸出擴(kuò)展電路(16)、非易失性靜態(tài)存儲器(17)、薄膜觸摸鍵盤(1 8)、RS-232接口電路(19)、液晶顯示屏(20)、溫度測量電路(21)、溫度控制電路(22)組成；所述高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)及信號驅(qū)動及功率放大電路(13)置于恒溫槽內(nèi)，由溫度控制電路(22)對其進(jìn)行溫度控制，精度達(dá)±0.1℃；所述的高阻放大器(9)的輸入端與超聲波探測器(1)超聲波接收器的探頭連接，高阻放大器(9)的輸出端與高速電壓比較器(10)的輸入端連接，并且高速電壓比較器(10)與多次回波控制電路(12)和時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)順序連接；所述單片機(jī)CPU發(fā)出的清零信號分別與單脈沖變換器(11)、時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)和多次回波控制電路(12)連接；單片機(jī)還與接口電路(19)雙向連接，并通過數(shù)據(jù)線與輸入輸出擴(kuò)展電路(16)和非易失性靜態(tài)存儲器(17)雙向連接，還與薄膜觸摸按鈕(18)單向連接；所述單脈沖變換器(11)接收從高速電壓比較器(10)的回波信號和單片機(jī)的清零信號經(jīng)變換后與信號驅(qū)動及功率放大電路(13)信號放大后與超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器探頭連接；所述的時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)和液晶顯示屏(20)分別通過數(shù)據(jù)線與輸入輸出擴(kuò)展電路(16)連接。
本發(fā)明的高阻放大器(9)(見圖3-1)由電容2C10、2C11，電阻2R5、2R6、2R7、2R8，二極管2D1、2D2、2D3,MOS場效應(yīng)晶體管2M1(型號2N5485)，PNP晶體管2TR1(型號PN5139)構(gòu)成，采用MOS場效應(yīng)晶體管2M1(型號2N5485)的目的是為了有效地提高輸入阻抗，從而降低對信號源索取功率的要求，高速比較器(10)(見圖3-1)由電阻2R9、2R10、2R11，電容2C12、2C15，電位器2P1，高速集成電壓比較器2IC15(型號AM605)組成，其中電位器2P1、電容2C12和電阻2R9構(gòu)成了分壓電路，用以為高速集成電壓比較器2IC15(型號AM605)提供初始基準(zhǔn)電壓，使高速集成電壓比較器2IC15的同相端在無輸入回波信號時輸出數(shù)字低電平，電解電容2E9和電容2C13為本級的電源退耦電路；回波信號經(jīng)過高阻放大器(9)和高速比較器(10)處理成的脈沖信號被饋入集成計數(shù)器2IC23(型號74F161)的2腳，集成計數(shù)器2IC23(型號74F161)的輸出經(jīng)集成或門電路2IC15:A(型號74F32)、2IC15:B(型號74F32)、2IC15:C(型號74F32)、2IC15:D(型號74F32)將回波信號的直接信號和可能出現(xiàn)的多次發(fā)射波信號處理成脈度拉長了的單脈沖信號，并將此信號將經(jīng)電容2C29和電阻2R39微分后饋入集成與門電路2IC14:B(型號74F08)的第4腳；單脈沖變換器(11)的功能是將集成與門電路2IC14:B(型號74F08)的輸出腳(第6腳)的輸出信號變換成等寬度(10μs)的脈沖信號，以提供下一輪次的激勵脈沖信號。
單脈沖變換器(11)(見圖3-1)由型號為74F00的集成與非門電路2IC18:A、2IC18:B，型號為74F32的集成或門電路2IC16:A、2IC16:B、2IC16:C、2IC16:D，型號為74F161的集成計數(shù)器2IC23，型號為74121的集成單穩(wěn)態(tài)電路2IC22，以及電阻2R14、2R20、2R37、2R38、2R39，二極管2D4、2D7、2D8，電容2C16、2C17、2C27、2C28、2C29組成；其中，電阻2R20、電容2C17構(gòu)成了脈沖寬度的定時時間常數(shù)電路，定時時間常數(shù)約為10微秒；二極管2D4(型號2CK)的作用是為了防止時間常數(shù)電路中的電容2C17中存儲電荷的泄漏；當(dāng)驅(qū)動及功率放大電路(13)發(fā)出一個激勵脈沖后，經(jīng)超聲波接收器(5)換能的信號除了直接換能信號外，還包含因超聲波接收器(5)的物理特性而在超聲波壓電晶體二端面形成的反射信號，從而在超聲波接收器的輸出信號中形成三、四、五…等N次由反射信號引起的換能信號，為確保電子測量電路子系統(tǒng)(2)在處理回波信號時具有恒定的延時時間和排除由于反射信號引起的誤觸發(fā)，電子測量電路子系統(tǒng)(2)在收到直接回波信號的上升沿時，即刻向超聲波探測器(1)超聲波發(fā)射器(4)發(fā)出下一個激勵脈沖信號，因而必須清除除直接換能信號以外的所有反射信號；集成計數(shù)器2IC23和集成或門電路2IC16:A、2IC16:B、2IC16:C、2IC16:D的作用是將超聲波接收器(5)送來的直接回波信號和由反射引起的多次回波信號變換成單一脈沖信號，并經(jīng)由電阻2R39、電容2C29、二極管2D8組成的正極性微分電路單次觸發(fā)由集成與非門電路2IC17:A、2IC17:B，電阻2R20，電容2C17以及二極管2D4組成的同步脈沖展寬電路，使信號驅(qū)動及功率放大電路(13)在同步脈沖的上升沿作用下，即刻向超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器探頭發(fā)出下一個等寬度(10μs)的激勵脈沖信號。
單脈沖變換器(11)的輸出信號經(jīng)電容2C18耦合后饋入信號驅(qū)動及功率放大電路(13)，信號驅(qū)動及功率放大電路(13)(見圖3-2)由集成脈沖放大器2IC19(型號MC1554)，電阻2R21、2R22，電容2C19、2C20、2C21、2C22、2C23組成；信號驅(qū)動及功率放大電路(13)的功能是為超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器(4)提供足夠的脈沖信號功率。
本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理由單片機(jī)及外圍電路(15)、地址鎖存器2IC3(型號74LS373)、非易失性靜態(tài)存儲器(17)、輸入輸出擴(kuò)展電路(16)和薄膜觸摸鍵盤(18)、RS-232接口電路(21)、液晶顯示屏(20)完成；單片機(jī)2IC1采用型號87C552，由電解電容2E1、2E2、2E3、電容2C1、2C2、按鍵開關(guān)2SW1、集成非門電路2IC2:C(型號74F14)構(gòu)成了單片機(jī)及外圍電路(15)的的復(fù)位驅(qū)動電路；石英晶體振蕩器2JZ1(12MHZ)和電容2C3、2C4組成的振蕩電路為單片機(jī)2IC1提供機(jī)器振蕩信號，并作為時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)的時基信號；電解電容2E3、電容2C2為退耦電路；集成鎖存器2IC3(型號74LS373)用以鎖存單片機(jī)2IC1的P0口低8位地址；輸入輸出擴(kuò)展電路(16)(見圖3-3)由擴(kuò)展芯片2IC6(8255)構(gòu)成，用以對外圍16位時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)及液晶顯示屏(20)與單片機(jī)2IC1的數(shù)據(jù)交互通道進(jìn)行擴(kuò)展；非易失性靜態(tài)存儲器(17)(見圖3-3)由非易失性靜態(tài)存儲器2IC4(型號HK1235)、2IC5(型號HK1235)構(gòu)成，用以存儲本發(fā)明的測量數(shù)據(jù)；薄膜觸摸鍵盤(18)(見圖3-4)由薄膜按鍵開關(guān)2S1、2S2、2S3、2S4、2S5、2S6、2S7、2S8、2S9、2S10、2S11、2S12及電阻2R2、2R3、2R4組成，用以完成人機(jī)對話；RS-232接口電路(19)的目的是為了實現(xiàn)本發(fā)明的存儲數(shù)據(jù)與通用計算機(jī)交互訪問的功能，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，RS-232接口電路(19)(見圖3-4)由集成電路2IC21(型號TC232C)及電解電容2E14、2E15、2E16、2E17組成。
時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)(見圖3-5)由采樣集成計數(shù)器2IC7(型號74F161)、2IC8(型號74F161)、2IC9(型號74F161)、2IC10(型號74F161)組成，用以在12兆赫茲的時標(biāo)脈沖觸發(fā)下，完成接收31輪測量時間程間的時標(biāo)脈沖信號個數(shù)的計數(shù)。
多次回波控制電路(12)的集成計數(shù)器2IC11(74F161)、2IC12(74F161)構(gòu)成了對回波信號的計數(shù)，例如本實施例設(shè)計為對31次回波信號進(jìn)行五位二進(jìn)制計數(shù)，即當(dāng)2IC11(74F161)、2IC12(74F161)構(gòu)成的八位二進(jìn)制計數(shù)器的前五位全為1時，集成與非門2IC13(74F30)的輸出為低電平“0”，該輸出信號具有兩個作用1)向單片機(jī)2IC1(87C552)發(fā)出中斷控制信號(INO-)，通知單片機(jī)2IC1(87C552)本次測量結(jié)束，單片機(jī)2IC1(87C552)開始采樣由溫度測量電路(21)送來的溫度信號，并對該信號施以模/數(shù)轉(zhuǎn)換，溫度信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換完畢，單片機(jī)2IC1(87C552)將采樣集成計數(shù)器2IC7(74F161)、2IC8(74F161)、2IC9(74F161)、2IC10(74F161)組成的16位時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)，編譯在單片機(jī)2IC1(87C552)中的匯編程序軟件子系統(tǒng)(28)對16位時標(biāo)脈沖計數(shù)器的采樣值施以計算，并結(jié)合溫度測量的采樣信號對計算值進(jìn)行修正；2)中斷控制信號(INO-)還作為封鎖信號封鎖高速電壓比較器(10)的工作；當(dāng)多次回波控制電路(12)計數(shù)到31時，集成與非門2IC13(74F30)的輸出為低電平“0”，從而封鎖住集成與門電路2IC14:A(74F08)并使之輸出“0”電平，從而使16位時標(biāo)脈沖計數(shù)(14)集成計數(shù)器2IC7(74F161)、2IC8(74F161)、2IC9(74F161)、2IC10(74F161)停止計數(shù)。
電子測量電路子系統(tǒng)(2)的輸出結(jié)果由液晶顯示屏(20)的2XS1(型號24200)顯示，液晶顯示屏2XS1的輸入8位數(shù)據(jù)總線由集成I/O擴(kuò)展器2IC6(型號8255)的PC口提供。
電子測量電路子系統(tǒng)(2)的薄膜觸摸鍵盤輸入(18)(見圖3-4)由薄膜開關(guān)2S1、2S2、2S3、2S4、2S5、2S6、2S7、2S8、2S9、2S10、2S11、2S12及電阻2R2、2R3、2R4組成，其中薄膜開關(guān)2S1為上檔鍵，薄膜開關(guān)2S2為測量啟動鍵，薄膜開關(guān)2S3為功能選擇鍵，薄膜開關(guān)2S4為清零鍵，薄膜開關(guān)2S5為確定鍵，薄膜開關(guān)2S6為取消鍵，薄膜開關(guān)2S7為字符/數(shù)字單步上移鍵，薄膜開關(guān)2S8為字符/數(shù)字單步下移鍵，薄膜開關(guān)2S9為溫度測量/顯示鍵，薄膜開關(guān)2S10為RS-232通訊鍵，薄膜開關(guān)2S11為測量結(jié)果顯示選擇鍵，薄膜開關(guān)2S12為數(shù)據(jù)存儲鍵。
電子測量電路子系統(tǒng)(2)的溫度控制電路(22)(見圖3-2)由集成溫度傳感器2WK1(型號LM235)、電阻2R23、2R24、2R25、2R26、2R27、2R28、2R29、2R30、2R31、2R32、2R33、2R34、2R35、2R35、電解電容2E12、2E13、電位器2P3、2P4、電容2C24、2C25、2C26、二極管2D6(2CK)、穩(wěn)壓管2W2(15V/EW)、集成運(yùn)算放大器2IC17:A(型號TL082)、集成電壓比較器2IC20(型號LM311)、VMOS功率場效應(yīng)管2M2(型號IRF530)以及PTC加熱元件2JR1、2JR2、2JR3、2JR4組成；其中集成溫度傳感器2WK1為溫度傳感元件，集成運(yùn)算放大器2IC17:A用以放大集成溫度傳感器2WK1的溫度傳感信號，由電位器2P4、電阻2R29構(gòu)成的分壓電路用以向集成電壓比較器2IC20(型號LM311)提供標(biāo)準(zhǔn)的溫度設(shè)定電壓，集成電壓比較器2IC20用以控制VMOS功率場效應(yīng)管2M2(型號IRF530)的通斷，從而達(dá)到控制加熱元件的通斷；溫度控制電路(22)的目的是1)嚴(yán)格控制石英晶體振蕩器2JZ1(12MHZ)的頻率穩(wěn)定度，確保時標(biāo)脈沖的精確度達(dá)到10-8；2)因為集成電路的輸出對輸入信號響應(yīng)的延時時間主要取決于環(huán)境溫度，為確保高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)、信號驅(qū)動及功率放大電路(13)在總計31次輪回中每一輪次的延遲時間的恒定，本實施例置高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)、信號驅(qū)動及功率放大電路(13)于恒溫槽中并由溫度控制電路(22)控制恒溫槽的溫度使之始終保持在50±0.1℃的范圍內(nèi)。
電子測量電路子系統(tǒng)(2)的溫度測量電路(21)(見圖3-1)由電阻2R12、2R13、2R15、2R16、2R17、2R18、2R19，電解電容2E11，二極管2D5(2CK)，穩(wěn)壓管2W1(4.3V/0.5W)，電位器2P2、集成運(yùn)算放大器2IC17:B(型號TL082)組成，用以放大超聲波探測器(1)中的溫度集成電路(7)送來的溫度傳感信號，并將被放大了的溫度傳感信號饋至單片機(jī)2IC1的A/D輸入口(P5.7)。本電路的目的是為單片機(jī)CPU提供超聲波探測器的工作溫度情況，并由固化在單片機(jī)CPU中的匯編程序子系統(tǒng)(28)根據(jù)測定的溫度情況修正超聲波在超聲波探測器中的傳播速度。匯編程序軟件子系統(tǒng)(28)的程序控制流程圖如圖5-1、圖5-2、圖5-3、圖5-4所示。
電子測量電路子系統(tǒng)(2)實現(xiàn)的功能是1)按下測量啟動健2S2后，由單片機(jī)2IC1的16腳(P1-0端口)經(jīng)集成反相器2IC2:A、2IC2:B反相后，向單脈沖變換器(11)、多次回波控制電路(12)、時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)，以及單脈沖變換器(14)的2IC23發(fā)出清零信號(CL)，然后按下測量驅(qū)動健2S2，單片機(jī)2IC1的17腳(P1-1端口)向單脈沖變換器(11)發(fā)出一個脈沖寬度為10微秒的起動脈沖信號，并經(jīng)信號驅(qū)動及功率放大電路(13)放大后饋至超聲波探測器(1)中的超聲波發(fā)射器(4)；2)由單片機(jī)2IC1的17腳(P1-1端口)發(fā)出一個寬度為10微秒的起動脈沖信號，經(jīng)信號驅(qū)動及功率放大電路(13)放大后作為激勵脈沖送至超聲波探測器(1)中的超聲波發(fā)射器(4)，超聲波發(fā)射器(4)將該激勵脈沖信號換能成超聲波，經(jīng)傳播一定距離后被超聲波探測器(1)中的超聲波接收器(5)重新?lián)Q能成電壓型回波信號，該回波信號經(jīng)電子測量電路子系統(tǒng)(2)的高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)處理后，經(jīng)信號驅(qū)動及功率放大電路(13)放大后發(fā)出下一個激勵脈沖信號，即當(dāng)電子測量電路子系統(tǒng)(2)被啟動后，由超聲波探測器(1)的超聲波接收器(5)送來的第一個回波脈沖信號被多次回波控制電路(12)計數(shù)為1，同時向超聲波發(fā)射器發(fā)出第二個激勵脈沖信號；當(dāng)電子測量電路子系統(tǒng)(2)收到第二個回波信號的同時，多次回波控制電路(12)計數(shù)為2，并即向超聲波發(fā)射器發(fā)出下一個激勵脈沖信號；依次類推直至計數(shù)到第31個回波信號的上升沿停止計數(shù)，因而，總測量時間是31個完整回波信號周期所使用的時間。
3)當(dāng)電子測量電路子系統(tǒng)(2)啟動后，一個12兆赫茲的高穩(wěn)定度的時標(biāo)脈沖被送至?xí)r標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)，該時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)受多次回波控制電路(12)的控制，當(dāng)多次回波控制電路(12)已經(jīng)計數(shù)到第31個回波信號的上升沿時，立即停止時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)的計數(shù)操作，向單片機(jī)2IC1發(fā)出中斷請求并中斷高速比較器的工作。
4)單片機(jī)2IC1接收到多次回波控制電路(12)的中斷請求后，通過輸入輸出擴(kuò)展電路(16)獲取時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)的計數(shù)值，該計數(shù)值為在單個激勵脈沖信號的發(fā)射至回波脈沖信號被接收所經(jīng)過的超聲波發(fā)射器(4)到超聲波接收器(5)的單程距離的31倍程所對應(yīng)的時間內(nèi)，時標(biāo)脈沖被記錄的個數(shù)；然后由單片機(jī)2IC1的A/D轉(zhuǎn)換口(P5-7端口)采樣超聲波探測器(1)的實時溫度，用以修正算法語言軟件，計算、存儲并顯示測量結(jié)果。本發(fā)明測量值為被測物的動態(tài)值，即將超聲波探測器(1)兩端的固定環(huán)槽固定在被測物體上，然后按照上述過程測量被測物，并記錄下初次測定值；其后的測量，本發(fā)明都會根據(jù)初始值和其后的測量值進(jìn)行比較，從而給出被測物的長度變化值。
本發(fā)明的充電及供電電路子系統(tǒng)(3)(見圖4)是由交流220伏輸入和抗雷擊電路(23)、變壓器及整流濾波電路(24)、限流穩(wěn)壓充電電路(25)，±15伏和+5伏電源變換(26)，一個6安培、12伏免維護(hù)蓄電池(27)組成；充電及供電電路子系統(tǒng)(3)對本發(fā)明所有用電提供±15伏和正5伏的供電電源。
交流電源220伏輸入和抗雷擊電路(23)是由保險絲3F1(2A)、壓敏電阻3R1、及電容3C1組成；壓敏電阻3R1的作用是抗雷擊，電容3C1的作用是為了濾除交流電網(wǎng)的高頻干擾；變壓器及整流濾波電路(24)由二極管3D1(FR207)、3D2(FR207)、3D3(FR207)、3D4(FR207)、電解電容3E1、3E2，電容3C2及濾波電感3L1組成，其中二極管3D1、3D2、3D3、3D4構(gòu)成了橋式整流電路，電解電容3E1、3E2、電容3C2、濾波電感3L1構(gòu)成了混π型整流濾波電路；集成穩(wěn)壓器3V1(W200)、電容3C3、3C4、電阻3R2、3R3、3R4和電位器3P2構(gòu)成了限流穩(wěn)壓充電電路(25)；±15伏電源變換電路(26)由電解電容3E3、電容3C4、3C5、3C6、3C7、3C7、3C8、二極管3D6(FR103)、開關(guān)3SW1、±15集成電壓變換器3IC2(型號PDD3-51515)及集成脈寬調(diào)制器3IC2(型號SG3524AN)等組成，±15伏電源變換電路(26)的作用是為電子測量電路子系統(tǒng)(2)中的集成運(yùn)算放大器2IC17:A(型號TL082)、集成運(yùn)算放大器2IC17:B(型號TL082)、脈沖放大器2IC19(型號MC1554)提供所需的+15伏或-15伏的工作電源；6安培、12伏免維護(hù)蓄電池(27)是本發(fā)明電源變換的輸入電源。
本發(fā)明的特點是1、以應(yīng)答交互方式，每個回波信號的上升沿被多次回波控制電路(12)計數(shù)，直至計數(shù)到第31個回波信號的上升沿停止計數(shù)，同時封閉時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)對時標(biāo)脈沖的計數(shù)，并向單片機(jī)2IC1(87C552)的26腳(P3-2端口)發(fā)出中斷申請；時標(biāo)脈沖信號直接取自石英晶體振蕩器2JZ1(12MHZ)；2、使用單片機(jī)2IC1(87C552)完成對時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)的計數(shù)值和接收超聲波探測器子系統(tǒng)(1)中的溫度集成電路(8)的溫度傳感信號的采樣；完成對各采樣值的計算、存儲及顯示；并完成對本發(fā)明的相應(yīng)部分之控制；3、為確保石英晶體振蕩器2JZ1(12MHZ)頻率的高度穩(wěn)定性和處理電路延遲時間的恒定，溫度控制電路(22)對石英晶體振蕩器2JZ1(12MHZ)、高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)、信號驅(qū)動及功率放大電路(13)和多次回波控制電路(12)施以精度高達(dá)0.1℃的溫度控制；4、通過電子測量電路子系統(tǒng)(2)的溫度測量電路(21)，測定超聲波探測器(1)的腔體溫度，獲得超聲波探測器(1)內(nèi)的氣壓隨溫度變化的情況，正確修正超聲波的傳播速度。
本發(fā)明為實現(xiàn)對被測物體1微米位移變化量的測量精度還通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)溫度控制電路(22)對高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)、石英晶體振蕩器2JZ1(12MHZ)、信號驅(qū)動及功率放大電路(13)和多次回波控制電路(12)施以精度高達(dá)0.1℃的溫度控制，以確保石英晶體振蕩器2JZ1(12MHZ)振蕩頻率的高度穩(wěn)定性和處理電路延遲時間的恒定。本發(fā)明通過溫度測量電路(21)來測定超聲波探測器(1)的腔體溫度，獲得即時超聲波探測器(1)內(nèi)的氣壓隨溫度變換的情況，從而根據(jù)腔體內(nèi)的氣壓狀況正確修正超聲波的傳播速度。本發(fā)明還通過電子測量電路子系統(tǒng)(2)向超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器(4)發(fā)出激勵脈沖信號，經(jīng)超聲波接收器(5)接收后轉(zhuǎn)換成電壓型回波信號，電子測量電路子系統(tǒng)(2)收到回波信號后再發(fā)出下一個激勵脈沖信號、總計往返達(dá)31次的應(yīng)答交互方式達(dá)到放大微變量的目的。
本發(fā)明測量精度高，特別適用于要求測定微米量級精度位移變化的土木建筑工程的場合。
權(quán)利要求
1.一種超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)，其特征在于由設(shè)在被測物上的至少一個超聲波探測器(1)和與之配套的接收測量系統(tǒng)(2)以及供電電路(3)構(gòu)成；所述的接收測量系統(tǒng)包括電子測量電路子系統(tǒng)(2)和匯編程序軟件子系統(tǒng)(28)，其中電子測量電路子系統(tǒng)(2)由單片機(jī)CPU、高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)、多次回波控制電路(12)、信號驅(qū)動及功率放大電路(13)、時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)、單片機(jī)CPU及外圍電路(15)、輸入輸出擴(kuò)展電路(16)、非易失性靜態(tài)存儲器(17)、薄膜觸摸鍵盤(18)、RS-232接口電路(19)、液晶顯示屏(20)、溫度測量電路(21)、溫度控制電路(22)組成；所述的高阻放大器(9)的輸入端與超聲波探測器(1)超聲波接收器的探頭連接，高阻放大器(9)的輸出端與高速電壓比較器(10)的輸入端連接，并且高速電壓比較器(10)同時與多次回波控制電路(12)和時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)順序連接；所述單片機(jī)CPU發(fā)出的清零信號分別與單脈沖變換器(11)、時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)和多次回波控制電路(12)連接；單片機(jī)還與RS-232接口電路(19)雙向連接，并通過數(shù)據(jù)線與輸入輸出擴(kuò)展電路(16)和非易失性靜態(tài)存儲器(17)雙向連接，還與薄膜觸摸按鈕(18)單向連接；所述單脈沖變換器(11)起始受單片機(jī)的清零信號清零后，接收高速電壓比較器(10)的輸出信號并經(jīng)變換后與信號驅(qū)動及功率放大電路(13)連接，經(jīng)信號驅(qū)動及功率放大電路(13)放大后的信號與超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器探頭連接；所述的時標(biāo)脈沖計數(shù)器(14)和液晶顯示屏(20)分別通過輸入輸出擴(kuò)展電路(16)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線連接；所述的匯編程序軟件子系統(tǒng)(28)固化在電子測量電路子系統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)，用以對測量值進(jìn)行計算、對測量誤差進(jìn)行軟件修正，對所述電子測量電路子系統(tǒng)的有關(guān)電路進(jìn)行控制；所述的供電電路(3)由抗雷擊電路(23)、整流濾波電路(24)、限流穩(wěn)壓充電電路(25)，電源變換器(26)和兩組蓄電池(27)組成；提供電子測量電路子系統(tǒng)(2)的工作電源。
2.一種專用于超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)的超聲波探測器，其特征在于包括外套管、內(nèi)套管、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器以及溫度集成電路；所述的內(nèi)套管設(shè)在外套管中，內(nèi)套管的中段設(shè)置一段自由端；所述的超聲波發(fā)射器和超聲波接收器分別連接在內(nèi)套管的兩端，共同構(gòu)成高密封腔體；所述的內(nèi)套管中還設(shè)有一溫度集成電路。
3.一種用于超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)的測量方法，其特征在于利用超聲波傳輸原理，通過電子測量電路子系統(tǒng)(2)向超聲波探測器(1)的超聲波發(fā)射器(4)發(fā)出激勵脈沖信號，經(jīng)超聲波接收器(5)接收后轉(zhuǎn)換成電壓型回波信號，電子測量電路(2)收到回波信號后再發(fā)出下一個激勵脈沖信號，以往返多次的應(yīng)答交互方式放大微變量；將電子測量電路子系統(tǒng)中發(fā)出的激勵脈沖信號經(jīng)超聲波探測器轉(zhuǎn)換成超聲波能量，再經(jīng)電子測量電路子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用溫度控制電路(22)對所述高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)及信號驅(qū)動及功率放大電路(13)進(jìn)行恒溫控制方式，以保持這些電路中的集成電路的延時時間受環(huán)境溫度變化的影響最?。徊捎迷趦?nèi)套管的中段設(shè)置自由端的方式消除超聲波探測器由于自身溫度膨脹系數(shù)隨外界溫度變化所造成的誤差以及由于超聲波探測器與被測物之間溫度系數(shù)不匹配所造成的誤差；通過設(shè)置在超聲波探測器內(nèi)套管中的溫度集成電路(8)測定超聲波探測器的工作溫度，并將該溫度測定值提供給單片機(jī)CPU，固化在單片機(jī)CPU中的匯編程序軟件根據(jù)測定的溫度值修正超聲波處于該測定溫度情況下的傳播速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)，其特征在于所述的超聲波探測器的發(fā)射器和接收器分別與被測物固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)，其特征在于所述的超聲波探測器的發(fā)射器和接收器分別通過各自的連接端與被測物固定連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)，其特征在于采用非易失性靜態(tài)存儲器HK1235存儲測量數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種專用于超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)的超聲波探測器，其特征在于所述超聲波探測器在內(nèi)套管的中段設(shè)置的一段自由端是一段波紋管段。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)的測量方法，其特征在于采用以設(shè)置單脈沖變換器(11)的方式來消除超聲波接收器(5)產(chǎn)生的反射信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng)的測量方法，其特征在于采用溫度控制電路(22)對所述高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)及信號驅(qū)動及功率放大電路(13)進(jìn)行恒溫控制方式可以采用將所述述高阻放大器(9)、高速比較器(10)、單脈沖變換器(11)及信號驅(qū)動及功率放大電路(13)置入恒溫槽的方法，由溫度控制電路(22)對其進(jìn)行恒溫控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲波多次脈沖回波測微系統(tǒng),由超聲波探測器和與之配套的接收測量系統(tǒng)以及供電電路系統(tǒng)構(gòu)成;超聲波探測器完成超聲波發(fā)射、超聲波接收及傳感探頭內(nèi)溫度狀態(tài)的測量,并向接收測量系統(tǒng)提供相應(yīng)的測量信號;接收測量系統(tǒng)根據(jù)超聲波探測器提供的測量信號通過系統(tǒng)中的單片機(jī)由特定的匯編軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,對測量值進(jìn)行計算,對測量誤差實行軟件修正,對有關(guān)電路實行控制。本發(fā)明測量精度高,特別適用于要求測定微米量級精度位移變化的土木建筑工程的場合。
文檔編號G01B17/04GK1208172SQ9811100
公開日1999年2月17日 申請日期1998年8月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月17日
發(fā)明者李建國, 任臻, 查利權(quán), 陸致中, 周小剛 申請人:李建國, 任臻, 查利權(quán), 陸致中, 周小剛