超声波等效峰值精准检测厚度的方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声波等效峰值精准检测厚度的方法，包括超声波回波上升沿到达时间Ts的检测、超声波回波下降沿到达时间Tx的检测和回波峰值时间Tf的计算，将回波峰值时间Tf代入超声波测量厚度计算公式S＝V*Tf/2，即可得到被测物体的厚度，还公开了该方法使用的装置；优点是1、测厚精度提高，误差减小到0.001mm以下；2、元件间的受耦合程度影响变小，测量稳定性提高；3、基本消除了相位误差；4、更易小型化，计时芯片所占面积大约是原来计时电路的1/10；5、被测物体材料的差异对厚度测量不产生任何影响；6、超声波探头的按压力度和温度对超声波的传播会存在影响，用本方法精度可以控制在0.02mm以内。
【专利说明】超声波等效峰值精准检测厚度的方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种厚度检测方法，尤其涉及一种利用超声波进行测量厚度的方法，还涉及一种该检测方法使用的装置。
【背景技术】
[0002]超声波测量厚度的原理与光波测量原理相似。探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测物体的厚度，测算公式为s = v*t/2，其中S为被测物体的厚度，V为超声波在所述被测物体材料中的传播速度，t为超声波在所述被测物体材料中的传播时间。
[0003]超声波传播时间的起点与脉冲发射时间相关，时间终点的检测有两种方式:
[0004]1、以超声回波引起的压电效应超过某一个阈值为超声波的到达标志。
[0005]2、以超声回波的压电效应第一次达到峰值作为回波到达的标志。
[0006]其中，前一种叫做前沿检测，后一种叫做峰值检测。前沿检测的优势在于电路容易实现，成本较低，只要用一个响应时间比较短的比较器就可以检测到，其缺点也是显而易见的，在测量薄件的时候容易有比较大的相位误差。而峰值检测能够消除这种相位误差，但是峰值检测一般都需要使用高速的数据采集器(A/D转换芯片)和处理速度比较高的微处理器才能实现，而这会大大增加仪器的成本以及仪器的体积。
[0007]在计算被测物体厚度时，会测量超声回波的到达时间，且设定一个阈值，作为超声回波到达时间的参考点，一般情况下，阈值是个固定值，在测试过程中不会发生变化，但是超声波幅度是与放大电路的增益，探头与试块耦合的程度相关，也就是说在多次测量中，超声波的幅度无法保持一致。幅度的变化会引起交越点的偏移，幅度增强则交越点前移，幅度减弱则交越点后移，在极端情况下，这种偏移最大可以达到超声波的1/4周期。以钢中声速为5920m/s计算，假设采用的超声波探头的固有频率为5MHz，则相位偏差可以达到5920/5000/2*0.25 = 0.148mm,而这在薄物体测量中是不能被接受的。
[0008]对于峰值测量，如果采样率足够高，仪器可以采集到很接近于峰值的时间点。假设采样率是频率的16倍，则峰值时刻的量化误差大约是5920/5000/2/16，约为0.03mm,基本能够达到精密测厚的要求。然而这种情况下，需要的采样率大约是5M*16 = 80MSPS。因此这样会使超声波测厚仪的仪器成本大幅度增加，这在成本上很难被接受。因此需要有一种既能减小相位误差，又不大幅度增加成本的方法。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是提供一种误差小、便于实现及成本低的超声波等效峰值精准检测厚度的方法。
[0010]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是:超声波等效峰值精准检测厚度的方法，包括以下步骤:
[0011]步骤一、将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波上升沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将上升沿到达时间Ts传递给主控芯片；
[0012]步骤二、继续将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波下降沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将下降沿到达时间Tx传递给所述主控芯片；
[0013]步骤三、取上升沿到达时间Ts与下降沿到达时间Tx的平均值，即为回波峰值时间Tf ；
[0014]步骤四，将所述回波峰值时间Tf代入超声波测量厚度计算公式S = V*Tf/2，即可得到被测物体的厚度；其中，V为超声波在所述被测物体材料中的传播速度。
[0015]作为优选的技术方案，超声波等效峰值精准检测厚度的方法包括以下步骤:
[0016]步骤一、将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波上升沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将上升沿到达时间Ts传递给所述主控芯片；该步骤至少进行两次，并将各次上升沿到达时间Ts相加后取平均值Tsp ；
[0017]步骤二、继续将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波下降沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将下降沿到达时间Tx传递给所述主控芯片；该步骤进行的次数与步骤一相同，并将各次下降沿到达时间Tx相加后取平均值Txp ；
[0018]步骤三、取上升沿到达时间Tsp与下降沿到达时间Txp的平均值，即为回波峰值时间 Tfp ；
[0019]步骤四、将所述回波峰值时间Tfp代入超声波测量厚度计算公式S = V*Tfp/2，即可得到被测物体的厚度；其中，V为超声波在所述被测物体材料中的传播速度。
[0020]本发明还涉及一种该厚度检测方法使用的装置，包括超声波探头，所述超声波探头连接有比较器，所述比较器连接有计时器，所述计时器连接有主控芯片。
[0021]作为优选的技术方案，所述比较器包括带有八个引脚的集成比较器芯片A，所述集成比较器芯片A的1#脚连接有供电电压VDD_R，1#脚还连接有放大器电容保护电路，所述比较器集成比较器芯片A的2#脚通过电容C17接地，所述比较器集成比较器芯片A的1#脚与2#脚之间连接有电阻R16，所述电阻R16的负极通过滑动变阻器RPl的滑动触点接地，所述滑动变阻器RPl的负极悬空，所述R16与所述滑动变阻器RPl形成的分压作为电压基准输入比较器集成比较器芯片A的3#脚，所述供电电压VDD_R还串接有电阻R15和电阻R17，所述电阻R15和所述电阻R17的阻值相同，所述电阻R17的负极与所述滑动变阻器RPl的滑动触点相连，并接地，集成比较器芯片集成比较器芯片集成比较器芯片所述集成比较器芯片A的5#脚通过电阻R18连接至所述电容C17的负极，所述集成比较器芯片A的7#脚为所述比较器的信号输出端，所述集成比较器芯片A的8#脚悬空。
[0022]作为优选的技术方案，所述供电电压VDD_R为+5V稳定电压。
[0023]作为优选的技术方案，所述放大器电容保护电路包括连接在所述集成比较器芯片A1#脚上的电容C15，所述电容C15的负极接地，所述电容C15两端还并联有电解电容C13。
[0024]作为优选的技术方案，所述计时器包括带有三十二个引脚的计时芯片TDC-GP21，所述计时芯片TDC-GP21的1#脚连接至有源晶振Xl的3#脚，所述有源晶振Xl的1#脚悬空，所述有源晶振Xl的2#脚接地，所述有源晶振Xl的4#脚连接有+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的3#脚也连接有+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的4#脚通过电容C40连接至所述计时芯片TDC-GP21的3#脚，所述计时芯片TDC-GP21的4#脚与7#脚还直接接地，所述计时芯片TDC-GP21的14#脚与+3.3V电源连接，同时所述计时芯片TDC-GP21的14#脚还通过电容C47接地，所述计时芯片TDC-GP21的15#脚通过电阻R44和电容C48接地，所述计时芯片TDC-GP21的16#脚通过电容C45接地，所述电容C48的正极与所述电容C45的正极之间连接有无源晶振X2，所述计时芯片TDC-GP21的21#脚接地，所述计时芯片TDC-GP21的22#脚连接至+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的21#脚与所述计时芯片TDC-GP21的22#脚之间连接有电容C34，所述计时芯片TDC-GP21的25#脚通过电阻R36连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的26#脚通过电阻R35连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的27#脚通过电阻R33接地，所述计时芯片TDC-GP21的28#脚直接接地，所述计时芯片TDC-GP21的29#脚连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的29#脚还连接有计时芯片保护电路，所述计时芯片TDC-GP21的30#脚与所述集成比较器芯片A7#脚相连，所述计时芯片TDC-GP21的32#脚与所述主控芯片相连，所述计时芯片TDC-GP21的32#脚通过电阻R31连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的2#脚、5#脚、6#脚、17#脚、18#脚、19#脚、20#脚、23#脚和24#脚分别悬空。
[0025]作为优选的技术方案，所述计时芯片保护电路包括连接在所述计时芯片TDC-GP21的29#脚上的电容C31，所述电容C31的负极接地，所述电容C31两端还并联有电解电容C10。
[0026]作为优选的技术方案，所述主控芯片包括带有六十四个引脚的芯片MSP430F149，所述芯片MSP430F149的1#脚与64#脚上连接有芯片保护电路，所述芯片MSP430F149的8#脚与9#脚之间连接有无源晶振X3，所述芯片MSP430F149的44#脚与所述计时芯片TDC-GP21的13#脚相连，所述芯片MSP430F149的45#脚与所述计时芯片TDC-GP21的12#脚相连，所述芯片MSP430F149的46#脚与所述计时芯片TDC-GP21的11#脚相连，所述芯片MSP430F149的47#脚与所述计时芯片TDC-GP21的10#脚相连，所述芯片MSP430F149的48#脚与所述计时芯片TDC-GP21的9#脚相连，所述芯片MSP430F149的49#脚与所述计时芯片TDC-GP21的8#脚相连，所述芯片MSP430F149的50#脚与所述计时芯片TDC-GP21的31#脚相连，所述芯片MSP430F149的58#脚通过电容C49接地，所述芯片MSP430F149的62#脚和63#脚分别接地，所述芯片MSP430F149的其余引脚悬空。
[0027]作为优选的技术方案，所述芯片保护电路包括连接在所述芯片MSP430F149的1#脚与64#脚上的电容C51，所述电容C51的负极接地，所述电容C51两端还并联有电容C50，所述电容C50的正极接+3.3V电源。
[0028]由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
[0029]1、测厚精度有较大提高，因为采用计时芯片TDC-GP21，属高精度计时芯片，使量化误差减小到0.0Olmm以下，现有技术中的量化误差一般为0.074_左右。
[0030]2、由于元件间的受耦合程度影响变小，因此测量稳定性提高。
[0031]3、基本消除了相位误差，由现有技术中0.148mm的相位误差，基本减小到几乎为零。
[0032]4、更易小型化。现有技术的计时电路大约需要3?4颗SO封装的电路，而计时芯片所占面积大约是原来计时电路的1/10。
[0033]5、由于被检测件的材料不同，其超声波衰减的程度也不一样，导致超声回波信号的强度存在较大差异，而在采用本发明的方法之后，这种差异对厚度测量不产生任何影响。
[0034]6、测试时超声波探头的按压力度和温度对超声波的传播会存在一定影响,米用本方法后精度可以控制在0.02_以内，基本能够达到精密测厚的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中:
[0036]图1是本发明实施例步骤一的原理示意图；
[0037]图2是本发明实施例步骤二的原理示意图；
[0038]图3是本发明实施例步骤二的原理不意图；
[0039]图4是本发明实施例比较器的电路原理图；
[0040]图5是本发明实施例的计时器的电路原理图；
[0041]图6是本发明实施例的主控芯片的电路原理图；
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
[0043]超声波等效峰值精准检测厚度的方法，包括以下步骤:
[0044]如图1所示，步骤一、将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，超声波探头在检测之前，需要在超声波探头上附图耦合剂，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波上升沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将上升沿到达时间Ts传递给主控芯片；
[0045]如图2所示，步骤二、继续将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波下降沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将下降沿到达时间Tx传递给所述主控芯片;
[0046]如图3所示，步骤三、取上升沿到达时间Ts与下降沿到达时间Tx的平均值，即为回波峰值时间Tf ；
[0047]步骤四，将所述回波峰值时间Tf代入超声波测量厚度计算公式S = V*Tf/2，即可得到被测物体的厚度；其中，V为超声波在所述被测物体材料中的传播速度。
[0048]本实施例中，为了提高厚度检测的精度，主要包括以下步骤:
[0049]步骤一、将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波上升沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将上升沿到达时间Ts传递给所述主控芯片；该步骤至少进行两次，并将各次上升沿到达时间Ts相加后取平均值Tsp，本实施例中该步骤需要进行八次，从而最大程度地提高了被测物体厚度检测的精度。
[0050]步骤二、继续将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波下降沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将下降沿到达时间Tx传递给所述主控芯片；相应地，该步骤进行的次数也进行八次，并将各次下降沿到达时间Tx相加后取平均值Txp ；
[0051]步骤三、取上升沿到达时间Tsp与下降沿到达时间Txp的平均值，即为回波峰值时间 Tfp ；
[0052]步骤四、将所述回波峰值时间Tfp代入超声波测量厚度计算公式S = V*Tfp/2，即可得到被测物体的厚度；其中，V为超声波在所述被测物体材料中的传播速度。
[0053]本实施例还涉及一种该厚度检测方法使用的装置，包括超声波探头，所述超声波探头连接有比较器，所述比较器连接有计时器，所述计时器连接有主控芯片。
[0054]如图4所示，所述比较器包括带有八个引脚的集成比较器芯片A，所述集成比较器芯片A的1#脚连接有供电电压VDD_R，1#脚还连接有放大器电容保护电路，所述比较器集成比较器芯片A的2#脚通过电容C17接地，所述比较器集成比较器芯片A的1#脚与2#脚之间连接有电阻R16，所述电阻R16的负极通过滑动变阻器RPl的滑动触点接地，所述滑动变阻器RPl的负极悬空，所述R16与所述滑动变阻器RPl形成的分压作为电压基准输入比较器集成比较器芯片A的3#脚作为基准。所述供电电压VDD_R还串接有电阻R15和电阻R17，所述电阻R15和所述电阻R17的阻值相同，为超声波信号Ultrasonic提供偏置电压，且所述偏置电压为0.7mvo超声波信号Ultrasonic通过电容C16交流稱合变为以偏置电压VDD_R/2为中心值得衰减正弦波。所述电阻R17的负极与所述滑动变阻器RPl的滑动触点相连，并接地。集成比较器芯片集成比较器芯片集成比较器芯片所述集成比较器芯片A的5#脚通过电阻R18连接至所述电容C17的负极，所述集成比较器芯片A的7#脚为所述比较器的信号输出端，所述集成比较器芯片A的8#脚悬空。
[0055]所述供电电压VDD_R为+5V稳定电压，所述集成比较器芯片的3#脚电压基准应调至VDD_R/2+0.5V = 3V,使超声波回波信号基本不会造成相位延迟，有助于提高检测精度。所述放大器电容保护电路包括连接在所述集成比较器芯片A1#脚上的电容C15，所述电容C15的负极接地，所述电容C15两端还并联有电解电容C13。
[0056]如图5所示，所述计时器包括带有三十二个引脚的计时芯片TDC-GP21，所述计时芯片TDC-GP21的1#脚连接至有源晶振Xl的3#脚，所述有源晶振Xl的1#脚悬空，所述有源晶振Xl的2#脚接地，所述有源晶振Xl的4#脚连接有+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的3#脚也连接有+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的4#脚通过电容C40连接至所述计时芯片TDC-GP21的3#脚，所述计时芯片TDC-GP21的4#脚与7#脚还直接接地，所述计时芯片TDC-GP21的14#脚与+3.3V电源连接，同时所述计时芯片TDC-GP21的14#脚还通过电容C47接地，所述计时芯片TDC-GP21的15#脚通过电阻R44和电容C48接地，所述计时芯片TDC-GP21的16#脚通过电容C45接地，所述电容C48的正极与所述电容C45的正极之间连接有无源晶振X2，所述计时芯片TDC-GP21的21#脚接地，所述计时芯片TDC-GP21的22#脚连接至+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的21#脚与所述计时芯片TDC-GP21的22#脚之间连接有电容C34，所述计时芯片TDC-GP21的25#脚通过电阻R36连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的26#脚通过电阻R35连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的27#脚通过电阻R33接地，所述计时芯片TDC-GP21的28#脚直接接地，所述计时芯片TDC-GP21的29#脚连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的29#脚还连接有计时芯片保护电路，所述计时芯片TDC-GP21的30#脚是计时结束信号，与所述集成比较器芯片A7#脚相连，所述计时芯片TDC-GP21的31#脚连接主控芯片MSP430F149的50#脚作为计时启动信号。所述计时芯片TDC-GP21的32#脚通过电阻R31连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的2#脚、5#脚、6#脚、17#脚、18#脚、19#脚、20#脚、23#脚和24#脚分别悬空。计时芯片TDC-GP21的启动信号(START)是主控芯片发出的，与超声波发射时间相差严格的一个时钟周期；计时芯片TDC-GP21的结束信号(STOPl)来自于比较器的输出信号。
[0057]所述计时芯片保护电路包括连接在所述计时芯片TDC-GP21的29#脚上的电容C31，所述电容C31的负极接地，所述电容C31两端还并联有电解电容C10。
[0058]如图6所示，所述主控芯片包括带有六十四个引脚的芯片MSP430F149，所述芯片MSP430F149的1#脚与64#脚上连接有芯片保护电路，所述芯片MSP430F149的8#脚与9#脚之间连接有无源晶振X3，所述芯片MSP430F149的44#脚与所述计时芯片TDC-GP21的13#脚相连，所述芯片MSP430F149的45#脚与所述计时芯片TDC-GP21的12#脚相连，所述芯片MSP430F149的46#脚与所述计时芯片TDC-GP21的11#脚相连，所述芯片MSP430F149的47#脚与所述计时芯片TDC-GP21的10#脚相连，所述芯片MSP430F149的48#脚与所述计时芯片TDC-GP21的9#脚相连，所述芯片MSP430F149的49#脚与所述计时芯片TDC-GP21的8#脚相连，所述芯片MSP430F149的50#脚与所述计时芯片TDC-GP21的31#脚相连，所述芯片MSP430F149的58#脚通过电容C49接地，所述芯片MSP430F149的62#脚和63#脚分别接地，所述芯片MSP430F149的其余引脚悬空。
[0059]本实施例中，所述芯片保护电路包括连接在所述芯片MSP430F149的1#脚与64#脚上的电容C51，所述电容C51的负极接地，所述电容C51两端还并联有电容C50，所述电容C50的正极接+3.3V电源。
[0060]本实施例具有以下特点:
[0061]1、边沿检测的精度大幅度提高
[0062]边沿检测通常的实现方式是:设定阈值输入到比较器的一端，被检测波形输入到比较器的另一端，二者差值在零点变化的时候，比较器的输出发生电平反转。
[0063]由此可见，边沿检测的精度取决于比较器的两个指标:响应时间和触发阈值。即当输入端电平差值发生正负变化时，电平反转越迅速，则相位误差越小；触发阈值越小则相位误差越小(输入电平差值发生交越时，输出电平反转越陡峭)。因此在实施例中，选取MAX9013这一比较器IC作为边沿检测的器件，相应时间短、反转迅速。
[0064]2、设计精密的计时电路
[0065]传统即时电路多采用计数器，通过脉冲计数的办法来实现计时。以脉冲周期为40MHz计算，计时精度只能达到25nS，以5920m/S的声速计算，厚度的测量误差为5920*0.025/2 = 0.074mm,因此目前使用的采用这种原理的计时方法的仪器是无法达到
0.05mm精度的。本实施例中采用热量表行业目前大量使用的精密计时芯片来实现精密计时，计时精度可以达到PS级，完全能满足精密测厚的要求。
[0066]3、等效峰值的实现
[0067]现有技术中等效峰值的实现是:检测首波的上升沿和下降沿(对于同一阈值而言)，峰值时刻是上升沿和下降沿的均值。这里出现的问题是，需要使用两路比较器，但如果采用两路比较器分别检测上升沿和下降沿，势必会增加硬件电路的复杂度，也提高了成本。并且由于两通道的差异，会造成上升沿时间和下降沿时间检测的不对称，从而引入一定的系统误差。而本实施例中首先设置计时芯片TDC-GP21为正脉冲触发，连续测至少4次取平均作为上升沿的平均到达时间Tsp ;设置TDC-GP21计时芯片为负脉冲触发，连续测量4次取平均得出下降沿的平均到达时间Txp,峰值到达时间为Tfp = (Tsp+Txp)/2。
[0068]实际上在检测不同材料的被测物体时，由于探头发射频率可以达到50Hz或者更高，因此可使用8次发射与回波接收计算一次超声波厚度，响应速度也是比较快的，根本不会影响读数速度。
[0069]4、不存在耦合影响
[0070]因为峰值的相位是不随幅度变化而变化的，所以耦合情况的变化、材料衰减对超声波的幅度的影响、以及电路性能差别造成的回波幅度的变化并不会影响厚度值的测量，将这种方法用于回波-回波方式的超声波厚度检测，可以达到更高的精度，实验证明，这种方法的厚度分辨率约为0.001mm，误差基本可以控制在0.02mm以内，实际上这完全能够满足薄件测厚的要求。
[0071]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.超声波等效峰值精准检测厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数TyZ，所述超声波回波上升沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将上升沿到达时间Ts传递给主控芯片； 步骤二、继续将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波下降沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将下降沿到达时间Tx传递给所述主控芯片； 步骤三、取上升沿到达时间Ts与下降沿到达时间Tx的平均值，即为回波峰值时间Tf ； 步骤四，将所述回波峰值时间Tf代入超声波测量厚度计算公式S = V*Tf/2，即可得到被测物体的厚度；其中，V为超声波在所述被测物体材料中的传播速度。
2.如权利要求1所述的超声波等效峰值精准检测厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波上升沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将上升沿到达时间Ts传递给所述主控芯片；该步骤至少进行两次，并将各次上升沿到达时间Ts相加后取平均值Tsp ； 步骤二、继续将超声波探头垂直抵靠在被测物体上并发出超声波，所述超声波到达所述被测物体的材料分界面，所述超声波被反射回来形成超声波回波，所述超声波回波被所述超声波探头接收并转变成回波电信号，所述回波电信号传送给比较器，所述比较器中被输入阈值参数Tyz，所述超声波回波下降沿的电信号与所述阈值参数相等时，所述比较器输出信号至计时器，所述计时器将下降沿到达时间Tx传递给所述主控芯片；该步骤进行的次数与步骤一相同，并将各次下降沿到达时间Tx相加后取平均值Txp ； 步骤三、取上升沿到达时间Tsp与下降沿到达时间Txp的平均值，即为回波峰值时间Tfp ； 步骤四、将所述回波峰值时间Tfp代入超声波测量厚度计算公式S = V*Tfp/2，即可得到被测物体的厚度；其中，V为超声波在所述被测物体材料中的传播速度。
3.如权利要求1或2所述的超声波等效峰值精准检测厚度方法使用的装置，其特征在于，包括超声波探头，所述超声波探头连接有比较器，所述比较器连接有计时器，所述计时器连接有主控芯片。
4.如权利要求3所述的超声波等效峰值精准检测厚度方法使用的装置，其特征在于:所述 比较器包括带有八个引脚的集成比较器芯片A，所述集成比较器芯片A的1#脚连接有供电电压VDD_R，1#脚还连接有放大器电容保护电路，所述比较器集成比较器芯片A的2#脚通过电容C17接地，所述比较器集成比较器芯片A的1#脚与2#脚之间连接有电阻R16，所述电阻R16的负极通过滑动变阻器RPl的滑动触点接地，所述滑动变阻器RPl的负极悬空，所述R16与所述滑动变阻器RPl形成的分压作为电压基准输入比较器集成比较器芯片A的3#脚，所述供电电压VDD_R还串接有电阻Rl5和电阻Rl7，所述电阻Rl5和所述电阻Rl7的阻值相同，所述电阻R17的负极与所述滑动变阻器RPl的滑动触点相连，并接地，集成比较器芯片集成比较器芯片集成比较器芯片所述集成比较器芯片A的5#脚通过电阻R18连接至所述电容C17的负极，所述集成比较器芯片A的7#脚为所述比较器的信号输出端，所述集成比较器芯片A的8#脚悬空。
5.如权利要求4所述的超声波等效峰值精准检测厚度方法使用的装置，其特征在于:所述供电电压VDD_R为+5V稳定电压。
6.如权利要求4所述的超声波等效峰值精准检测厚度方法使用的装置，其特征在于:所述放大器电容保护电路包括连接在所述集成比较器芯片A1#脚上的电容C15，所述电容C15的负极接地，所述电容C15两端还并联有电解电容C13。
7.如权利要求3所述的超声波等效峰值精准检测厚度方法使用的装置，其特征在于:所述计时器包括带有三十二个引脚的计时芯片TDC-GP21，所述计时芯片TDC-GP21的1#脚连接至有源晶振Xl的3#脚，所述有源晶振Xl的1#脚悬空，所述有源晶振Xl的2#脚接地，所述有源晶振Xl的4#脚连接有+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的3#脚也连接有+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的4#脚通过电容C40连接至所述计时芯片TDC-GP21的3#脚，所述计时芯片TD C-GP21的4#脚与7#脚还直接接地，所述计时芯片TDC-GP21的14#脚与+3.3V电源连接，同时所述计时芯片TDC-GP21的14#脚还通过电容C47接地，所述计时芯片TDC-GP21的15#脚通过电阻R44和电容C48接地，所述计时芯片TDC-GP21的16#脚通过电容C45接地，所述电容C48的正极与所述电容C45的正极之间连接有无源晶振X2，所述计时芯片TDC-GP21的21#脚接地，所述计时芯片TDC-GP21的22#脚连接至+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的21#脚与所述计时芯片TDC-GP21的22#脚之间连接有电容C34，所述计时芯片TDC-GP21的25#脚通过电阻R36连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的26#脚通过电阻R35连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的27#脚通过电阻R33接地，所述计时芯片TDC-GP21的28#脚直接接地，所述计时芯片TDC-GP21的29#脚连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的29#脚还连接有计时芯片保护电路，所述计时芯片TDC-GP21的30#脚与所述集成比较器芯片A7#脚相连，所述计时芯片TDC-GP21的32#脚与所述主控芯片相连，所述计时芯片TDC-GP21的32#脚通过电阻R31连接至所述+3.3V电源，所述计时芯片TDC-GP21的2#脚、5#脚、6#脚、17#脚、18#脚、19#脚、20#脚、23#脚和24#脚分别悬空。
8.如权利要求7所述的超声波等效峰值精准检测厚度方法使用的装置，其特征在于:所述计时芯片保护电路包括连接在所述计时芯片TDC-GP21的29#脚上的电容C31，所述电容C31的负极接地，所述电容C31两端还并联有电解电容C10。
9.如权利要求3所述的超声波等效峰值精准检测厚度方法使用的装置，其特征在于:所述主控芯片包括带有六十四个引脚的芯片MSP430F149，所述芯片MSP430F149的1#脚与64#脚上连接有芯片保护电路，所述芯片MSP430F149的8#脚与9#脚之间连接有无源晶振X3，所述芯片MSP430F149的44#脚与所述计时芯片TDC-GP21的13#脚相连，所述芯片MSP430F149的45#脚与所述计时芯片TDC-GP21的12#脚相连，所述芯片MSP430F149的46#脚与所述计时芯片TDC-GP21的11#脚相连，所述芯片MSP430F149的47#脚与所述计时芯片TDC-GP21的10#脚相连，所述芯片MSP430F149的48#脚与所述计时芯片TDC-GP21的9#脚相连，所述芯片MSP430F149的49#脚与所述计时芯片TDC-GP21的8#脚相连，所述芯片MSP430F149的50#脚与所述计时芯片TDC-GP21的31#脚相连，所述芯片MSP430F149的58#脚通过电容C49接地，所述芯片MSP430F149的62#脚和63#脚分别接地，所述芯片MSP430F149的其余引脚悬空。
10.如权利要求9所述的超声波等效峰值精准检测厚度方法使用的装置，其特征在于:所述芯片保护电路包括连接在所述芯片MSP430F149的1#脚与64#脚上的电容C51，所述电容C51的负极接地，所述电容C51两端还并联有电容C50，所述电容C50的正极接+3.3V电源。
【文档编号】G01B15/02GK104048628SQ201410268232
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】杨庆德, 尹建华 申请人:山东中科普锐检测技术有限公司