专利名称：超声波多次脉冲回波测微装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电子测量仪表，尤其涉及一种超声波多次脉冲回波测微装置。
目前，在建筑领域高层建筑深基坑开挖的情况下，必须测定钢筋的应力，传统的测试方法是基于弦振动原理的振弦式钢筋应力计和由电阻应变片制成的应变片式应力计；这二种仪器的缺点是振弦式钢筋应力计的测量精度极低，其测量分辨率约为50μm左右，且无法直接标定钢筋的微应变值，测定值需二次折合，才能获得应变值；此外，振弦式应力计的测量误差随温度的变化较大；应变片式应力计的测量分辨率略高于振弦式钢筋应力计，然而寿命短、抗干扰能力差是应变片式应力计的致命缺点；因而在大多数场合，采用振弦式钢筋应力计或应变片式应力计所测得的值不能正确地指导工程施工，精度低，误差大。
当今，信息化施工已成为土木建筑工程的主流，在施工过程中需要准确地获取工程施工情况的第一手资料，以便工程技术人员准确地指导施工；因而对直接反映施工情况的监测手段提出了更高的要求；遗憾的是基于弦振动原理的振弦式应力、位移、应变仪器由于其自身的缺陷无法提供准确的测量数据，由于测量精度的原因误导施工的现象屡见不鲜；根据我国目前测量仪器制造业的现状，尚无基于现代测量原理测定应力、位移、应变等工程测量仪器提供。
本实用新型的目的就是为了改变我国工程施工测量仪器的落后局面，针对振弦式钢筋应力计的缺陷，而提供的一种完全拚弃了弦振动原理、利用超声波原理精确测定应力、位移、应变等物理量的现代测量仪器；为准确指导工程施工提供一种完全排除了周围环境干扰、温度漂移因素、具有测量精度达到微米量级的变化位移、智能化程度高等特征的超声波多次脉冲回波测微装置。
本实用新型的目的是这样实现的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于由设在被测物上的至少一个超声波探测器和与之配套的接收测量装置、以对该装置中有关电路供电的充电及供电电路构成；所述的超声波探测器，包括外套管、内套管、超声波发射器、超声波接收器以及温度集成电路；所述的内套管设在外套管中，内套管的中段是一段波纹管，所述的超声波发射器和超声波接收器设在内套管的两端形成高密封腔体，并分别通过各自的连接端与被测物连接；所述的内套管中还设有一温度集成电路；所述的接收测量装置，包括电子测量电路(2)，该电路完成向超声波探测器发射信号以及从超声波探测器接收测量信号，再通过该电路中的有关电路及汇编软件进行数据处理；所述的接收测量装置包括电子测量电路子装置(2)和汇编程序软件子装置(28)，电子测量电路(2)由单片机CPU、高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)、多次回波控制电路(12)、信号驱动及功率放大电路(13)、时标脉冲计数器(14)、单片机CPU的外围电路(15)、输入输出扩展电路(16)、非易失性静态存储器(17)、薄膜触摸键盘(18)、RS-232接口电路(19)、液晶显示屏(20)、温度测量电路(21)、温度控制电路(22)组成；所述高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)及信号驱动及功率放大电路(13)置于恒温槽内，由温度控制电路(22)对其进行温度控制，精度达±0.1C°；所述的高阻放大器(9)的输入端与超声波探测器(1)超声波接收器的探头连接，高阻放大器(9)的输出端与高速电压比较器(10)的输入端连接，并且高速电压比较器(10)与多次回波控制电路(12)和时标脉冲计数器(14)顺序连接；所述单片机CPU发出的清零信号分别与单脉冲变换器(11)、时标脉冲计数器(14)和多次回波控制电路(12)连接；单片机还与接口电路(19)双向连接，并通过数据线与输入输出扩展电路(16)和非易失性静态存储器(17)双向连接，还与薄膜触摸按钮(18)单向连接；所述单脉冲变换器(11)由单片机的清零信号清零后，接收从高速电压比较器(10)的回波信号并经变换后与信号驱动及功率放大电路(13)信号放大后与超声波探测器(1)的超声波发射器探头连接；所述的时标脉冲计数器(14)和液晶显示屏(20)分别通过输入输出扩展电路(16)与单片机的数据线连接；所述的充电及供电电路(3)由抗雷击电路(23)、整流滤波电路(24)、限流稳压充电电路(25)，电源变换器(26)和两组蓄电池(27)组成；提供电子测量电路(2)和超声波探测器中的温度集成电路的工作电源。
由于本实用新型采用了以上的技术方案，所产生的效果和优点是明显的1)本实用新型超声波探测器的结构完全克服了振弦式应力计安装时须将被测物截断的弊端，排除了振弦式应力计因自身温度变化而引起的误差，简化了安装和测量的操作过程；2)通过直接测出被测物的微小变形量和位移数据；采用在高达31次超声波回程时间内对时标脉冲进行计数，将被测量的微变量实行放大，无需其它精密设备便能完成对微米量级直至毫米量级的微小位移测量，大大提高了工程测量的精度；3)配有供电和充电电路，对本实用新型的所有用电提供合适的工作电源并对配置的电池施以充电；4)采用非易失性静态存储器，对测量数据进行长期保存；5)配有RS-232接口，可与通用计算机进行数据通信，具有强大的数据后处理能力；6)寿命长，适应恶劣环境能力强。
为了进一步了解本实用新型的性能、特征，现结合以下实施例及其附图再作详细说明。
图1是本实用新型的超声波多次脉冲回波测微装置结构总框图；图2是本实用新型的超声波探测器的结构示意图；图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5分别组成本实用新型电子测量电路的电原理图；图4是本实用新型充电及供电电路的电原理图。
请参阅附图本实用新型是一种超声波多次脉冲回波测微装置，由至少一个超声波探测器和与之配套的接收测量装置构成。利用超声波传输原理，将接收测量装置发出的激励脉冲信号经超声波探测器转换成超声波能量，再经接收测量装置转换成相应的数字量，进行数据处理。
所述的超声波探测器包括超声波发射器晶体(4)、超声波接收器晶体(5)、内套管(6)、外套管(7)和温度集成电路(8)。所述的内套管是由一段不锈钢波纹管，其中段是一段不锈钢波纹管(61)，不锈钢波纹管的作用是形成自由端，从而彻底消除超声波探测器由于自身温度膨胀系数随外界温度变化所造成的误差以及由于超声波探测器与被测物之间温度系数不匹配所造成的误差；内套管设在外套管中，所述的超声波发射器(4)和超声波接收器(5)分别设在内套管的两端形成高密封腔体，并分别通过各自的连接端(41)、(51)与被测物连接；所述超声波发射器采用HTCK/40T型号，超声波接收器采用HTCK/40R型号；所述的内套管中还设有一温度集成电路(8)，温度集成电路采用LM235型号，其作用是探测出超声波探测器所处的环境温度，接收测量装置根据测定的温度值计算出由于环境温度变化引起的超声波探测器密封腔体气体密度的变化量，修正由于气体密度的变化而引起的超声波波速的变化。
所述的接收测量装置包括电子测量电路(2)和汇编程序软件(28)。电子测量电路(2)由单片机CPU、高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)、多次回波控制电路(12)、信号驱动及功率放大电路(13)、时标脉冲计数器(14)、单片机CPU的外围电路(15)、输入输出扩展电路(16)、非易失性静态存储器(17)、薄膜触摸键盘(18)、RS-232接口电路(19)、液晶显示屏(20)、温度测量电路(21)、温度控制电路(22)组成；所述高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)及信号驱动及功率放大电路(13)置于恒温槽内，由温度控制电路(22)对其进行温度控制，精度达±0.1C°；所述的高阻放大器(9)的输入端与超声波探测器(1)超声波接收器的探头连接，高阻放大器(9)的输出端与高速电压比较器(10)的输入端连接，并且高速电压比较器(10)与多次回波控制电路(12)和时标脉冲计数器(14)顺序连接；所述单片机CPU发出的清零信号分别与单脉冲变换器(11)、时标脉冲计数器(14)和多次回波控制电路(12)连接；单片机还与接口电路(19)双向连接，并通过数据线与输入输出扩展电路(16)和非易失性静态存储器(17)双向连接，还与薄膜触摸按钮(18)单向连接；所述单脉冲变换器(11)经单片机的清零信号清零后，接收高速电压比较器(10)的回波信号并经变换后与信号驱动及功率放大电路(13)信号放大后与超声波探测器(1)的超声波发射器探头连接；所述的时标脉冲计数器(14)和液晶显示屏(20)分别通过数据线与输入输出扩展电路(16)与单片机的数据线连接；高阻放大器(9)由电容2C10、2C11，电阻2R5、2R6、2R7、2R8，二极管2D1、2D2、2D3,MOS场效应晶体管2M1(型号2N5485),PNP晶体管2TR1(型号PN5139)构成，采用MOS场效应晶体管2M1的目的是为了有效地提高输入阻抗，从而降低对信号源索取功率的要求，高阻放大器(9)的功能是完成对超声波探测器(1)超声波接收器送来的微弱回波信号实行高阻放大；高速电压比较器(10)的功能是将高阻放大器(9)送出的信号处理成合适的、与TTL数字集成电路电平匹配的脉冲信号，高速比较器(10)由电阻2R9、2R10、2R11，电容2C12、2C15，电位器2P1，高速集成电压比较器2IC15(型号AM605)组成，其中电位器2P1、电容2C12和电阻2R9构成了分压电路，用以向高速集成电压比较器2IC15提供初始基准电压，使高速集成电压比较器2IC15的同相端在无输入回波信号时输出数字低电平，电解电容2E9和电容2C13为电源退耦电路；回波信号经过高阻放大器(9)和高速比较器(10)处理成的脉冲信号被馈入集成计数器2IC23(型号74F161)的2脚，集成计数器2IC23的输出经集成或门电路(例如型号为74F32)2IC15:A、2IC15:B、2IC15:C、2IC15:D将回波信号的直接信号和可能出现的多次反射波信号处理成宽度拉长了的单脉冲信号，并将此信号将经电容2C29和电阻2R39微分后馈人集成与门电路2IC14:B(型号74f08)的第4脚；单脉冲变换器(11)的功能是将集成与门电路2IC14:B(74F08)的输出脚(第6脚)的输出信号变换成等宽度(10μs)的脉冲信号，以提供下一轮次的激励脉冲信号；单脉冲变换器(11)由集成与非门电路(型号74F00)2IC18:A、2IC18:B，集成或门电路(型号74F32)2IC16:A、2IC16:B、2IC16:C、2IC16:D，集成计数器2IC23(型号74F161)，集成单稳态电路2IC22(型号74121)，电阻2R14、2R20、2R37、2R38、2R39，二极管2D4、2D7、2D8，电容2C16、2C17、2C27、2C28、2C29组成；其中，电阻2R20、电容2C17构成了脉冲宽度的定时时间常数电路，定时时间常数约为10微秒；二极管2D4(2CK)的作用是为了防止时间常数电路中的电容2C17存储电荷的泄漏；当驱动及功率放大电路(13)发出一个激励脉冲信号后，经超声波接收器(5)换能的信号除了直接换能信号外，还包含压电超声波接收器晶体二端的反射信号，从而在超声波接收器的输出信号中形成三、四、五…等N次由反射信号引起的换能信号，为确保电子测量电路(2)在处理回波信号时具有恒定的延时时间，电子测量电路(2)在收到直接回波信号的上升沿时，即刻向超声波探测器(1)超声波发射器(4)发出下一个脉冲信号，因而必须清除除直接换能信号以外的所有反射信号；集成计数器2IC23和集成或门电路2IC16:A、2IC16:B、2IC16:C、2IC16:D的作用是将超声波接收器(5)送来的直接回波信号和由反射引起的多次回波信号变换成单一脉冲信号，并经由电阻2R39、电容2C29，二极管2D8组成的正极性微分电路单次触发由集成与非门电路2IC17:A(74F00)、2IC17:B(74F00)，电阻2R20，电容2C17，二极管2D4组成的同步脉冲展宽电路，使之发出下一个等宽度(10μs)的激励脉冲信号；根据测量精度需要，超声波回程次数可相应改变。
单脉冲变换器(11)的输出信号经电容2C18耦合后馈入信号驱动及功率放大电路(13)，信号驱动及功率放大电路(13)由集成脉冲放大器2IC19(型号MC1554)，电阻2R21、2R22，电容2C19、2C20、2C21、2C22、2C23组成；信号驱动及功率放大电路(13)的功能是为超声波探测器(1)的超声波发生器(4)提供足够的激励脉冲功率。
本实用新型的数据处理由单片机CPU及外围电路(15)、地址锁存器2IC3(型号74LS373)、非易失性静态存储器(17)，输入输出扩展电路(16)和薄膜触摸键盘(18),RS-232接口电路(21)，液晶显示屏(20)完成；由电解电容2E1、2E2、2E3，电容2C1、2C2，按键开关2SW1，集成非门电路2IC2:C(型号74F14)构成了单片机2IC1(型号87C552)的复位驱动电路；石英晶体振荡器2JZ1(12MHZ),2C3、2C4组成的振荡电路为单片机2IC1提供机器振荡信号，并作为时标脉冲计数器(14)的时标信号；电解电容2E3、电容2C2为本单元的退耦电路；集成锁存器2IC3用以锁存单片机2IC1的P0口低8位地址；输入输出扩展电路(16)由扩展芯片2IC6(型号8255)构成，用以对外围16位时标脉冲计数器(14)与单片机2IC1的数据交互通道进行扩展；非易失性静态存储器(17)由非易失性静态存储器(型号HK1235)2IC4和2IC5构成，用以存储本实用新型的测量数据；薄膜触摸键盘(18)由薄膜按键开关2S1、2S2、2S3、2S4、2S5、2S6、2S7、2S8、2S9、2S10、2S11、2S12，电阻2R2、2R3、2R4组成，用以完成人机对话；RS-232接口电路(19)的目的是为了实现本实用新型的存储数据与通用计算机交互访问的功能，以便对数据进行后处理，RS-232接口电路(19)由集成电路2IC21(型号TC232C)、电解电容2E14、2E15、2E16、2E17组成；时标脉冲计数器(14)由集成计数器(型号74F161)2IC7、2IC8、2IC9、2IC10组成，用以在12兆赫兹的时标脉冲触发下，完成接收多次回波，例如本实施例的31轮测量时间程间的时标脉冲信号个数的计数；多次回波控制电路(12)的集成计数器2IC11(74F161)、2IC12(74F161)构成了最大为八位的二进制回波信号的计数(255次)，本实施例设计回波次数为31次，五位二进制计数，当该五位全为1时，集成与非门2IC13(74F30)的输出为低电平“0”，该输出信号的作用是向单片机2IC1(87C552)发出中断控制信号(INO-)，通知单片机2IC1(87C552)本次测量结束，单片机2IC1(87C552)开始采样由温度测量电路(21)送来的温度信号，并对该信号施以模/数转换，温度信号经模/数转换完毕，单片机2IC1(87C552)将采样集成计数器2IC7(74F161)、2IC8(74F161)、2IC9(74F161)、2IC10(74F161)组成的16位时标脉冲计数器(14)，编译在单片机2IC1(87C552)中的汇编算法程序(28)对16位时标脉冲计数器的采用值施以计算，并结合温度测量的采样信号对计算值进行修正；中断控制信号(IN0-)还作为封锁信号封锁高速电压比较器(10)的工作；当多次回波控制电路(12)计数到31时，集成与非门2IC13(74F30)的输出为低电平“0”，从而封锁住集成与门电路2IC14:A(74F08)，使16位时标脉冲计数(14)集成计数器2IC7(74F161)、2IC8(74F161)、2IC9(74F161)、2IC10(74F161)停止计数。
电子测量电路(2)的输出结果由液晶显示屏(20)的2XS1(型号24200)显示，液晶显示屏2XS1的输入8位数据总线由集成I/O扩展器2IC6(型号8255)的PC口提供。
电子测量电路(2)的薄膜触摸键盘输入(18)由薄膜开关2S1、2S2、2S3、2S4、2S5、2S6、2S7、2S8、2S9、2S10、2S11、2S12，电阻2R2、2R3、2R4组成，其中薄膜开关2S1为上档键，薄膜开关2S2为测量启动键，薄膜开关2S3为功能选择键，薄膜开关2S4为清零键，薄膜开关2S5为确定键，薄膜开关2S6为取消键，薄膜开关2S7为字符/数字单步上移键，薄膜开关2S8为字符/数字单步下移键，薄膜开关2S9为温度测量/显示键，薄膜开关2S10为RS-232通讯键，薄膜开关2S11为测量结果显示选择键，薄膜开关2S12为数据存储键。
电子测量电路(2)的温度控制电路(22)由集成温度传感器2WK1(型号LM235)，电阻2R23、2R24、2R25、2R26、2R27、2R28、2R29、2R30、2R31、2R32、2R33、2R34、2R35、2R35，电解电容2E12、2E13，电位器2P3、2P4，电容2C24、2C25、2C26，二极管2D6(2CK)，稳压管2W2(15V/EW)，集成运算放大器2IC17:A(型号TL082)，集成电压比较器2IC20(型号LM311),VMOS功率场效应管2M2(型号IRF530),PTC加热元件2JR1、2JR2、2JR3、2JR4组成；其中集成温度传感器2WK1为温度传感元件，集成运算放大器2IC17:A用以放大集成温度传感器2WK1的温度传感信号，由电位器2P4，电阻2R29构成的分压电路用以向集成电压比较器2IC20提供标准的温度设定电压，集成电压比较器2IC20用以控制VMOS功率场效应管2M2的通断，从而控制加热元件的通断；温度控制电路(22)的目的是1)严格控制石英晶体振荡器2JZ1(12MHZ)的频率稳定度，确保时标脉冲的精确度达到10-8；2)因为集成电路的输出信号响应输入信号的延迟时间主要取决于环境温度，高精度的温度控制其目的是确保高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)、信号驱动及功率放大电路(13)延迟时间的的恒定。
电子测量电路(2)的温度测量电路(21)由电阻2R12、2R13、2R15、2R16、2R17、2R18、2R19，电解电容2E11，二极管2D5(2CK)，稳压管2W1(4.3V/0.5W)，电位器2P2、集成运算放大器2IC17:B(TL082)组成，用以放大超声波探测器(1)中的温度集成电路(7)送来的温度传感信号，并将被放大了的温度传感信号馈至单片机2IC1的A/D输入口(P5.7)。
本实用新型的工作原理是按下薄膜触摸键盘(18)的2S2测量启动键，时标脉冲计数器(14)开始对由晶体振荡器产生的12MHZ时标脉冲开始进行计数，同时，电子测量电路(2)的单片机2IC1的第17脚发出一个宽度为10微秒的启动脉冲信号(TRIG)，该信号经过集成或门电路2IC16:D后，馈至由电容2C29、电阻2R39和二极管2D8组成的微分电路进行微分，然后送入单脉冲变换器(11)；经单脉冲电路变换器(11)输出的信号，被馈至信号驱动及功率放大电路(13)中放大后，馈至超声波探测器的超声波发射器，经超声波发生器换能并传输一定距离后由超声波接收器接收并重新换能成电压型回波信号；该回波信号经高阻放大器(9)放大和高速比较器(10)整形后，被多次回波控制电路(12)计数，同时，通知单脉冲变换器(11)和信号驱动及功率放大电路(13)向超声波探测器的超声波发射器发出下一个脉冲。多次重复上述过程直至达到所需测量精度对应的次数，多次回波控制电路(12)立即发出封锁信号CP和中断信号IN0-，封锁信号CP用于封锁时标脉冲计数器(14)，使之停止对时标脉冲的计数操作，并保留当时的计数值；中断信号IN0-用于向单片机及外围电路(15)申请中断，并封闭高速比较器(10)的工作。单片机及外围电路(15)响应中断后将依次完成以下操作通过单片机2IC1的62脚(A/D)采样并量化经温度测量电路(21)定标和放大的超声波探测器中的温度集成电路15的温度信号；通过输入输出扩展电路(16)，单片机2IC1的数据地址复用口P0(57-48脚)读入时标脉冲计数器(14)的计数值；根据采样的温度信号计算、显示及存储测量值。
电子测量电路(2)实现的功能是I)按下测量启动健2S2后，由单片机2IC1的16脚(P1-0端口)经集成反相器(型号74F14)2IC2:A和2IC2:B反相后，向单脉冲变换器(11)、多次回波控制电路(12)、时标脉冲计数器(14)，以及单脉冲变换器(14)的2IC23发出清零信号(CL)，然后单片机2IC1的17脚(P1-1端口)向单脉冲变换器(11)发出一个脉冲宽度为10微秒的脉冲信号，并经信号驱动及功率放大电路(13)放大后馈至超声波探测器(1)中的超声波发射器(4)；2)由单片机2IC1的17脚(P1-1端口)发出一个宽度为10微秒的驱动脉冲信号，经信号驱动及功率放大电路(13)放大后作为激励脉冲信号送至超声波探测器(1)中的超声波发射器(4)，超声波发射器(4)将该激励脉冲信号换能成超声波，经传播一定距离后被超声波探测器(1)中的超声波接收器(5)重新换能成电压型回波信号，该回波信号经测量电路(2)的高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)处理后，经信号驱动及功率放大电路(13)放大后发出下一个激励脉冲信号，即当电子测量电路(2)被启动后，由超声波探测器(1)的超声波接收器(5)送来的第一个回波信号被多次回波控制电路(12)计数为1，同时发出第二个脉冲信号；当电子测量电路(2)收到第二个回波脉冲信号时，多次回波控制电路(12)计数为2，同时发出第二个脉冲信号；依次类推直至计数到第31个回波脉冲信号的上升沿停止计数，因而，总测量时间是31个完整回波周期所使用的时间。
3)当电子测量电路(2)启动后，一个12兆赫兹的高稳定度的时标脉冲被送至时标脉冲计数器(14)，该时标脉冲计数器(14)受多次回波控制电路(12)的控制，当多次回波控制电路(12)已经计数到第31个回波信号的上升沿时，立即停止时标脉冲计数器(14)的计数操作，向单片机2IC1发出中断请求并封锁高速电压比较器(10)的工作。
4)单片机2IC1接收到多次回波控制电路(12)的中断请求后，通过输入输出扩展电路(16)获取时标脉冲计数器(14)的计数值，该计数值为在31个完整回波脉冲信号周期，单个脉冲信号的发射至回波脉冲信号被接收所经过的超声波发射器(4)到超声波接收器(5)的单程距离的31倍程所对应的时间内时标脉冲被记录的个数；然后由单片机2IC1的A/D转换口(P5-7端口)采样超声波探测器(1)的实时温度，用以修正算法语言软件，计算、存储并显示测量结果。本实用新型测量值为被测物的动态值，即将超声波探测器(1)两端被固定在被测物体上，然后按照上述过程测量被测物，并记录下初次测定值；其后的测量，本实用新型都会根据初始值和其后的测量值进行比较，从而给出被测物的长度变化值。
充电及供电电路(3)(图4)是由交流220伏输入和抗雷击电路(23)、变压器及整流滤波电路(24)、限流稳压充电电路(25)，±15伏和+5伏电源变换(26)，一个6安培、12伏免维护蓄电池(27)组成；充电及供电电路(3)对本实用新型所有用电提供±15伏和正5伏的供电电源。
交流220伏输入和抗雷击电路(23)是由保险丝3F1(2A)，压敏电阻3R1，电容3C1组成；压敏电阻3R1的作用是抗雷击，电容3C1的作用是为了滤除交流电网的高频干扰；变压器及整流滤波电路(24)由二极管(型号FR207)3D1、3D2、3D3、3D4，电解电容3E1、3E2，电容3C2，滤波电感3L1组成，其中二极管3D1、3D2、3D3、3D4构成了桥式整流电路，电解电容3E1、3E2，电容3C2，滤波电感3L1构成了混π型整流滤波电路；集成稳压器3V1(型号W200)、电容3C3、3C4，电阻3R2、3R3、3R4，电位器3P2构成了限流稳压充电电路(25)；±15伏电源变换电路(26)由电解电容3E3，电容3C4、3C5、3C6、3C7、3C7、3C8，二极管3D6(FR103)，开关3SW1,±15集成电压变换器3IC2(型号PDD3-51515)、集成脉宽调制器3IC2(型号SG3524AN)等组成。±15伏电源变换电路(26)的作用是为电子测量电路(2)中的集成运算放大器(型号TL082)2IC17:A和2IC17:B、脉冲放大器2IC19(型号MC1554)提供所需的+15伏或-15伏的工作电源；6安培、12伏免维护蓄电池(27)是本实用新型电源变换的输入电源。
本实用新型特点是1、以应答交互方式，每个回波信号的上升沿被多次回波控制电路(12)计数，直至计数到第31个回波信号的上升沿停止计数，同时封闭时标脉冲计数器(14)对时标脉冲的计数，并向单片机2IC1的26脚(P3-2端口)发出中断申请；时标脉冲信号直接取自石英晶体振荡器2JZ1(12MHZ)；2、使用单片机2IC1完成对时标脉冲计数器(14)的计数值和接收超声波探测器(1)中的温度集成电路(7)的温度传感信号的采样；完成对各采样值的计算、存储及显示；并完成对本实用新型的相应部分之控制；3、为确保石英晶体振荡器2JZ1(12MHZ)频率的高度稳定性和处理电路延迟时间的恒定，温度控制电路(22)对石英晶体振荡器2JZ1(12MHZ)、高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)、信号驱动及功率放大电路(13)和多次回波控制电路(12)施以精度高达0.1℃的温度控制；4、通过电子测量电路(2)的温度测量电路(21)，测定超声波探测器(1)的腔体温度，获得超声波探测器(1)内的气压随温度变化的情况，正确修正超声波的传播速度。
本实用新型为实现对被测物体1微米位移变化量的测量精度还通过以下技术方案得以实现温度控制电路(22)对高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)、石英晶体振荡器2JZ1(12MHZ)、信号驱动及功率放大电路(13)和多次回波控制电路(12)施以精度高达0.1℃的温度控制，以确保石英晶体振荡器2JZ1(12MHZ)振荡频率的高度稳定性和处理电路延迟时间的恒定。本实用新型通过温度测量电路(21)来测定超声波探测器(1)的腔体温度，获得即时超声波探测器(1)内的气压随温度变换的情况，从而根据腔体内的气压状况正确修正超声波的传播速度。本实用新型还通过电子测量电路(2)向超声波探测器(1)的超声波发射器(4)发出激励脉冲信号，经超声波接收器(5)接收后转换成电压型回波信号，电子测量电路(2)收到回波信号后再发出下一个激励脉冲信号、总计往返达31次的应答交互方式达到放大微变量的目的。
本实用新型测量方便、精度高，特别适用于要求测定微米量级精度位移变化的土木建筑工程的场合。
权利要求1.一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于由设在被测物上的至少一个超声波探测器和与之配套的接收测量装置、以及向该装置中有关电路供电的充电及供电电路构成；所述的超声波探测器，包括外套管、内套管、超声波发射器、超声波接收器以及温度集成电路；所述的内套管设在外套管中，内套管的中段是一段波纹管，所述的超声波发射器和超声波接收器设在内套管的两端以形成高密封腔体，并分别通过各自的连接端与被测物连接；所述的内套管中还设有一温度集成电路；所述的接收测量装置，包括电子测量电路(2)，该电路完成向超声波探测器发射信号以及从超声波探测器接收测量信号，再通过该电路中的有关电路及汇编软件进行数据处理；电子测量电路(2)由单片机CPU、高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)、多次回波控制电路(12)、信号驱动及功率放大电路(13)、时标脉冲计数器(14)、单片机CPU的外围电路(15)、输入输出扩展电路(16)、非易失性静态存储器(17)、薄膜触摸键盘(18)、RS-232接口电路(19)、液晶显示屏(20)、温度测量电路(21)、温度控制电路(22)组成；所述高阻放大器(9)、高速比较器(10)、单脉冲变换器(11)及信号驱动及功率放大电路(13)置于恒温槽内，由温度控制电路(22)对其进行温度控制，精度达±0.1C°；所述的高阻放大器(9)的输入端与超声波探测器(1)超声波接收器的探头连接，高阻放大器(9)的输出端与高速电压比较器(10)的输入端连接，并且高速电压比较器(10)与多次回波控制电路(12)和时标脉冲计数器(14)顺序连接；所述单片机CPU发出的清零信号分别与单脉冲变换器(11)、时标脉冲计数器(14)和多次回波控制电路(12)连接；单片机还与接口电路(19)双向连接，并通过数据线与输入输出扩展电路(16)和非易失性静态存储器(17)双向连接，还与薄膜触摸按键(18)单向连接；所述单脉冲变换器(11)起始时由单片机的清零信号清零后，接收从高速电压比较器(10)的回波信号并经变换后与信号驱动及功率放大电路(13)连接，由信号驱动及功率放大电路(13)实行信号放大后与超声波探测器(1)的超声波发射器探头连接；所述的时标脉冲计数器(14)和液晶显示屏(20)分别通过数据线与输入输出扩展电路(16)与单片机的数据线连接；所述的充电及供电电路(3)由抗雷击电路(23)、整流滤波电路(24)、限流稳压充电电路(25)，电源变换器(26)和两组蓄电池(27)组成；提供电子测量电路(2)和超声波探测器中的温度集成电路的工作电源。
2.根据权利要求1所述的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于所述的高阻放大器(9)由电容2C10、2C11，电阻2R5、2R6、2R7、2R8，二极管2D1、2D2、2D3,MOS场效应晶体管2M1,PMP晶体管2TR1构成。
3.根据权利要求1所述的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于所述的高速电压比较器(10)由电阻2R9、2R10、2R11，电容2C12、2C15，电位器2P1，高速集成电压比较器2IC15组成。
4.根据权利要求1所述的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于所述的单脉冲变换器(11)由集成与非门电路2IC18:A、2IC18:B，集成或门电路2IC16:A、2IC16:B、2IC16:C、2IC16:D，集成计数器2IC23，集成单稳态电路2IC22，电阻2R14、2R20、2R37、2R38、2R39，二极管2D4、2D7、2D8，电容2C16、2C17、2C27、2C28、2C29组成。
5.根据权利要求1所述的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于所述的多次回波控制电路(12)由集成计数器2IC11、2IC12构成。
6.根据权利要求1所述的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于所述的信号驱动及功率放大电路(13)由集成脉冲放大器2IC19，电阻2R21、2R22，电容2C19、2C20、2C21、2C22、2C23组成。
7.根据权利要求1所述的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于所述的时标脉冲计数器(14)由集成计数器2IC7、2IC8、2IC9、2IC10组成。
8.根据权利要求1所述的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于温度控制电路(22)由集成温度传感器2WK1(型号LM235)，电阻2R23、2R24、2R25、2R26、2R27、2R28、2R29、2R30、2R31、2R32、2R33、2R34、2R35、2R35，电解电容2E12、2E13，电位器2P3、2P4，电容2C24、2C25、2C26，二极管2D6(2CK)，稳压管2W2(15V/EW)，集成运算放大器2IC17:A(型号TL082)，集成电压比较器2IC20(型号LM311),VMOS功率场效应管2M2(型号IRF530),PTC加热元件2JR1、2JR2、2JR3、2JR4组成；
9.根据权利要求1所述的一种超声波多次脉冲回波测微装置，其特征在于非易失性静态存储器(17)由非易失性静态存储器(型号HK1235)2IC4和2IC5(型号HK1235)构成，所述非易失性静态存储器2IC4和2IC5采用HK1235型号。
专利摘要本实用新型公开了一种超声波多次脉冲回波测微装置,由超声波探测器和接收测量装置构成;超声波探测器完成超声波发射、超声波接收及传感探头内温度状态的测量,向接收测量装置提供相应的测量信号;接收测量装置根据超声波探测器提供的测量信号通过装置中的单片机由特定的汇编软件进行数据处理,对测量值进行计算,对接收测量装置的有关电路实行控制。本实用新型测量精度高,特别适用于要求测定微米量级精度位移变化的土木建筑工程的场合。
文档编号G01B17/04GK2343573SQ9822488
公开日1999年10月13日 申请日期1998年8月17日 优先权日1998年8月17日
发明者李建国, 任臻, 查利权, 陆致中, 周小刚 申请人:李建国, 任臻, 查利权, 陆致中, 周小刚