收发一体超声探头介质分层特性探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种收发一体超声探头介质分层特性探测系统，包括若干超声探头、电源、信号发生器、数字示波器、计算机，其中超声探头阵列排布，探头由电路系统以及超声传感器封装而成，电路系统用于控制超声传感器发射与接收超声波并得出回波信号与触发信号的时间间隔；计算机与数字示波器连接，实现数字示波器与计算机之间的数据传输，分析数据后得出多层介质内部状况。本发明专利技术通过电路系统实现对收发一体传感器发射与接收超声波的精确控制，准确测量超声波的传输时间；通过计算机对数据分析计算可以定量检测到每层介质的具体位置、介质厚度以及内部缺损情况。

Transmitter and receiver integrated ultrasonic probe medium layered characteristic detection system

The invention discloses a kind of ultrasonic probe medium layered characteristic detection system, including several ultrasonic probes, power supply, signal generator, digital oscilloscope and computer, in which the ultrasonic probe array is arranged, the probe is packaged by the circuit system and the ultrasonic sensor, and the circuit system is used to control the ultrasonic sensor hair. The time interval between the echo signal and the trigger signal is received and received, and the computer is connected with the digital oscilloscope to realize the data transmission between the digital oscilloscope and the computer, and then the data of the multi-layer medium is obtained after the analysis of the data. The invention can accurately control the transmitting and receiving ultrasonic of the transmitter and receiver through the circuit system, accurately measuring the transmission time of the ultrasonic wave, and quantificationally detecting the specific position of each medium, the thickness of the medium and the internal defect through the analysis and calculation of the data by the computer.

【技术实现步骤摘要】
收发一体超声探头介质分层特性探测系统
本专利技术属于传感器领域，具体涉及一种收发一体超声探头介质分层特性探测系统。
技术介绍
超声波技术具有成本低，速度快，非接触，无损等诸多优点。因此，超声波检测技术广泛应用于许多间接检测领域，如工程测量，机器人，工业自动化等。然而，超声波在多层介质中的传输与反射非常复杂，定量检测较为困难。同时，超声波在相同介质下以不同频率传输时，超声波的能量衰减特性也有较大差异。通常，随着超声波换能器频率，传输距离，反射面吸收率和辐射角度的增加，超声波的能量衰减迅速增加。根据超声波发射单元和接收单元的结构，用于检测的超声换能器可以分为复合探头和单体探头。复合探头由一个发射换能器和一个或多个接收换能器/传感器组成，具有体积大，灵敏度低，测试电路简单等显著特点。单体结构只有一个传感器同时兼具发射和接收两种功能，具有体积小，灵敏度高，测试电路复杂等显着特点。而正因为这些因素的限制，超声波检测技术在应用中有着许多困难。作为非接触检测技术，超声波可用于距离测量。在超声波检测领域，测量距离与传输时间密切相关。在相同的距离下，传输时间可以通过介质密度，环境温度和压力的参数来实现。当参数假定为常数时，获取超声穿透介质的传输时间是非常重要的。因此，电路系统的时间精度和响应速度对超声波检测应用具有重要的地位。而超声波在多层介质中的传输与反射过程较为复杂，因此，对于多层介质的定量检测较为困难。对比文件：基于变波速相位迁移多层物体无损检测超声波成像方法(201210046151.1)，该专利采用单个的超声波换能器并结合变波速法以及相位迁移法能够实现多层介质的无损检测成像。但该专利成像系统较为复杂，未能精确表达每层介质的位置及厚度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于实现多层介质的定量检测，提出一种收发一体超声探头介质分层特性探测系统，实现每层介质具体位置、介质厚度以及内部缺损情况的检测，解决了多层介质定量检测的技术问题。本专利技术采用如下技术方案，一种收发一体超声探头介质分层特性探测系统，包括若干超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，其中：若干超声探头阵列排布，超声探头由电路系统以及超声传感器封装而成，用于依次发射和接收超声信号，电路系统用于控制超声探头发与射接收超声波并得出回波信号与触发信号的时间间隔；信号发生器与超声探头相连，用于向多只超声探头输入触发信号；数字示波器分别与超声探头和信号发生器相连，用于显示被超声探头捕获的回波信号和触发信号的波形；计算机与数字示波器连接，实现数字示波器与计算机之间的数据传输，并分析数据得出多层介质内部状况。优选地，所述超声探头阵列，自上而下信号发生器的触发信号按设定的相位差依次触发超声探头，再由下而上触发信号按设定的相位差依次触发超声探头，每个超声探头两次触发之间的时间间隔Tm大于被检测物体与探头之间的传输时间。优选地，信号发生器具有多通道，分别向多只超声探头输入触发信号，产生的触发信号为负脉冲信号。优选地，电路系统包括波形调整单元、信号发生单元、超时复位与自锁单元、回波捕获与放大单元以及输入输出电平转换单元，信号发生器产生一个负脉冲触发信号，自输入输出电平转换单元的测试触发端口输入，输出到波形调整单元，经波形调整单元将脉冲信号反相之后输入超时复位与自锁单元，由超时复位与自锁单元的单次触发与回波触发控制端口输出处理后的触发信号，位于输入输出电平转换单元的回波端口接收处理后的触发信号并开始计时，作为计时信号；同时，信号发生器产生的触发信号由波形调整单元强化，输入到信号发生单元，进而驱动发送接收一体超声换能器产生超声波，返回的超声波被回波捕获与放大单元捕获并放大，放大后的信号输入到超时复位与自锁单元，单次触发与回波触发控制端口输出回波信号，输入输出电平转换单元接收回波信号并停止定时，输入输出电平转换单元与数字示波器相连，将正脉冲信号显示在数字示波器上。优选地，在波形调整单元中，由信号发生器产生的负脉冲触发信号自测试触发电路输出，输入到信号分配电路，在信号分配电路中利用电压比较器将负脉冲触发信号反相后得到正脉冲信号作为起始的计时信号输入至超时复位与自锁单元的单次触发信号输入端中；同时，从信号分配电路输出的正脉冲信号经过波形调整电路中的施密特触发器的翻转调整后，自信号发生使能端输入信号发生单元；正脉冲信号经波形调整电路中的施密特触发器翻转并延迟后得到单次触发锁定信号，输入到超时复位与自锁单元的单次触发锁定电路中；波形调整单元包括超时信号衰减模块，如果触发信号超时，超时信号衰减模块对超时信号进行衰减，以防止超时的触发信号对电路中信号传输的影响。优选地，在信号发生单元和回波捕获与放大单元中，信号发生使能端接收到正脉冲信号后经过震荡频率发生电路产生驱动信号输至超声换能器驱动电路，由超声换能器驱动电路驱动变压器，变压器将驱动信号传递至发送接收一体超声换能器，使发送接收一体超声换能器工作发射超声波；被介质反射回来的超声波信号被回波捕获与放大单元中的回波捕获电路捕获，捕获的回波信号由回波放大电路进行处理，然后由检波电路对回波信号检出，得到放大及检波后的回波信号。优选地，信号发生单元中的震荡频率发生电路采用555触发器，变压器与电容和电阻进行阻抗匹配得到谐振频率fu，fu即为超声传感器的中心频率以及超声传感器产生的超声波频率。优选地，采用超声传感器的频率范围为40～200KHz，保证测试精度。优选地，回波捕获电路包括两个二极管组成的钳位电路，与回波信号产生谐振，实现对回波信号的捕获。优选地，超时复位与自锁单元中包括回波信号匹配电路，回波信号匹配电路由两个电压比较器U1和U2组成，电压比较器U2的输出端口为单次触发与回波触发控制端口，连接输入输出电平转换单元；在波形调整单元中被反相的触发信号自单次触发信号输入端输入到电压比较器U2的同相输入端，通过电压比较器U2后输入到输入输出电平转换单元，在数字示波器上显示计时信号；触发信号通过后，波形调整单元中被延迟得到的单次触发锁定信号经单次触发锁定电路衰减后输入电压比较器U2的反相输入端，实现对电压比较器U2信号传输的锁定；电压比较器U1的输入端口为回波信号输入端口，经过放大检波处理的回波信号自超时复位与自锁单元的回波信号输入端口输入电压比较器U1的同相输入端，从波形调整单元输出的单次触发锁定信号经过单次触发锁定电路衰减处理后输入电压比较器U1的反相输入端，两个信号强度按照匹配原理进行匹配，满足匹配条件的回波信号，即回波信号幅值大于衰减处理后的单次触发锁定信号的幅值，回波信号自电压比较器U1输出，同时输入电压比较器U2的同相输入端，再次与衰减处理后的单次触发锁定信号匹配，满足匹配条件的回波信号通过电压比较器U2输出至输入输出电平转换单元。优选地，衰减处理后的单次触发锁定信号的高电平维持时间为盲区时间，对应于检测盲区的长度，探测盲区的长度Sb计算公式如下：Sb＝λ(Ni+Nr)激励周期Ti满足以下条件：Ti≥NiTu，其中激励周期Ti为触发负脉冲信号的周期，Ni为激励周期个数，Nr为余振周期个数，Tu为超声波的工作周期，λ为超声波波长，计算公式如下：λ＝v/fu其中fu为超声传感器的中心频率以及传感器产生的超声波频率，v为超声波的理论声速，其计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，包括若干只超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，其中：若干超声探头阵列排布，超声探头包括电路系统和超声传感器，用于依次发射和接收超声信号，电路系统用于控制超声传感器发射与接收超声波并得出回波信号与触发信号的时间间隔；信号发生器与超声探头相连，用于向多只超声探头输入触发信号；数字示波器分别与超声探头和信号发生器相连，用于显示被超声探头捕获的回波信号和触发信号的波形；计算机与数字示波器连接，实现数字示波器与计算机之间的数据传输，并分析数据得出多层介质内部状况。

【技术特征摘要】
1.一种收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，包括若干只超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，其中：若干超声探头阵列排布，超声探头包括电路系统和超声传感器，用于依次发射和接收超声信号，电路系统用于控制超声传感器发射与接收超声波并得出回波信号与触发信号的时间间隔；信号发生器与超声探头相连，用于向多只超声探头输入触发信号；数字示波器分别与超声探头和信号发生器相连，用于显示被超声探头捕获的回波信号和触发信号的波形；计算机与数字示波器连接，实现数字示波器与计算机之间的数据传输，并分析数据得出多层介质内部状况。2.根据权利要求1所述的收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，所述超声探头阵列，自上而下，信号发生器产生的触发信号按设定的相位差依次触发超声探头，再由下而上，触发信号按设定的相位差依次触发超声探头，每个超声探头两次触发之间的时间间隔Tm大于被检测物体与探头之间的传输时间。3.根据权利要求1或2所述的收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，信号发生器具有多通道，分别向多只超声探头输入触发信号，产生负脉冲的触发信号。4.根据权利要求3所述的收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，电路系统包括波形调整单元、信号发生单元、超时复位与自锁单元、回波捕获与放大单元以及输入输出电平转换单元，信号发生器产生一个负脉冲触发信号，自输入输出电平转换单元输入，输出到波形调整单元，经波形调整单元将脉冲信号反相之后输入超时复位与自锁单元，由超时复位与自锁单元的单次触发与回波触发控制端口输出处理后的触发信号，输入输出电平转换单元接收处理后的触发信号并开始计时，作为计时信号；同时，信号发生器产生的触发信号由波形调整单元强化，输入到信号发生单元，进而驱动发送接收一体超声换能器产生超声波，返回的超声波被回波捕获与放大单元捕获并放大，放大后的信号输入到超时复位与自锁单元，单次触发与回波触发控制端口输出回波信号，输入输出电平转换单元接收回波信号并停止定时，输入输出电平转换单元与数字示波器相连，将正脉冲信号显示在数字示波器上。5.根据权利要求4所述的收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，在波形调整单元中，由信号发生器产生的负脉冲触发信号自测试触发电路输出，输入到信号分配电路，在信号分配电路中利用电压比较器将负脉冲触发信号反相后得到正脉冲信号作为起始的计时信号输入至超时复位与自锁单元的单次触发信号输入端中；同时，从信号分配电路输出的正脉冲信号经过波形调整电路中的施密特触发器的翻转调整后，自信号发生使能端输入信号发生单元；正脉冲信号经波形调整电路中的施密特触发器翻转并延迟后得到单次触发锁定信号，输入到超时复位与自锁单元的单次触发锁定电路中；波形调整单元包括超时信号衰减模块，如果触发信号超时，超时信号衰减模块对超时信号进行衰减。6.根据权利要求4所述的收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，在信号发生单元和回波捕获与放大单元中，信号发生使能端接收到正脉冲信号后经过震荡频率发生电路产生驱动信号输至超声换能器驱动电路，由超声换能器驱动电路驱动变压器，变压器将驱动信号传递至发送接收一体超声换能器，使发送接收一体超声换能器工作发射超声波；被介质反射回来的超声波信号被回波捕获与放大单元中的回波捕获电路捕获，捕获的回波信号由回波放大电路进行处理，然后由检波电路对回波信号检出，得到放大及检波后的回波信号。7.根据权利要求6所述的收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，信号发生单元中的震荡频率发生电路采用555触发器，变压器与电容和电阻进行阻抗匹配得到谐振频率fu，fu即为超声传感器的中心频率以及超声传感器产生的超声波频率。8.根据权利要求7所述的收发一体超声探头介质分层特性探测系统，其特征在于，采用超声传感器的频率范围为40～...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈秉岩，陈可，朱昌平，单鸣雷，高远，韩庆邦，姜学平，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32