一种超声波物理探测仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种超声波物理探测仪，至少包括机箱盒和电气部分，机箱盒上设有操作面板，电气部分含有主控单元、电源模块、太阳能电池板阵列、太阳能聚焦集热器、加热器皿、温度探测器、超声发射装置和超声接收装置，主控单元采用嵌入式微控制器与集成电路模块设计，超声发射装置和超声接收装置与微控制器连接。本探测仪可与计算机进行数据通信，设计有人性化操作和显示界面，通过预先编制软件，进一步提高其综合性能。本探测仪收发一体，采集速度快、分辨率高、图像显示直观，对被测物无破坏和对人体无伤害等优点，适用于月球及其他星球的地质探测，也适用于进行相关地面模拟月壤的探测试验，及可用于对金属、桩基、路面等缺陷检测和质量控制。
【专利说明】一种超声波物理探测仪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于超声波物理探测【技术领域】，尤其涉及一种超声波物理探测仪。
【背景技术】
[0002]在探月工程项目研究中，开展对月球月面和浅表构造调查，对于研究月面土壤结构和成份、分析月球表面有用元素、有用矿产和物质类型的分布有着重要意义，也有利于载人航天与探月工程中月面研究计划的实施。特别是后续的月面活动和月球基地建设选址等，都需要借助探测仪器实现浅表地质构造成像和稳定性的研究，这是因为对月壤地质结构及成分的物理探测，必须在不破坏月壤原样结构的前提条件下实施，即应该采取非侵入式的无损探测方法进行探测。以目前的技术现状看，采用超声波探测就是一种便于实现的非侵入式无损探测方式，对于研究探测月壤的结构、物性和厚度来说，采用超声波无损探测方式也是一种比较理想的选择。因此，研究开发一种可用于月球的超声波物理探测仪就是十分必要的任务。有了超声波物理探测仪就可以利用超声波在介质中传播时发生反射、能量吸收等特性，来完成探测月球表面月壤的结构、物性和厚度(月壤与基岩之间的分界面的埋深)等工作。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是为了今后能更好地开展对月球月面和浅表构造调查，而提供一种可用于月壤结构探测的便携、功能强大而操作简单，采集速度快、分辨率高、图像显示直观，且对被测物无破坏、对人体无伤害的超声波物理探测仪。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是:提供一种超声波物理探测仪，至少包括机箱盒和电气部分，所述的机箱盒设有机箱盒提手和侧板、机箱盒顶板和后板、机箱盒底板与操作面板，在机箱盒底板上设有散热孔，安装有机箱盒底板座；所述的电气部分安装在机箱盒内，电气部分含有主控单元、电源模块、太阳能电池板阵列、太阳能聚焦集热器、加热器皿、温度探测器、超声发射装置和超声接收装置，所述的主控单元设有嵌入式的微控制器模块、显示模块、时钟模块、数据存储模块、数据通信模块、用户接口模块，微控制器模块与数据通信模块互联，微控制器模块与显示模块、时钟模块、数据存储模块和用户接口模块以及电源模块相连，太阳能电池板阵列为整个探测仪提供电能；所述温度探测器与嵌入式微控制器连接，用于检测该探测仪的工作温度，并将温度信息传送给所述嵌入式微控制器；所述太阳能电池板阵列分别与电源模块、太阳能聚焦集热器连接，所述太阳能聚焦集热器与加热器皿连接，该加热器皿接收来自嵌入式微控制器的控制信号进行探测仪环境温度的提升操作；所述的超声发射装置设有与微控制器模块顺序连接的隔离模块、驱动模块、升压模块和发射超声波换能器T ;所述的超声接收装置设有与微控制器模块顺序连接的A/D转换模块、信号调理模块、程控增益模块、带通滤波模块、前级增益模块、阻尼限幅模块和接收超声波换能器R。
[0005]本实用新型所述的微控制器模块采用ARM Cortex-M3内核的处理器STM32F103VET,作为整个系统的控制核心，时钟模块采用微控制器STM32F103VET片内RTC作为实时时钟控制模块，实现仪器系统的正常计时功能；显示模块采用TFT液晶显示屏，作为探测仪的显示界面；数据存储模块采用SD卡存储方式，实现对系统检测数据的自动存储；数据通信模块采用的是USB通信方式，实现系统检测数据与计算机终端软件之间的传输；电源模块采用电池与低压差线性稳压器，为整个系统提供所需电源电压。
[0006]本实用新型所述的超声发射装置中，微控制器发出的超声波信号送到隔离模块，隔离模块采用磁耦隔离元件，实现超声发射信号与微控制器之间的隔离；驱动模块采用ADP3625集成驱动芯片，实现对M0SFET管的驱动；升压模块采用M0SFET管组成的推挽变换电路与脉冲变压器，实现对脉冲信号的升压，采用激励发射超声波换能器T发射超声波。
[0007]本实用新型所述的超声接收装置中，接收超声波换能器R接收到的超声波信号送到阻尼限幅模块，阻尼限幅模块采用二极管与稳压管，实现对超声回波信号中可能存在的高压信号进行限幅，以保护后级回波接收电路；前级增益模块采用AD8250带可编程增益的仪表放大器，实现对回波信号的有效接收和前级增益控制；带通滤波模块采用高性能的运算放大器AD8099设计成的压控电压源二阶带通滤波器，实现对超声回波信号中干扰信号的滤除；程控增益模块采用多路复用器模拟开关ADG1604与运放AD8099相结合的方式，实现对超声回波信号的自动增益控制；信号调理模块采用0PA2335运放设计的信号差分变换电路，实现对超声回波信号在A/D转换前的电平变换；A/D转换模块采用系统微控制器STM32F103VET片内集成的12位A/D转换器，实现对超声回波信号的采样。
[0008]本实用新型的超声波物理探测仪具有如下优点:
[0009]1.本实用新型提供了一种主要是针对月球月表探测的超声波物理探测仪，也就是将超声无损探测方式应用于月球月表的探测研究，本实用新型通过对模拟月壤进行物理探测研究，可以验证超声无损探测技术可以应用于对月球的探测，尤其应用于对月球月壤的探测。
[0010]2.本实用新型的探测仪可使用实时时钟记录:跟踪记录实时探测日期、时间，可全面、客观地采集和存储数据，并将监测数据可自动存储于便携式的SD卡存储设备中，方便对采集到的数据进行实时处理或后处理，对信号进行时域、频域或图像分析，还可通过对探测过程进行动态回放；方便分析研究。
[0011]3.本实用新型的探测仪可与计算机进行数据通信，探测仪系统设计了具有人性化的操作和显示界面。同时通过在计算机上预先编制软件，也在很大程度上能够支持探测仪综合性能，有利于对月球岩石或月壤的力学特性的研究。
[0012]4.本实用新型的探测仪设计收发一体，便携、功能强大而操作简单，具有采集速度快、分辨率高、图像显示直观，结果一目了然，且对被测物无破坏、对人体无伤害等优点，适用于月球及其他星球的地质结构、岩石构造、灾害防治与环境保护等浅表构造调查、地质探测等，也适用于进行相关地面模拟月壤的探测试验，及可用于进行金属、桩基、路面等缺陷检测和质量控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型超声波物理探测仪整机外观结构示意图；
[0014]图2为本实用新型超声波物理探测仪操作面板外观结构示意图；
[0015]图3为本实用新型的超声波物理探测仪系统体系设计框图；
[0016]图4为本实用新型的探测仪电源模块中输出DC+12V电源电压的电路图；
[0017]图5为本实用新型的探测仪电源模块中输出DC+5V电源电压的电路图；
[0018]图6为本实用新型的探测仪电源模块中输出DC+3.3 V电源电压的电路图；
[0019]图7为本实用新型的探测仪电源模块中输出DC-5V电源电压的电路图；
[0020]图8为本实用新型的探测仪电源模块中输出DC+3V参考电压的电路图；
[0021]图9为本实用新型的探测仪超声发射装置电路图；
[0022]图10为本实用新型的探测仪超声接收装置电路图。
[0023]上述图中:1-机箱盒提手和侧板，2-机箱盒顶板和后板，3-机箱盒底板，4-散热孔，5-机箱盒底板座，6-液晶显示屏，7-发射超声波换能器T接口，8-接收超声波换能器R接口，9- SD卡插孔，10-向上导航键“▲”，11-向下导航键“▼”，12-向左导航键“”，13-向右导航键“”，14- “0K”确认键，15- “BACK”返回(或取消)键，16- “SEND”超声波发送键，17-电源“Power”开关，18-电池充电与外接电源接口，19-操作面板。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
[0025]本实用新型的实施例用于解释本实用新型，构成说明书的一部分，并不构成对本实用新型的限制。
[0026]在附图中:
[0027]实施例1:提供本实用新型的一种超声波物理探测仪，其外观结构如图1、2所示，至少包括机箱盒和电气部分，所述的机箱盒设有机箱盒提手和侧板1、机箱盒顶板和后板2、机箱盒底板3与操作面板19，在机箱盒底板3上设有散热孔4，安装有机箱盒底板座5。所述的电气部分安装在机箱盒内，电气部分含有主控单兀、电源模块、太阳能电池板阵列(未示出)、太阳能聚焦集热器、加热器皿、温度探测器、超声发射装置和超声接收装置，所述的主控单元设有嵌入式的微控制器模块、显示模块、时钟模块、数据存储模块、数据通信模块、用户接口模块，微控制器模块与数据通信模块互联，微控制器模块与显示模块、时钟模块、数据存储模块和用户接口模块以及电源模块相连，太阳能电池板阵列为整个探测仪提供电能；所述温度探测器与嵌入式微控制器连接，用于检测该探测仪的工作温度，并将温度信息传送给所述嵌入式微控制器；所述太阳能电池板阵列分别与电源模块、太阳能聚焦集热器连接；月球上温差变化比较大，为了保证探测仪器的正常运行，需要在环境温度较低的时候进行相应的加热操作，所述太阳能聚焦集热器与加热器皿连接，该加热器皿接收来自嵌入式微控制器的控制信号进行探测仪环境温度的提升操作；所述的超声发射装置设有与微控制器模块顺序连接的隔离模块、驱动模块、升压模块和发射超声波换能器T ;所述的超声接收装置设有与微控制器模块顺序连接的A/D转换模块、信号调理模块、程控增益模块、带通滤波模块、前级增益模块、阻尼限幅模块和接收超声波换能器R。
[0028]本实用新型的超声波物理探测仪的操作面板19，如图2所示，操作面板19上设有TFT液晶触摸显示器，TFT液晶触摸显示器采用3.2寸16:9液晶显示屏6，分辨率为240X400，支持26万彩色显示。面板上设有发射超声波换能器T接口 7和接收超声波换能器R接口 8 ;SD卡插孔9，还有四个上下左右的方向导航键和三个“0K、BACK、SEND”功能键，分别为向上导航键“赢”10、向下导航键‘1”11、向左导航键“”12、向右导航键“”13、“01(”确认键14、“BACK”返回(或取消)键15、“SEND”超声波发送键16，还设有电源“Power”开关17和电源接口 18。电源接口 18是接入外界电源的接口，同时也是对本探测仪的内部蓄电池进行充电的接口。在地面进行模拟测试过程中可通过该电源接口 18接入电压为220V、50Hz的市电，以及对探测仪内部蓄电池充电。
[0029]整个探测仪的控制可通过四个方向导航键和三个功能键实现，仪器使用者或操作员可通过这7个按键对仪器进行具体的操作，浏览不同界面及对仪器系统相关参数进行设置，如发射中心频率设置、接收频带设置、时间设置，存储设置，以及实施监控等操作。“SD卡插孔”用于插入SD卡存储设备，以便存取探测时的相关监测数据；两路超声换能器接口采用航空插头的形式与仪器进行连接。
[0030]本实用新型超声波物理探测仪通过采用高性能的电子元件、芯片、传感器等，设计制作集成电路PCB板，经过安装、校验以及定标，最后形成完整的探测仪。
[0031]本实用新型还通过对系统设计的各个模块和超声装置以及整个仪器系统进行测试，确保整个系统达到了预期要求和指标，本实用新型超声波物理探测仪具有仪器系统工作稳定、性能良好、并且便携等优点。
[0032]实施例2:将实施例1的超声波物理探测仪应用于对模拟月壤进行物理探测研究。在实际模拟测试过程中，选择一个半径为3.5cm,高为15.5cm的圆柱体石头岩样作为超声波检测样件，系统采用一对中心频率为50KHz的超声波换能器。
[0033]本实用新型探测仪的电源模块为整个探测仪提供电能，如图4一图8所示。图4中采用高性能电压转换芯片LT1086CM-12将太阳能电池板阵列采集到的电能转化为稳定的DC+12V电源电压，使用磁珠消除电源高频干扰。图5中采用高性能电压转换芯片LT1086CM-5将DC +12V电源电压转化为稳定的DC +5V电源电压。图6中采用低压差线性稳压器AMS1117-3.3将DC +5V电源电压转化为稳定的DC+3.3V电源电压。图7中采用高性能电压转换芯片LTC660将DC +5V电源电压转化为稳定的DC -5V电源电压，LED1为DC +5V电源电压指示灯。图8中采用精密参考电压芯片REF5030，为系统微控制器STM32F103VET提供DC+3V的参考电压。
[0034]本实用新型探测仪的超声发射装置，如图9所示，由微控制器STM32F103VET输出脉宽调制波，送到隔离模块，再经过驱动模块，驱动模块采用ADP3625集成驱动芯片实现对M0SFET管的驱动，然后由M0SFET管组成的推挽变换电路与脉冲变压器实现对脉冲信号的升压，激励发射超声波换能器Transl发射超声波。
[0035]本实用新型探测仪的超声接收装置，如图10所示，接收超声波换能器Trans2接收到超声波信号后送到阻尼限幅模块，实现对超声回波信号中可能存在的高压信号进行限幅，以保护后级回波接收电路，然后经过带可编程增益的仪表放大器AD8250构成的前级增益模块，实现对回波信号的有效接收和前级增益控制，再经过采用高性能的运算放大器AD8099设计成的压控电压源二阶带通滤波模块，实现对超声回波信号中干扰信号的滤除，采用多路复用器模拟开关ADG1604与运放AD8099相结合的程控增益模块，实现对超声回波信号的自动增益控制，最后经过0PA2335运放设计的信号差分变换电路组成的信号调理模块，实现对超声回波信号在A/D转换前的电平变换，信号经过系统微控制器STM32F103VET片内集成的12位A/D转换器转换后，实现对超声回波信号的采样、分析、记录等工作。
[0036]本实用新型的超声波物理探测仪主要应用于对月球及其他星球的地质结构、岩石构造、灾害防治与环境保护等浅表构造调查、地质探测等领域，在地球上也可用于钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域。
[0037]本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。
【权利要求】
1.一种超声波物理探测仪，至少包括机箱盒和电气部分，其特征在于:所述的机箱盒设有机箱盒提手和侧板、机箱盒顶板和后板、机箱盒底板与操作面板，在机箱盒底板上设有散热孔，安装有机箱盒底板座；所述的电气部分安装在机箱盒内，电气部分含有主控单元、电源模块、太阳能电池板阵列、太阳能聚焦集热器、加热器皿、温度探测器、超声发射装置和超声接收装置，所述的主控单元设有嵌入式的微控制器模块、显示模块、时钟模块、数据存储模块、数据通信模块、用户接口模块，微控制器模块与数据通信模块互联，微控制器模块与显示模块、时钟模块、数据存储模块和用户接口模块以及电源模块相连，太阳能电池板阵列为整个探测仪提供电能；所述温度探测器与嵌入式微控制器连接，用于检测该探测仪的工作温度，并将温度信息传送给所述嵌入式微控制器；所述太阳能电池板阵列分别与电源模块、太阳能聚焦集热器连接，所述太阳能聚焦集热器与加热器皿连接，该加热器皿接收来自嵌入式微控制器的控制信号进行探测仪环境温度的提升操作；所述的超声发射装置设有与微控制器模块顺序连接的隔离模块、驱动模块、升压模块和发射超声波换能器T ;所述的超声接收装置设有与微控制器模块顺序连接的A/D转换模块、信号调理模块、程控增益模块、带通滤波模块、前级增益模块、阻尼限幅模块和接收超声波换能器R。
2.根据权利要求1所述的一种超声波物理探测仪，其特征在于:所述的微控制器模块采用ARM Cortex-M3内核的处理器STM32F103VET，作为整个系统的控制核心，时钟模块采用微控制器STM32F103VET片内RTC作为实时时钟控制模块，实现仪器系统的正常计时功能；显示模块采用TFT液晶显示屏，作为探测仪的显示界面；数据存储模块采用SD卡存储方式，实现对系统检测数据的自动存储；数据通信模块采用的是USB通信方式，实现系统检测数据与计算机终端软件之间的传输；电源模块采用电池与低压差线性稳压器，为整个系统提供所需电源电压。
3.根据权利要求1所述的一种超声波物理探测仪，其特征在于:所述的超声发射装置中，微控制器发出的超声波信号送到隔离模块，隔离模块采用磁耦隔离元件，实现超声发射信号与微控制器之间的隔离；驱动模块采用ADP3625集成驱动芯片，实现对MOSFET管的驱动；升压模块采用MOSFET管组成的推挽变换电路与脉冲变压器，实现对脉冲信号的升压，采用激励发射超声波换能器T发射超声波。
4.根据权利要求1所述的一种超声波物理探测仪，其特征在于:所述的超声接收装置中，接收超声波换能器R接收到的超声波信号送到阻尼限幅模块，阻尼限幅模块采用二极管与稳压管，实现对超声回波信号中可能存在的高压信号进行限幅，以保护后级回波接收电路；前级增益模块采用AD8250带可编程增益的仪表放大器，实现对回波信号的有效接收和前级增益控制；带通滤波模块采用高性能的运算放大器AD8099设计成的压控电压源二阶带通滤波器，实现对超声回波信号中干扰信号的滤除；程控增益模块采用多路复用器模拟开关ADG1604与运放AD8099相结合的方式，实现对超声回波信号的自动增益控制；信号调理模块采用0PA2335运放设计的信号差分变换电路，实现对超声回波信号在A/D转换前的电平变换；A/D转换模块采用系统微控制器STM32F103VET片内集成的12位A/D转换器，实现对超声回波信号的采样。
【文档编号】G01D5/48GK204101061SQ201420667835
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】张伟民, 朱培民, 饶建华 申请人:中国地质大学（武汉）