CN103048006B - 一种通用的超声波发射装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波发射装置及方法，该装置包括信号产生模块、信号幅值放大模块、缓冲放大模块、图腾柱功率放大模块、均流模块、超声波换能器参数匹配模块、过压保护模块和处理器模块，不仅可实现对处理器模块输出的3.3V或者5V直流信号产生高压交流信号，激励超声波换能器产生超声波，同时还可以根据超声波换能器的谐振频率进行阻抗匹配。该装置可以输出连续波或脉冲波，且其脉冲数和周期数可以任意设定。同时该装置可以根据超声波换能器谐振频率很方便地进行电路阻抗匹配。整个装置体积小、重量轻，造价低，工作效率约为60％。

Description

一种通用的超声波发射装置及方法

技术领域

本发明涉及流量测量、测距、探伤等非接触式测量领域，特别涉及一种超声波发射装置及方法，利用处理器自带的标准3.3V或者5V直流信号产生高压交流信号，激励超声波发射换能器产生超声波信号。

背景技术

目前国内很多基于超声波技术开发而成的流量测量、无损检测装置在工作时常常因为外部的环境干扰，而使得测量误差偏大，特别是在有变频器、大功率电机等外部强噪声的情况下，往往无法正常工作。究其原因主要是因为超声波流量计的发射电路其发射信号的输出幅度太小，外部的环境噪声往往淹没了超声波信号，在这种情况下，就需要提高信噪比，在电路实现上就是要提高超声波发射装置的发射功率，这样才能保证最后接收到的信号幅度足够大。

国内外产生高压超声波激励信号的方法基本有两种：一种是可控硅构成的超声波发射装置，其发射频率很低，脉冲重复频率在30KHz以下；第二种是VMOS晶体管构成的超声波发射装置,由于VMOS栅极电容其谐振频率只能达到几百kHz。对于超声波换能器谐振频率在1MHz以上的，由VMOS构成的超声波发射装置就无法使用，如在申请号为101819184和201210017018.3的专利中以及吉林大学硕士论文《脉冲多普勒血液系统的研制》都采用了这种方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超声波发射装置，采用处理器自带的3.3V或者5V直流信号产生高压交流信号，利用图腾柱功率放大技术激励超声波发射换能器产生超声波，实现电声转换；该装置可以输出发射频率在1MHz以上、幅值可以调节的电信号，具有高的工作效率；和同类装置相比，该装置输出的声信号强度较大，这样超声波接收换能器接收到的信号强度就大，以利于后面的信号采集电路的设计；另外由于电路全部由三极管等最基本的电子元器件构成，不仅可以产生脉冲波，还可以产生连续波，结构简单，成本低。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种通用的超声波发射装置，包括信号产生模块1、信号幅值放大模块2、缓冲放大模块3、图腾柱功率放大模块4、均流模块5、超声波换能器参数匹配模块6、过压保护模块7和处理器模块8；

处理器模块8的信号输出端与信号产生模块1的信号输入端相连，信号产生模块1的信号输出端与信号幅值放大模块2的输入端相连，信号幅值放大模块2的输出端与缓冲放大模块3的输入端相连，缓冲放大模块3的输出端接图腾柱功率放大模块4的输入端，图腾柱功率放大模块4的输入端接均流模块5的输入端，均流模块5的输出端接超声波换能器参数匹配模块6的输入端，超声波换能器参数匹配模块6的输出端和过压保护模块7输入端相连，过压保护模块7的输出端接超声波发射探头9的信号输入端。

一种通用的超声波发射方法，步骤如下：

步骤一：处理器模块8输出自带的标准3.3V或者5V直流信号，经过信号幅值放大模块2中的运算放大器THS3091进行幅值放大，输出45V的信号；

步骤二：经过信号幅值放大模块2把信号幅值放大后送给缓冲放大模块3，缓冲放大模块3对信号功率进行预放大；

步骤三、经过功率放大后的信号通过均流模块5后，在超声波换能器参数匹配模块6中进行阻抗匹配；

步骤四、和不同发射频率的超声波换能器的匹配主要通过匹配电容C_P来完成的，匹配电容C_P的计算方法如下：

根据谐振频率公式：

可得出总电容值C：

$C=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^{2}L}---\left(1\right)$

再根据电容串联公式：

式中，L：电感值；

f：超声波换能器的谐振频率；

C：包含超声波换能器容值Cs和匹配电容的容值C_P在内的总电容值

C_P：匹配超声波换能器阻抗的电容值

Cs：超声波换能器的电容值

由（1）式和（2）式可计算得出匹配电容C_P；

步骤五、过压保护模块7对超声波换能器参数匹配模块6的输出电压信号实现过压保护，这样保证探头不被烧坏；

步骤六、过压保护模块7输出的电压信号施加给超声波发射探头9，超声波发射探头9进行电声转换。

所述的处理器模块8是单片机、DSP、ARM或各类含有CPU的控制器。

所述的超声波换能器参数匹配模块6可根据系统中串联谐振电路的物理参数匹配具有不同谐振频率的超声波换能器。

所述的超声波发射装置由于电路的频响特性好，延迟小，使得脉冲波的发射脉冲数和连续波输出的周期数可以任意设定。

所述的超声波发射装置能够匹配谐振频率在1MHz以上的超声波换能器。

所述的超声波发射装置的工作效率可以达到60％。

本发明的特点、优点为：

（1）本发明专利不仅可以输出连续波，同时可以输出脉冲波。

（2）本发明专利可以匹配不同谐振频率的超声波换能器，而现有的技术所设计的超声波发射装置只能匹配1MHz以下的超声波换能器。

（3）本发明专利所有器件都是利用最基本的三极管设计而成，因此成本较低。

附图说明

图1是本发明的基本原理示意图。

图2是本发明的信号幅值放大模块2示意图。

图3是本发明的缓冲放大模块3电路示意图。

图4是本发明的图腾柱功率放大模块4电路示意图。

图5是本发明的超声波换能器参数匹配模块6参数匹配电路。

图6是本发明的实施效果图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的工作原理作详细叙述。

参照图1，处理器模块8的信号输出端与信号产生模块1的信号输入端相连，处理器模块8控制信号产生模块1输出标准3.3V或者5V的直流信号，信号产生模块1的信号输出端与信号幅值放大模块2的输入端相连，信号幅值放大模块2的输出端与缓冲放大模块3的输入端相连，信号的幅值经信号幅值放大模块2放大后送给缓冲放大模块3，对信号的功率进行预放大；缓冲放大模块3的输出端接图腾柱功率放大模块4的输入端进行四级功率放大；图腾柱功率放大模块4的输入端接均流模块5的输入端；均流模块5的输出端接换能器参数匹配模块6的输入端，经过功率放大后的信号通过均流模块5后，在超声波换能器参数匹配模块6中进行阻抗匹配；超声波换能器参数匹配模块6的输出端和过压保护模块7输入端相连，过压保护模块7的输出45V的信号，该信号通过非接触式施加给超声波发射探头9，实现电信号到声信号的转换。

一种通用的超声波发射方法，步骤如下：

步骤一：处理器模块8输出自带的标准3.3V或者5V直流信号，经过信号幅值放大模块2中的运算放大器THS3091进行幅值放大，可输出45V的信号；

步骤二：经过信号幅值放大模块2把信号幅值放大后送给缓冲放大模块3，缓冲放大模块3对信号功率进行预放大；

步骤三、经过功率放大后的信号通过均流模块5后，在超声波换能器参数匹配模块6中进行阻抗匹配；

步骤四、和不同发射频率的超声波换能器的匹配主要通过匹配电容C_P来完成的，匹配电容C_P的计算方法如下：

根据谐振频率公式：

可得出总电容值C：

$C=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^{2}L}---\left(1\right)$

再根据电容串联公式：

式中，L：电感值；

f：超声波换能器的谐振频率；

C：包含超声波换能器容值Cs和匹配电容容值C_P在内的总电容值

C_P：匹配超声波换能器阻抗的电容值

Cs：超声波换能器的电容值

由（1）式和（2）式可计算得出匹配电容C_P；

步骤五、过压保护模块7对超声波换能器参数匹配模块6的输出电压信号实现过压保护，这样保证探头不被烧坏；

步骤六、过压保护模块7输出的电压信号施加给超声波发射探头9，超声波发射探头9进行电声转换。

参照图2，处理器8输出自带的标准3.3V或者5V直流信号，然后经电容过运算放大器THS3091的外围电路进行幅值放大，可输出45V的信号。在图2中，C6、C9为交流信号通路；R8和R9为当无信号输入时把运放反相端拉地，同时因为R9的阻值较大为100k，对交流信号的输入不会有影响；R1、R10为运放提供一个可比较的基准电压，当电源电压Vcc为±12V时，对应的同相端电压为+1.30V。

参照图3，该图为缓冲放大模块3电路示意图，R2、C7并联后再与三极管Q1、Q6组成推挽电路，其中电容C7的作用为加速电容，用于加速三极管快速导通和关闭。

参照图4，经缓冲放大模块3的Q1、Q6放大后的信号驱动四组图腾柱功率放大电路，并在四组图腾柱功率放大电路的输出端各串接一个均流电阻，以防止负载不平衡。

参照图5，为匹配不同发射频率的超声波换能器，匹配电容C_P的计算方法如下：

根据谐振频率公式：

可得出总电容值C：

$C=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^{2}L}---\left(1\right)$

再根据电容串联公式：

式中，L：电感值；

f：超声波换能器的谐振频率；

C：包含超声波换能器容值Cs和匹配电容容值C_P在内的总电容值

C_P：匹配超声波换能器阻抗的电容值

Cs：超声波换能器的电容值

由（1）式和（2）式可计算得出匹配电容C_P

参照图6-1，图中有两条曲线，黄色为超声波发射装置产生的正弦波信号，蓝色为超声波换能器接收的信号。实验时选用的超声波换能器为斜探头，其谐振频率为1MHz，超声波换能器的发射探头和接收探头正对且相距50米。当处理器模块8控制信号产生模块1产生3.3V的正弦波信号，经过超声波发射装置后产生了如图6-1所示的12V的激励电压信号（如图中的黄色波形）。该信号施加给超声波换能器的发射探头，然后从超声波换能器的接收探头来接收该信号，接收到的信号幅值约为2V（如图中的蓝色波形）。

参照图6-2，图中有两条曲线，黄色为超声波发射装置产生的正弦波信号，蓝色为超声波换能器接收到的信号。实验时选用的超声波换能器为斜探头，其谐振频率为640KHz，超声波换能器的发射和接收探头均安装在管道上。当处理器模块8控制信号产生模块1产生3.3V的正弦波信号，经过超声波发射装置后产生了如图6-2所示的20V的激励电压信号（如图中的黄色波形）。该信号施加给超声波换能器的发射探头，然后从超声波换能器的接收探头来接收该信号，接收到的信号幅值约为0.5V（如图中的蓝色波形）。

参照图6-3，图中有两条曲线，黄色为超声波发射装置产生的脉冲信号，蓝色为超声波换能器接收到的信号。实验时选用的超声波换能器为直探头，其谐振频率为1MHz，超声波换能器的发射探头和接收探头相距50米。当处理器模块8控制信号产生模块1产生3.3V的脉冲信号，经过超声波发射装置后产生了如图6-3所示的13.5V的激励电压信号（如图中的黄色波形）。该信号施加给超声波换能器的发射探头，然后从超声波换能器的接收探头来接收该信号，接收到的信号幅值约为5V（如图中的蓝色波形）。

Claims (1)

1.一种通用的超声波发射方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：处理器模块(8)输出自带的标准3.3V或者5V直流信号，经过信号幅值放大模块(2)中的运算放大器THS3091进行幅值放大，可输出45V的信号；信号幅值放大模块的构成为：与处理器模块(8)的一端输出连接的电容C6，信号经C6输出，一路经电阻R8后与运算放大器THS3091反相端相连，另一路经电阻R9与处理器模块(8)的另一端的输出以及电容C9、电阻R10、运算放大器的共地端相连，电容C9和电阻R10并联的与运算放大器THS3091的正相端相连，电容C9还与电阻R1相连至电源VCC，运算放大器的电源端与电源VCC相连，运算放大器的输出端与推挽电流放大模块(3)相连；

步骤二：经过信号幅值放大模块(2)把信号幅值放大后送给推挽电流放大模块(3)，推挽电流放大模块(3)对信号功率进行预放大；所述的推挽电流放大模块(3)的电路中R2、C7并联后再与三极管Q1、Q6组成推挽电路，其中电容C7的作用为加速电容，用于加速三极管快速导通和关闭；

步骤三、推挽电流放大模块(3)对信号功率进行预放大后，输出至推挽功率放大模块(4)对信号进行功率放大，再将经过功率放大后的信号通过均流模块(5)后，在超声波换能器参数匹配模块(6)中进行阻抗匹配；其中推挽功率放大模块(4)和均流模块(5)一起构成为：推挽电流放大模块(3)的输出与电阻R11，电容C10，电阻R12，电容C11，电阻R13，电容C12，电阻R14，电容C13相连，其中，电阻R11与电容C10并联，电阻R12与电容C11并联，电阻R13与电容C12并联，电阻R14与电容C13并联，电阻R11与运算放大器Q2，Q7相连，电阻R12与运算放大器Q3，Q8相连，电阻R13与运算放大器Q4，Q9相连，电阻R14与运算放大器Q5，Q10相连；电阻R4的一端接三极管Q2的发射极，另一端接Q3的集电极，电阻R5的一端接三极管Q3的发射极，另一端接Q4的集电极，电阻R6的一端接三极管Q4的发射极，另一端接Q5的集电极，电阻R7的一端接三极管Q5的发射极，另一端接探头参数匹配模块(6)；电阻R11的一端接Q2、Q7的基极，电阻R12的一端接Q3、Q8的基极，电阻R13的一端接Q4、Q9的基极，电阻R14的一端接Q5、Q10的基极；

步骤四、和不同发射频率的超声波换能器的匹配主要通过匹配电容C_P来完成的，匹配电容C_P的计算方法如下：

根据谐振频率公式：

可得出总电容值C：

$C=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^{2}L}---\left(1\right)$

再根据电容串联公式：

式中，L：电感值；

f：超声波换能器的谐振频率；

C：包含超声波换能器容值Cs和匹配电容的容值C_P在内的总电容值

C_P：匹配超声波换能器阻抗的电容值

Cs：超声波换能器的电容值

由(1)式和(2)式可计算得出匹配电容C_P；

步骤五、过压保护模块(7)对超声波换能器参数匹配模块(6)的输出电压信号实现过压保护，这样保证超声波发射探头(9)不被烧坏；

步骤六、过压保护模块(7)输出的电压信号施加给超声波发射探头(9)，超声波发射探头(9)进行电声转换。