CN103528669A - 超声波声强检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超声波声强检测电路。本发明由压电陶瓷传感器将负载振动转换成交流信号，经限幅二极管网络、精密全波整流电路、二阶低通滤波电路，将直流脉动信号中频率在20KHZ以上的信号滤除，经过后续采集和处理，得到一个电压值U。经过滤直电路，滤除信号中的直流分量。再经放大电路及迟滞比较器得到频率值F。根据声强值

和电压信号

、工作频率F的关系式可得

=K*

*

，从而可计算得到在该超声波驱动所得的声强值。本发明具有体积小便于携带与使用、可靠性高，抗干扰能力强等特点。

Description

超声波声强检测电路

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，涉及一种电路，具体涉及一种超声波声强检测电路。

背景技术

超声波换能器是实现高频交流电能转换为机械能的一种机械装置。随着现代工业技术的进步，超声波换能器已经在多个行业被广泛利用，声强（声功率）作为一个测量超声波换能器工作效果的最主要指标，在实际工业现场有着十分重要的意义。但是，由于超声波设备工作原理的特殊性，其输出的交流电能中存在较强的高频信号，这就对超声波声强检测电路提出了比较高的要求。

传统测量超声波声强的电路大多以模拟电路为主，具有制作和调试复杂，检测精度较低，整体设备体积比较大不适合随身携带的特点，难以满足现代工业环境下的检测要求。

发明内容

本发明的目的就是针对现有超声波声强检测电路的不足，提供一种超声波声强检测电路。

本发明采用以下技术方案：

本发明包括第一信号输入端Vin1、第二信号输入端Vin2、第一信号输出端Vout1、第二信号输出端Vout2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、基准电压芯片U4、第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B、第三运算放大器U2A、第四运算放大器U2B、第五运算放大器U5A和比较器U3A。

第一二极管D1的阴极与+5V连接；第一信号输入端Vin1与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第一电阻R1的一端和第四电阻R4的一端连接；第二二极管D2的阳极与-5V连接；第四电阻R4的另一端与第三电阻R3的一端、第三二极管D3的阴极和第一运算放大器的第二引脚连接；第一运算放大器U1A的第三引脚与地连接；第一运算放大器U1A的第四引脚与-5V连接；第一运算放大器U1A的第八引脚与+5V、第二电容C2的一端、第四电容C4的一端连接，第二电容C2的另一端、第四电容C4的另一端均与地连接；第一运算放大器U1A的第一引脚与第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极连接；第四二极管D4的阳极与第三电阻R3的另一端、第五电阻R5的一端连接；第五电阻R5的另一端与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端、第二运算放大器U1B的第六引脚连接；第二运算放大器U1B的第五引脚与地连接；第二运算放大器U1B的第七引脚与第二电阻R2的另一端、第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的另一端与第七电阻R7的一端、第一电容C1的一端连接；第七电阻R7的另一端与第三电容C3的一端、第三运算放大器U2A的第三引脚连接；第三电容C3的另一端接地；第三运算放大器U2A的第二引脚与第八电阻R8的一端、第三运算放大器U2A的第一引脚连接；第八电阻R8的另一端接地；第三运算放大器U2A的第一引脚与第一电容C1的另一端和第一信号输出端Vout1连接。

第二输入信号端Vin2与第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极和第六电容C6的一端连接；第五二极管D5的阴极与+5V连接；第六二极管D6的阳极与-5V连接；第六电容C6的另一端与第十三电阻R13的一端、第四运算放大器U2B的第五引脚连接；第十三电阻R13的另一端、第十四电阻R14的一端与参考电压信号Vr连接；第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器U2B的第六引脚、第十五电阻R15的一端连接；第四运算放大器U2B的第七引脚与第十五电阻R15的另一端、第十一电阻R11的一端连接；第十一电阻的另一端与比较器U3A的第二引脚、第十六电阻的一端连接；比较器U3A的第三引脚与参考电压信号Vr连接；比较器U3A的第八引脚与+5V、第五电容C5的一端连接；第五电容C5的另一端与地连接；比较器U3A的第四引脚与地连接；第十六电阻R16的另一端与比较器U3A的第一引脚、第十二电阻R12的一端连接；第十二电阻R12的另一端与第十电阻R10的一端、第七二极管D7的阴极、第二输出信号端Vout2连接；第十电阻R10的另一端与+5V连接；第七二极管D7的阳极与地连接；第九电阻R9的一端与+5V连接；第九电阻R9的另一端与基准电压芯片U4的一端、第五运算放大器U5A的第二引脚连接；基准电压芯片U4的另一端与地连接；第五运算放大器U5A的第三引脚与第五运算放大器U5A的第一引脚，第五运算放大器U5A的第一引脚输出参考电压信号Vr连接；第五运算放大器U5A的第四引脚与+5V连接；第五运算放大器U5A的第八引脚与地连接。

所述的基准电压芯片U4型号为LM385-1.2，所述的第一运算放大器U1A和第二运算放大器U1B集成于芯片U1，所述的第三运算放大器U2A和第四运算放大器U2B集成于芯片U2，所述的第五运算放大器U5A集成于芯片U5，所述的芯片U1、芯片U2和芯片U5的型号均为LF353，所述的比较器U3A集成于芯片U3，所述的芯片U3的型号为LM311。

本发明的有益效果：本发明能为单片机提供直接处理且稳定可靠的声强信号，经单片机进行程序运算后即可得到所测量声强的大小。由于本发明大部分器件为数字芯片，故由其所构成的声强测试系统，具有体积小便于携带与使用、可靠性高，抗干扰能力强等特点。本发明亦提供了超声波换能器所工作负载的频率信号，实现对超声波设备工作状态的有效监测。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本实施例包括第一信号输入端Vin1、第二信号输入端Vin2、第一信号输出端Vout1、第二信号输出端Vout2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、基准电压芯片U4、第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B、第三运算放大器U2A、第四运算放大器U2B、第五运算放大器U5A和比较器U3A。

第一二极管D1的阴极与+5V连接；第一信号输入端Vin1与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第一电阻R1的一端和第四电阻R4的一端连接；第二二极管D2的阳极与-5V连接；第四电阻R4的另一端与第三电阻R3的一端、第三二极管D3的阴极和第一运算放大器的第二引脚连接；第一运算放大器U1A的第三引脚与地连接；第一运算放大器U1A的第四引脚与-5V连接；第一运算放大器U1A的第八引脚与+5V、第二电容C2的一端、第四电容C4的一端连接，第二电容C2的另一端、第四电容C4的另一端均与地连接；第一运算放大器U1A的第一引脚与第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极连接；第四二极管D4的阳极与第三电阻R3的另一端、第五电阻R5的一端连接；第五电阻R5的另一端与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端、第二运算放大器U1B的第六引脚连接；第二运算放大器U1B的第五引脚与地连接；第二运算放大器U1B的第七引脚与第二电阻R2的另一端、第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的另一端与第七电阻R7的一端、第一电容C1的一端连接；第七电阻R7的另一端与第三电容C3的一端、第三运算放大器U2A的第三引脚连接；第三电容C3的另一端接地；第三运算放大器U2A的第二引脚与第八电阻R8的一端、第三运算放大器U2A的第一引脚连接；第八电阻R8的另一端接地；第三运算放大器U2A的第一引脚与第一电容C1的另一端和第一信号输出端Vout1连接。

第二输入信号端Vin2与第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极和第六电容C6的一端连接；第五二极管D5的阴极与+5V连接；第六二极管D6的阳极与-5V连接；第六电容C6的另一端与第十三电阻R13的一端、第四运算放大器U2B的第五引脚连接；第十三电阻R13的另一端、第十四电阻R14的一端与参考电压信号Vr连接；第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器U2B的第六引脚、第十五电阻R15的一端连接；第四运算放大器U2B的第七引脚与第十五电阻R15的另一端、第十一电阻R11的一端连接；第十一电阻的另一端与比较器U3A的第二引脚、第十六电阻的一端连接；比较器U3A的第三引脚与参考电压信号Vr连接；比较器U3A的第八引脚与+5V、第五电容C5的一端连接；第五电容C5的另一端与地连接；比较器U3A的第四引脚与地连接；第十六电阻R16的另一端与比较器U3A的第一引脚、第十二电阻R12的一端连接；第十二电阻R12的另一端与第十电阻R10的一端、第七二极管D7的阴极、第二输出信号端Vout2连接；第十电阻R10的另一端与+5V连接；第七二极管D7的阳极与地连接；第九电阻R9的一端与+5V连接；第九电阻R9的另一端与基准电压芯片U4的一端、第五运算放大器U5A的第二引脚连接；基准电压芯片U4的另一端与地连接；第五运算放大器U5A的第三引脚与第五运算放大器U5A的第一引脚，第五运算放大器U5A的第一引脚输出参考电压信号Vr连接；第五运算放大器U5A的第四引脚与+5V连接；第五运算放大器U5A的第八引脚与地连接。

所述的基准电压芯片U4型号为LM385-1.2，所述的第一运算放大器U1A和第二运算放大器U1B集成于芯片U1，所述的第三运算放大器U2A和第四运算放大器U2B集成于芯片U2，所述的第五运算放大器U5A集成于芯片U5，所述的芯片U1、芯片U2和芯片U5的型号均为LF353，所述的比较器U3A集成于芯片U3，所述的芯片U3的型号为LM311。

本发明中，由压电陶瓷传感器将负载振动转换成交流信号，经第一二极管D1、第二二极管D2所构成的限幅二极管网络，将输入电压维持在-5V至+5V之间。再经过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第三二极管D3、第四二极管D4、第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B、第二电容C2、第四电容C4所构成精密全波整流电路，将交流正弦波信号整流成直流脉动信号。最后经过第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一电容C1、第三电容C3、第三运算放大器U2A所构成二阶低通滤波电路，将直流脉动信号中频率在20KHZ以上的信号滤除，经过后续采集和处理，即可得到一个电压值U。

本发明中，第九电阻R9、基准电压芯片U4、第五运算放大器U5A构成基准信号电路，提供稳定的1.2V电压。由另一路压电陶瓷传感器将负载振动转换成交流信号，经过第六电容C6、第十三电阻R13所构成滤直电路，滤除信号中的直流分量。再经过第十四电阻R14、第十五电阻R15、第四运算放大器U2B所构成放大电路，将信号进行放大。最后经过第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十六电阻R16、第五电容C5、第七二极管D7、比较器U3A所构成迟滞比较器，将正弦信号转换为方波信号，经过后续采集和处理，即可得到一个频率值F。

根据声强值W和电压信号U、工作频率F的关系式可得W=K*F*U²，从而可计算得到在该超声波驱动所得的声强值，其中K为比例系数，需根据实际情况进行标定，U和F为根据本电路获得的电压值和频率值。

Claims (1)

1. 超声波声强检测电路，其特征在于：包括第一信号输入端Vin1、第二信号输入端Vin2、第一信号输出端Vout1、第二信号输出端Vout2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、基准电压芯片U4、第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B、第三运算放大器U2A、第四运算放大器U2B、第五运算放大器U5A和比较器U3A；

第一二极管D1的阴极与+5V连接；第一信号输入端Vin1与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第一电阻R1的一端和第四电阻R4的一端连接；第二二极管D2的阳极与-5V连接；第四电阻R4的另一端与第三电阻R3的一端、第三二极管D3的阴极和第一运算放大器的第二引脚连接；第一运算放大器U1A的第三引脚与地连接；第一运算放大器U1A的第四引脚与-5V连接；第一运算放大器U1A的第八引脚与+5V、第二电容C2的一端、第四电容C4的一端连接，第二电容C2的另一端、第四电容C4的另一端均与地连接；第一运算放大器U1A的第一引脚与第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极连接；第四二极管D4的阳极与第三电阻R3的另一端、第五电阻R5的一端连接；第五电阻R5的另一端与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端、第二运算放大器U1B的第六引脚连接；第二运算放大器U1B的第五引脚与地连接；第二运算放大器U1B的第七引脚与第二电阻R2的另一端、第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的另一端与第七电阻R7的一端、第一电容C1的一端连接；第七电阻R7的另一端与第三电容C3的一端、第三运算放大器U2A的第三引脚连接；第三电容C3的另一端接地；第三运算放大器U2A的第二引脚与第八电阻R8的一端、第三运算放大器U2A的第一引脚连接；第八电阻R8的另一端接地；第三运算放大器U2A的第一引脚与第一电容C1的另一端和第一信号输出端Vout1连接；

第二输入信号端Vin2与第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极和第六电容C6的一端连接；第五二极管D5的阴极与+5V连接；第六二极管D6的阳极与-5V连接；第六电容C6的另一端与第十三电阻R13的一端、第四运算放大器U2B的第五引脚连接；第十三电阻R13的另一端、第十四电阻R14的一端与参考电压信号Vr连接；第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器U2B的第六引脚、第十五电阻R15的一端连接；第四运算放大器U2B的第七引脚与第十五电阻R15的另一端、第十一电阻R11的一端连接；第十一电阻的另一端与比较器U3A的第二引脚、第十六电阻的一端连接；比较器U3A的第三引脚与参考电压信号Vr连接；比较器U3A的第八引脚与+5V、第五电容C5的一端连接；第五电容C5的另一端与地连接；比较器U3A的第四引脚与地连接；第十六电阻R16的另一端与比较器U3A的第一引脚、第十二电阻R12的一端连接；第十二电阻R12的另一端与第十电阻R10的一端、第七二极管D7的阴极、第二输出信号端Vout2连接；第十电阻R10的另一端与+5V连接；第七二极管D7的阳极与地连接；第九电阻R9的一端与+5V连接；第九电阻R9的另一端与基准电压芯片U4的一端、第五运算放大器U5A的第二引脚连接；基准电压芯片U4的另一端与地连接；第五运算放大器U5A的第三引脚与第五运算放大器U5A的第一引脚，第五运算放大器U5A的第一引脚输出参考电压信号Vr连接；第五运算放大器U5A的第四引脚与+5V连接；第五运算放大器U5A的第八引脚与地连接；

所述的基准电压芯片U4型号为LM385-1.2，所述的第一运算放大器U1A和第二运算放大器U1B集成于芯片U1，所述的第三运算放大器U2A和第四运算放大器U2B集成于芯片U2，所述的第五运算放大器U5A集成于芯片U5，所述的芯片U1、芯片U2和芯片U5的型号均为LF353，所述的比较器U3A集成于芯片U3，所述的芯片U3的型号为LM311。

Images