CN105080821B - 一种具有定量振幅反馈系统的超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波设备，旨在提供一种具有定量振幅反馈系统的超声波换能器。是在换能器上嵌入了振幅检测器；该振幅检测器包括通过导线依次连接的电压发生片、整流电路、加速度传感器、存储电路和无线发射电路；或是包括通过导线依次连接的无线收发电路、整流电路、加速度传感器和存储电路。本发明不用配备电池，能够自行实现发电和供电；用加速度传感器直接测量振幅，能够精确标定振幅；无线传输振幅和频率信号，避免了外部导线的使用，设备更方便使用；既能够给出振幅的绝对值，也能够给出振幅的相对值，有利于监控；配合换能器和驱动电源存储芯片的使用，可以存储匹配的原始参数。如电源给出的匹配参数不对可马上报警，便于控制工艺参数。

Description

一种具有定量振幅反馈系统的超声波换能器

技术领域

本发明涉及超声波设备，特别涉及具有定量振幅反馈系统的超声波换能器。

背景技术

现有的超声波发射系统中，最核心的部件就是驱动电源和换能器。其工作原理是：驱动电源发出高频高功率激励电流，驱动换能器振动发射出超声波。换能器或直接发射超声波，或推动变幅杆、发射头，最后由发射头发射出超声波。决定超声波发射强度的是发射头的振幅。振幅越大超声波越强。流过换能器的电流越大，或施加在换能器上的激励电压越高，换能器振动越强烈，振幅也就越大。

在绝大多数的情况下，这样的工作过程是单向的。也就是说，驱动电源决定了换能器振幅的大小。但到底振幅有多大是不清楚的，如要将振幅控制在一个预设的范围内也很难如愿。因为现有的换能器是一个被动的部件，它没有相应的振幅反馈机制，所有的信息都是间接的。也有通过在换能器上面粘贴压电陶瓷，在压电陶瓷的两极焊上引线接入到驱动电源。当换能器振动时压电陶瓷会输出电信号，这个压电陶瓷就相当于简易的振动传感器。但这样的传感器只能够定量地检测换能器的振动。而且因为是有线的，使用起来很不方便。

如果能够随时随地，直接定量测量到换能器的振幅。并且把振幅的信息反馈给驱动电源，让驱动电源及时作出调整，那么对于超声波设备的控制就是一个巨大的进步。在利用超声波设备生产产品的过程中，就能够大大提高最终产品的质量稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种具有定量振幅反馈系统的超声波换能器。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种具有定量振幅反馈系统的超声波换能器，是在换能器上嵌入了振幅检测器；该振幅检测器是下述形式中的任意一种：

(1)振幅检测器包括通过导线依次连接的电压发生片、整流电路、加速度传感器、存储电路和无线发射电路；或

(2)振幅检测器包括通过导线依次连接的无线收发电路、整流电路、加速度传感器和存储电路，所述的无线收发电路具有对外发送振幅信号和接收射频信号以实现供电的双向功能。

本发明中，所述振幅检测器设于换能器的前盖板、后盖板或后端螺帽内。

本发明中，所述电压发生片是压电陶瓷器件。

本发明中，所述振幅检测器具有一个外壳，振幅检测器的各部件均装设在外壳内。

本发明中，换能器上设有安装孔，所述振幅检测器置于安装孔内，并用环氧树脂灌封以实现与换能器合为一体。

本发明中，所述安装孔的形状为内部大开口小，内壁设有沟槽。

本发明还进一步提供了一种基于前述超声波换能器的具有定量振幅反馈系统的超声波发射系统，包括驱动电源；该超声波发射系统还包括与所述振幅检测器内部的无线发射电路或无线收发电路相匹配的无线接收电路，该无线接收电路通过导线接至驱动电源的控制芯片。

本发明中，所述驱动电源的控制芯片与存储芯片连接。

本发明中，该超声波发射系统还包括与所述振幅检测器内部无线收发电路相配合的非接触式射频发生器；该非接触式射频发生器通过导线接至驱动电源，并由驱动电源实现供电。

发明原理描述：

本发明的核心技术和创新之处是：在换能器内部植入一个振幅检测器。在驱动电源内部设置相匹配的无线接收电路的模块。在超声波系统工作时(即换能器振动时)，振幅检测器随时检测换能器的振幅，并实时以无线的方式发送出去。驱动电源根据检测到的振幅信号，实时对驱动电路的功率作出调整。这样就可以保证换能器的振幅始终处于受控状态，不至于超出事先设定的最佳振幅，并且能确保该振幅数值的稳定。

本发明中，振幅检测器由电压发生片、整流电路、加速度传感器、存储电路、无线发射电路构成。电压发生片是压电陶瓷器件，能够在振动时产生电荷。在这里它起一个电池的作用，而且这个电池不需要充电，也不会失效。只要换能器产生振动了就能够发电，换能器若停止振动就停止发电。整流电路把电压发生片产生的电流整流成加速度传感器能够使用的稳定的直流电。加速度传感器能够直接感应换能器的振动，并输出相应的电信号。存储电路能够存储换能器的原始参数、匹配要求、振幅信息，等等。无线发射电路把接收到的振幅信号发射给位于驱动电源内的无线接收电路。无线接收电路再将该信号传递给控制芯片，以实现后续的监控。

作为另一种备选方案，振幅检测器供电可以不用电压发生片，而是用射频感应的方式，在检测器内部产生电流。即驱动电源供电给射频发生器，产生射频信号。射频发生器安置在换能器的检测器附近，距离1mm～20mm的范围内。射频信号被无线收发电路接收，转换成需要的电流。换句话说，无线收发电路是工作在双工状态的。一方面，它是一个供电电源。当射频发生器输出射频信号时，它感应而接收射频信号，产生电流。另一方面，加速度传感器输出的振幅信号，也能够被无线收发电路，传送出去。

具有对外发送振幅信号和接收射频信号以实现供电的双向功能的无线收发电路是非常成熟的技术，广泛应用于门禁卡、考勤卡、饭卡、电子银行卡、高速公路不停车收费卡等非接触式通信设备，这些设备的内部都有双向功能的无线收发电路。即既有供电的功能，又有信息交换的功能。

振幅检测器里面的存储电路，能够与外部进行数据交换、存储换能器的编号、特征码、原始出厂数据，并向驱动电源传送匹配要求。而驱动电源的存储芯片，除了接收换能器的数据外，还需要存储换能器的匹配数据、振幅数据，以及内部的控制数据。后者也是非常成熟的，其技术内涵与门禁卡相类似。

驱动电源作为换能器(超声波振动系统)的控制单元，在接收到加速度传感器的信号后，通过简单的换算，就能够得到换能器的实时振幅。该振幅就是驱动电源的控制依据，能够达到我们精确控制的目的。另一方面，可以送入驱动电源的显示屏直接显示，便于操作者直观了解设备的运行情况。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明不用配备电池，能够自行实现发电和供电；

2、用加速度传感器直接测量振幅，能够精确标定振幅；

3、无线传输振幅和频率信号，避免了外部导线的使用，设备更方便使用；

4、既能够给出振幅的绝对值，也能够给出振幅的相对值，有利于监控；

5、配合换能器和驱动电源存储芯片的使用，可以存储匹配的原始参数。如果电源给出的匹配参数不对，就可以马上报警，便于控制工艺参数。

附图说明

图1是本发明中振幅检测器的一种电路方框图。

图2是本发明中振幅检测器的第二种电路方框图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明涉及换能器、电压发生片、整流电路、加速度传感器、存储电路、无线发射电路、压电陶瓷器件、驱动电源、无线接收电路、控制芯片、存储芯片等，这些设备或电路元器件均为现有技术，市场上有多种类型产品可供选择。本领域技术人员可以根据实际需要，以其掌握的技术自行完成组装，本发明对此不再赘述。

实施例一：

1、在电路板上焊接电压发生片、整流电路、加速度传感器、存储电路和无线发射电路，各元件以导线连接。测试无误确保安装稳固后封装入球形的外壳中，即得到振幅检测器。

2、选择型号为YP-6015-4Z的15K标准换能器，直径60mm。在其后盖板的外圆的中间设置安装孔，直径5mm，深6mm。为确保封装牢固，孔内壁车削了二道浅沟。将振幅检测器安装在小孔内，然后用环氧树脂灌封，以达到与换能器合为一体，振动无损传递。

3、在驱动电源内安装无线接收电路，通过操作界面进行调试，确保控制芯片能够稳定接收信号。

4、在操作界面中设定振幅范围后，启动超声波发射系统开始工作，检验振幅控制效果，证明可以完美地对换能器振幅实时监控，实现了发明目的。

实施例二：

1、在电路板上焊接无线收发电路、整流电路、加速度传感器、存储电路，测试无误确保安装稳固后封装入球形的外壳中，即得到振幅检测器。

2、选择型号为YP-5020-4Z的20K标准换能器，直径50mm。在其后盖板的外圆的中间设置安装孔，直径5mm，深6mm。为确保封装牢固，孔内壁车削了二道浅沟。将振幅检测器安装在小孔内，然后用环氧树脂灌封，以达到与换能器合为一体，振动无损传递。

3、整机装配后，在距离换能器安装振幅检测器的位置附近1mm～20mm的范围内，固定射频发生器，射频发生器由驱动电源负责供电和控制。

4、在驱动电源内安装无线接收电路，通过操作界面进行调试，确保控制芯片能够稳定接收信号。

5、在操作界面中设定振幅范围后，启动超声波发射系统开始工作，检验振幅控制效果，证明可以完美地对换能器振幅实时监控，实现了发明目的。

还需要注意的是，以上举例的仅是本发明的具体实例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有定量振幅反馈系统的超声波换能器，其特征在于，是在换能器上嵌入了振幅检测器；该振幅检测器是下述形式中的任意一种：

(1)振幅检测器包括通过导线依次连接的电压发生片、整流电路、加速度传感器、存储电路和无线发射电路；或

(2)振幅检测器包括通过导线依次连接的无线收发电路、整流电路、加速度传感器和存储电路，所述的无线收发电路具有对外发送振幅信号和接收射频信号以实现供电的双向功能；

所述振幅检测器具有一个外壳，振幅检测器的各部件均装设在外壳内。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述振幅检测器设于换能器的前盖板内，或者设于换能器的后盖板内，或者设于换能器的后端螺帽内。

3.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述电压发生片是压电陶瓷器件。

4.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，换能器上设有安装孔，所述振幅检测器置于安装孔内，并用环氧树脂灌封以实现与换能器合为一体。

5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于，所述安装孔的形状为内部大开口小，内壁设有沟槽。

6.基于权利要求1至5任意一项中所述超声波换能器的具有定量振幅反馈系统的超声波发射系统，包括驱动电源；其特征在于，该超声波发射系统还包括与所述振幅检测器内部的无线发射电路或无线收发电路相匹配的无线接收电路，该无线接收电路通过导线接至驱动电源的控制芯片。

7.根据权利要求6所述的超声波发射系统，其特征在于，所述驱动电源的控制芯片与存储芯片连接。

8.根据权利要求6所述的超声波发射系统，其特征在于，该超声波发射系统还包括与所述振幅检测器内部无线收发电路相配合的非接触式射频发生器；该非接触式射频发生器通过导线接至驱动电源，并由驱动电源实现供电。