CN110109088B - 一种泥浆中超声波激励方法与电路 - Google Patents

一种泥浆中超声波激励方法与电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种泥浆中超声波激励方法与电路,主要用于利用超声波在泥浆中测量距离的场合。该激励方法包括：S1、由泥浆特性建立超声波传输规律，确定超声波传输距离与声压的关系；S2、由激励超声波传输规律确定传感器中心频率和激励电路脉冲放电时间常数；S3、由超声回波信号优化激励电路匹配网络参数。该激励方法电路主要包括：触发电路、驱动电路、脉冲激励电路、限幅电路、跟随电路、放大电路和带通滤波电路。该发明能有效在泥浆中激发出超声波。

Description

一种泥浆中超声波激励方法与电路
技术领域：
本发明涉及一种泥浆中超声波激励方法与电路，属于超声测量应用技术领域，是一种高能、低频超声波激励方法及实现电路。
背景技术：
在对泥浆等非均匀液体中障碍物距离的测量时，由于泥浆内部存在大量的固体、气泡等以及其非均匀特性，致使传统超声波收发电路能量不足，几乎无法有效激励超声波信号。为了使超声波能有效在泥浆中激励和接收，需要产生低频、高能超声波。但在泥浆中产生高能超声信号一般难度较大，由于声能在泥浆中损失严重，传感器很难接收到回波信号。为此，国内外学者进行了超声波收发电路的广泛研究。(Kazuhiro Inuma，Yokohama，Japan et al.Ultrasound Transmitting or Receiving Apparatus.Array UltrasoundSystem and Circulation,2008,18:11-21)。
目前，超声波激发电路主要有脉冲电源激励电路、RLC并联谐振电路、以及压电晶片高压充电谐振电路。其中脉冲电源激励电路对电源有较大的负载能力的要求，导致电源工作时功率较高，容易损坏电源；RLC并联谐振超声波激发电路的直流高压直接加载在超声传感器上，但由于变压器的存在，导致超声波发射电路的体积较大；压电晶片高压充电谐振电路中传感器参数对其影响较大，并且电路产生的激发脉冲宽度较大，会影响电路的测量灵敏度。
发明内容：
本发明的目的是提供一种可用于泥浆等非均匀液体测量障碍物距离的传感器激励方法及电路，既能产生低频高能超声波，同时还能有效接收超声回波信号。传感器激励和信号接收方法可以作为激励和接收电路设计依据。可用于泥浆等非均匀液体中障碍物距离的测量。
本发明提出的一种泥浆中超声波激励方法与电路，激励方法主要包括：
S1、由泥浆特性建立超声波传输规律，确定超声波传输距离x与声压ξ的关系。
超声波在泥浆中传输的一般方程式：
Figure BDA0002039494590000021
可得确定传输距离与回波电压的关系：
Figure BDA0002039494590000022
其中，ξ0为初始声波幅值，aη为泥浆粘度，c与绝热压缩系数βs和初始密度ρ0有关，表示为：
Figure BDA0002039494590000023
ω为角频率，x为超声波传输距离。
要想在泥浆中激励超声波信号，需要提高传感器激励电压。
S2、由激励超声波传输规律确定传感器中心频率和激励电路脉冲放电时间常数。
用来激励超声波传感器的负高压尖脉冲，在电压幅值最大时，其时间常数τ和
传感器谐振频率的关系：
Figure BDA0002039494590000024
其中，f0是超声波谐振频率。
S3、由超声回波信号优化激励电路匹配网络参数。由放电过程中传感器两边的瞬时电压U，
Figure BDA0002039494590000025
其中，R0是传感器的并联电阻，R是和直流高压模块直接连的电阻，R1是场效应管导通时电阻，V是直流高压。求得U最大时的电阻R。
本发明提出的一种泥浆中超声波激励电路，激励电路主要包括：
1.触发电路，该电路采用555单片机作为控制单元，采用电阻电容多谐振荡的工作方式，产生电路的控制信号，经驱动器IR2113后控制MOS开关管，使其能够对超声波激励电路进行充放电的控制，产生激励传感器的高压尖脉冲。
2.驱动电路，该电路核心部件为IR2113芯片，提高来自555单片机的控制信号电压值，驱动MOSFET栅极，控制激励电路产生超声波。该电路的电源滤波电容都为0.1uF，二极管型号为1N4148。
3.脉冲激励电路，该电路采用对储能电容进行充电后放电产生负高压尖脉冲的工作方式，激励超声波探头产生超声波，该电路由集成直流高压模块500V、两个二极管型号为1N4148、储能电容值为2nF、MOSFET、电阻200kΩ以及和超声波探头并联的固定电阻组成。其中MOSFET的型号为NMOS。该电路由集成直流高压模块、两个二极管D1、D2型号为1N4148、储能电容C1值为2nF、MOSFET内阻为0.85Ω、电阻R1200kΩ以及和超声波探头并联的固定电阻组成，其中集成直流高压模块与R1相连，R1另一端与MOSFET相连，MOSFET另一端与地线相连；R1另一端同时与储能电容相连，储能电容C1另一端与D2正端相连，D2另一端与地线相连；C1另一端同时还与D1负端相连，D1正端与超声波探头相连，超声波探头另一端与地线相连；其中MOSFET的型号为NMOS。
4.限幅电路，该限幅电路采用两个反向并联的稳压二极管，其导通电压为0.7V，将输入信号限制在±0.7V之间，该电路由电容、电阻以及二极管组成，其中电阻采用功率电阻，和电容串联的电阻取100Ω，并联的电阻取20kΩ，电容采用NPO材质的耐高压电容，两个二极管型号为1N4148；该电路由电容、电阻以及二极管组成，其中电容C的一端与探头相连，另一端与电阻相连，电阻的另一端与两个反向并联的二极管相连，两个二极管的另一端与地线相连。
5.跟随电路核心部件为LM7171芯片，放大倍数设置为1。
6.放大电路，该电路核心部件为反馈型放大器，型号为LM7171，其单位增益带宽为200MHz，压摆率SR＝4100V/us，输入电阻为3.3MΩ，输出电阻为15Ω，共模抑制比CMRR＝105dB，输入电压噪声和电流噪声分别为
Figure BDA0002039494590000031
和
Figure BDA0002039494590000032
第一级采用正反馈，二、三级采用负反馈，并且第三级采用可调增益。第一级采用正反馈，二、三级采用负反馈，并且第三级采用可调增益，第一级放大电路的一端与回波信号相连，另一端与第二级放大电路相连，第二级放大电路另一端与第三级放大电路相连，且三个通道的电路是完全一样。
7.滤波电路，其特征是所述带通滤波电路是由电阻、电容组成的二阶有源带通滤波器，其中，电阻1的一端与电容C1、电容C2相连，电容C1的另一端与地AGND相连，电容C2另一端与电阻R3以及LM7171正端相连，电阻R3另一端与地AGND相连，LM7171负端与电阻R4、电阻R5相连，电阻R4另一端与地AGND相连，电阻R2一端与电阻R1相连，电阻R2另一端与电阻R5相连，连接着信号的输出，LM7171两端连接着电容C3、电容C4，电容C3一端与-12V相连，另一端与地AGND相连，电容C4一端与+12V相连，另一端与地AGND相连；该电路核心部件为反馈型放大器，型号为LM7171，电路的品质因数Q取4，为了减小运算放大器的输入失调电流和因增益过大导致电路自激振荡，设置集成运算放大器正负反馈端的等效电阻值相等，为了计算和调试方便，设置组成有源滤波电路的电阻和电容分别相等。
本发明专利的整体效果是：能有效地产生低频高能超声信号，可有效在泥浆中传输，并且能够有效地接收超声波回波信号，可以实现对泥浆中障碍物距离的测量。本发明中的激励电路，能有效地产生低频高能超声信号，尤其适合在泥浆中传输，并且能够有效地接收超声波回波信号，实现对泥浆中障碍物距离的测量。
附图说明：
本发明的特点结合下面附图和实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明电路组成示意图；
图2为本发明触发电路图；
图3为本发明驱动电路图；
图4为本发明脉冲激励电路图；
图5为本发明回波信号限幅电路图；
图6为本发明超声波回波信号电压跟随电路图；
图7为本发明超声波回波信号放大电路图；
图8为本发明超声波带通滤波电路图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
由于泥浆内部存在大量的固体、气泡等以及其非均匀特性，所以为了设计一套能够在泥浆中激发和接收超声波信号的电路，就要了解超声波在泥浆中的传输规律。通过声波的三个波动方程，即
Figure BDA0002039494590000041
dp＝c2dρ可以得到超声波的理想传输方程：
ξ(t，x)＝ξ0ej(ωt-kx)
根据流体介质，建立三维坐标得到：
Figure BDA0002039494590000051
其中，
Figure BDA0002039494590000052
各个轴向体积的变化量，
Figure BDA0002039494590000053
Figure BDA0002039494590000054
λ′：第二粘滞系数；μ″是：体积粘滞系数。
考虑到平面声波沿x方向传播产生压缩和伸张形变，即fxy＝fzx＝fzy＝0；ι＝ζ＝0。
推导出超声波在泥浆中(非理想)传输的一般方程式：
Figure BDA0002039494590000055
通过如下声学数学模型可得确定传输距离与回波电压的关系：
Figure BDA0002039494590000056
其中，ξ0为初始声波幅值，aη为泥浆粘度，c与绝热压缩系数βs和初始密度ρ0有关，
Figure BDA0002039494590000057
ω为角频率，x为传输距离。
从上面可以看到，超声波在泥浆中传输的振幅
Figure BDA0002039494590000058
随距离呈指数衰减，因此需要设计一套高压激励超声波传感器的电路和接收电路。
脉冲激励电路利用电容在瞬时放电过程中产生高压负尖脉冲的原理对超声波传感器进行激励，即电容瞬间放电电路，此类电路结构简单、电损耗小、对电源要求低。电容瞬间放电式激发电路需要有直流高压，直流高压的作用是在场效应管截止时给电容充电储能，以备场效应管导通时电容瞬间放电时产生高压脉冲。本发明中高压电源模块能输出高压稳定、且纹波小的电源信号。
激励超声传感器的高压负尖脉冲电压为：
Figure BDA0002039494590000059
其中，Vh为直流高压，τ为时间常数，τ＝R2·C1，对其进行傅里叶变换，得
Figure BDA0002039494590000061
可得其幅频函数为
Figure BDA0002039494590000062
可把幅频函数看成关于自变量为τ的函数对其求导，知其是无限增大的，τ取无限大会使激发脉冲宽度过大，会造成幅度值不高，因此考虑将中心频率对应的角频率取在信号最大幅值的一半所对应的角频率处。
这样可得到脉冲激励电路充电时间常数和传感器谐振频率的关系：
Figure BDA0002039494590000063
其中，f0是超声波谐振频率。
集成直流高压模块取500V、D1、D2型号为1N4148、C1为2nF、选择内阻为0.85Ω的MOSFET、R1为200kΩ以及R4取50Ω。
由于电路中C1两端的电压差不能突变,根据基尔霍夫电压定律公式，放电过程中传感器两边的瞬时电压为：
Figure BDA0002039494590000064
其中，取最小值为0.85Ω，V为直流高压模块值为500V。
改变R1的取值，计算出U，仿真发现电压幅值出现最大值，此时的R为最佳电阻值。将发射和接收超声波的电路置于隔离区，以泥浆为介质，改变滑动变阻器的值提高激励电压，通过观察示波器数据，发现超声波谐振频率最接近500KHz时，因为探头中心频率有点波动误差，此时匹配网络的电阻为最佳匹配电阻。
对于回波处理的带通滤波电路，由于有源滤波器集成运算放大器具有开环增益和高输入阻抗、低输出阻抗，更有利于信号的传输，对信号有电压放大和缓冲的作用，因此本发明波电路采用有源滤波电路。为了计算和调试方便，为了减小运算放大器的输入失调电流，本发明设置R1＝R2＝R3，C1＝C2，另外，本文取R3＝R4||R5，
Figure BDA0002039494590000065
其中
Figure BDA0002039494590000066
为压控增益，Q为品质因数，本发明Q取4，f0＝500kHz，C1＝C2＝0.39nf。
本发明激励和接收电路功能框图如图1所示，包括触发电路、驱动电路、脉冲激励电路以及限幅电路、跟随电路、放大电路和带通滤波电路。
触发电路如图2所示，该电路采用555单片机作为控制单元，采用电阻电容多谐振荡的工作方式，产生电路的控制信号，经驱动器IR2113后控制MOS开关管，使其能够对超声波激励电路进行充放电的控制，产生激励传感器的高压尖脉冲，其中C1取值0.1unF，555Out引脚与触发电路Out一端相连，触发电路Out另一端与驱动电路Vin端相连。
驱动电路如图3，该电路核心部件为IR2113芯片，提高来自555单片机的控制信号电压值，驱动MOSFET栅极，控制激励电路产生超声波。该电路的电源滤波电容C1＝C2＝C3都为0.1uF，二极管型号为1N4148。其中IR2113芯片HO引脚与out相连，out另一端与脉冲激励电路Vin端相连。
脉冲激励电路如图4，该电路采用对储能电容进行充电后放电产生负高压尖脉冲的工作方式，激励超声波探头产生超声波，该电路由集成直流高压模块500V、两个二极管型号为1N4148、储能电容值为2nF、MOSFET、电阻200kΩ以及和超声波探头并联的固定电阻组成，其中MOSFET的型号为NMOS，脉冲激励电路的超声波探头的一端与out相连，out另一端与相连回波限幅电路的电容相连。
回波限幅，该限幅电路如图5，采用两个反向并联的稳压二极管，其导通电压为0.7V，将输入信号限制在±0.7V之间，该电路由电容、电阻以及二极管组成，其中电阻采用功率电阻，和电容串联的电阻取100Ω，并联的电阻取20kΩ，电容采用NPO材质的耐高压电容，两个二极管型号为1N4148；跟随电路如图6，其核心部件为LM7171芯片，放大倍数设置为1。其中电容的一端与探头相连，另一端与电阻1、电阻2相连，电阻1的另一端与两个反向并联的二极管相连，两个二极管的另一端与地线相连，电阻2另一端与地线PGND相连，回波限幅输出端out与跟随电路Vin端相连，跟随电路out端与放大电路Vin端相连。
放大电路如图7，该电路核心部件为反馈型放大器，型号为LM7171，其单位增益带宽为200MHz，压摆率SR＝4100V/us，输入电阻为3.3MΩ，输出电阻为15Ω，共模抑制比CMRR＝105dB，输入电压噪声和电流噪声分别为
Figure BDA0002039494590000071
和
Figure BDA0002039494590000072
第一级采用正反馈，三级采用负反馈，并且第三级采用可调增益，三个通道的电路是完全一样的。其放大倍数公式：
Figure BDA0002039494590000081
其中，放大电路输出端out与带通滤波电路Vin端相连。
带通滤波电路如图8，其特征是所述带通滤波电路是由电阻、电容组成的二阶有源带通滤波器，抑制信号中的高、低频噪声，该电路核心部件为反馈型放大器，型号为LM7171，电路的品质因数Q取4，设置集成运算放大器正负反馈端的等效电阻值相等，设置组成有源滤波电路的电阻和电容分别相等。
综上，本发明的一种泥浆中超声波激励方法与电路,主要用于利用超声波在泥浆中测量距离的场合。该激励方法包括：S1、由泥浆特性建立超声波传输规律，确定超声波传输距离与声压的关系；S2、由激励超声波传输规律确定传感器中心频率和激励电路脉冲放电时间常数；S3、由超声回波信号优化激励电路匹配网络参数。该激励方法电路主要包括：触发电路、驱动电路、脉冲激励电路、限幅电路、跟随电路、放大电路和带通滤波电路。该发明能有效在泥浆中激发出超声波。

Claims (9)

1.一种泥浆中超声波激励方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、由泥浆特性建立超声波传输规律，确定超声波传输距离x与声压ξ的关系，
Figure RE-FDA0002092739980000011
其中，ξ0为初始声波幅值，aη为泥浆粘度，ω为角频率，c与绝热压缩系数βs和初始密度ρ0有关，表示为：
Figure RE-FDA0002092739980000012
x为超声波传距离；
S2、由激励超声波传输规律确定传感器中心频率和激励电路脉冲放电时间常数。用来激励超声波传感器的负高压尖脉冲，在电压幅值最大时，其时间常数τ和传感器谐振频率的关系：
Figure RE-FDA0002092739980000013
其中，f0是超声波谐振频率；
S3、由超声回波信号优化激励电路匹配网络参数，由放电过程中传感器两边的瞬时电压U，
Figure RE-FDA0002092739980000014
其中，R0是传感器的并联电阻，R是和直流高压模块直接连的电阻，R1是场效应管导通时电阻，V是直流高压， 求得U最大时的电阻R。
2.一种泥浆中超声波激励电路，其特征在于，该电路包括依次相连接的触发电路、驱动电路、脉冲激励电路、限幅电路、跟随电路、放大电路、滤波电路；
触发电路，用于为电路提供延时控制信号，控制激励电路的充放电时间；
驱动电路，用于提高触发电路驱动信号电压值；
脉冲激励电路，用于产生高压脉冲，激励超声波传感器产生超声波；
限幅电路，采用两个硅二极管并联限幅，用于限制激励高压对电路的冲击；
跟随电路，用于使超声传感器输出阻抗与接收电路阻抗匹配；
放大电路，用于增大回波信号幅值，采用三级可调增益放大的工作方式；
滤波电路，采用二阶压控电压源型带通滤波的工作方式。
3.根据权利要求2所述的一种泥浆中超声波激励电路，其特征在于，所述的触发电路，采用555单片机作为控制单元，采用电阻电容多谐振荡的工作方式，产生电路的控制信号，经驱动电路中的IR2113后控制MOSFET开关管，使其能够对超声波激励电路进行充放电的控制，产生激励传感器的高压尖脉冲。
4.根据权利要求2所述的一种泥浆中超声波激励电路，其特征在于，所述的驱动电路，提高来自555单片机的控制信号电压值，驱动MOSFET栅极，控制脉冲激励电路产生超声波。
5.根据权利要求2所述的一种泥浆中超声波激励电路，其特征在于，所述的脉冲激励电路，采用对储能电容进行充电后放电产生负高压尖脉冲的工作方式，激励超声波探头产生超声波，该电路由集成直流高压模块、两个二极管D1、D2型号为1N4148、储能电容C1值为2nF、MOSFET内阻为0.85Ω、电阻R1200kΩ以及和超声波探头并联的固定电阻组成，其中集成直流高压模块与R1相连，R1另一端与MOSFET相连，MOSFET另一端与地线相连；R1另一端同时与储能电容相连，储能电容C1另一端与二极管D2正端相连，D2另一端与地线相连；储能电容C1另一端同时还与二极管D1负端相连，D1正端与超声波探头相连，超声波探头另一端与地线相连；其中MOSFET的型号为NMOS。
6.根据权利要求2所述的一种泥浆中超声波激励电路，其特征在于，所述的限幅电路中，两个反向并联的稳压二极管，其导通电压为0.7V，将输入信号限制在±0.7V之间，该电路由电容、电阻以及二极管组成，其中电容C的一端与探头相连，另一端与电阻相连，电阻的另一端与两个反向并联的二极管相连，两个二极管的另一端与地线相连。
7.根据权利要求2所述的一种泥浆中超声波激励电路，其特征在于，跟随电路核心部件为LM7171芯片，放大倍数设置为1。
8.根据权利要求2所述的一种泥浆中超声波激励电路，其特征在于，所述的放大电路，核心部件为反馈型放大器，型号为LM7171，第一级采用正反馈，二、三级采用负反馈，并且第三级采用可调增益，第一级放大电路的一端与回波信号相连，第一级放大电路另一端与第二级放大电路相连，第二级放大电路另一端与第三级放大电路相连，且三个通道的电路是完全一样。
9.根据权利要求2所述的一种泥浆中超声波激励电路，其特征在于，所述的滤波电路，带通滤波电路是由电阻、电容组成的二阶有源带通滤波器，抑制信号中的高、低频噪声，该电路核心部件为反馈型放大器；
该电路中，电阻R 1的一端与电容C1、电容C2相连，电容C1的另一端与地AGND相连，电容C2另一端与电阻R3以及LM7171正端相连，电阻R3另一端与地AGND相连，LM7171负端与电阻R4、电阻R5相连，电阻R4另一端与地AGND相连，电阻R2一端与电阻R1相连，电阻R2另一端与电阻R5相连，连接着信号的输出，LM7171两端连接着电容C3、电容C4，电容C3一端与-12V相连，另一端与地AGND相连，电容C4一端与+12V相连，另一端与地AGND相连；该电路核心部件为反馈型放大器，型号为LM7171，电路的品质因数Q取4。
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