CN203930059U - 一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置，包括超声波发射极与超声波接收极，超声波发射极包括发射端支撑基底、发射端保护膜层、第一超声波传感器、发射端电路板模块和声波信号发生端口，超声波接收级包括接收端支撑基底、接收端保护膜层、第二超声波传感器、接收端电路板模块和声波信号接收端口；所述的第一超声波传感器和第二超声波传感器的压电介质采用EMFi复合材料层；本实用新型极大地提高了测量的灵敏度，容易制作并且成本低。
Description
技术领域
本实用新型属于信号传输技术领域，涉及一种声音信号传输装置，特别是一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置，主要应用于军事，医疗，工业，农业、交通运输、超声加工，超声清洗，超声检测，监测，遥控、声音分析、声音识别、声探测等领域中的声音信号传输装置。
背景技术
高灵敏度以及较宽的带宽需求广泛存在于军事，医疗，工业等领域的超声检测，监测，遥控等方面；在军事领域为了准确的采集敌方信息，便对灵敏度提出了更高的要求。而较高的灵敏度又使得回波脉冲测量的范围更大。这种换能器提供的较宽的脉宽对于利用宽带调制方案编码超声波传感系统是一种显著的优势，并能减少串音干扰。
在先技术中，超声波传感器主要应用于机器人领域的传感系统开发，在这些传感系统中，对每个工作方式独立的传感器计算传感时间，从传感器到发射电子束反应器这段距离中可以获得较少的信息。在之后的研究中传感器与标准感应阵列有相通的浏览区域，有可能更准确的定位反应器。在上述技术中所体现的主要缺点是精确度低以及扫描速度慢，由于交叉干扰不会总是使得阵列中的所有传感器同时接收与发送。对于这一问题通常的解决办法是用二进制序列对超生波发射进行编码，例如巴克码，伪随机编码，或互补数列。伪随机序列和互补序列代表带有简易可检测主瓣的自动相关函数，并且可以省掉或忽略旁瓣，增加精确性和消除环境噪声。另外，交叉相关函数相当于自相关函数中的主瓣，因此，在阵列中可实现无干扰的同时接收与发送。
在使用超声波传感器时，有两个主要的限制，这与超声波信号编码有关：方向性与带宽减小。根据应用要求，方向性的问题应该慎重考虑：在传感器中，方向性通常被设计来扫描一个较大的区域，另一方面，自动交叉相关函数的形状很依赖于传感器所使用的带宽。因此，窄带传感器降低了相关函数的特征性。因此，宽带传感器为算法提出的超声波信号处理给出了更少的限制，并且允许其它附加的参数从环境与反射中抽取出来。这就是宽带真空超声波传感器变得更加重要的原因，因为这个事实它们有更大的频率范围（20-200kHz）以及高的灵敏性。
在先技术中，数种材料早就被用来研发超声波传感器以及根据带宽改善性能。其中一种是聚乙烯氟化物（PVDF），被广泛应用于超声波传感器的压电介质。以PVDF为基础的发射器与接收器已经被设计为户内定位系统，性能的改善得益于宽的带宽以及超声波传达的编码。另外一种选择是以蜂窝压电聚合物为基础的，这在19世纪末就成为了一个重要的研究课题。
发明内容
本实用新型的目的在于针对上述技术的不足，提供一种机电复合压电压电薄膜声音信号传输装置，具有过程步骤少工艺简单，制作装置简单成本低，测量灵敏度高，带宽更宽，不用管超声波发送端是如何编码以及传音干扰小等优点。
本实用新型的基本构思是：利用EMFI压电薄膜的压电效应，设计驱动电路使得压电薄膜发出超声波，即通过超声探头向目标物发射超声波信号，接受目标物不同位置的反射信号，分析和处理目标物反射信号的特性，获取超声成像信息。此方法制作成本低，工艺简单，并能准确提取目标物信息。
本实用新型一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置包括超声波发射极与超声波接收极, 超声波发射极包括发射端支撑基底、发射端保护膜层、第一超声波传感器、发射端电路板模块和声波信号发生端口，超声波接收级包括接收端支撑基底、接收端保护膜层、第二超声波传感器、接收端电路板模块和声波信号接收端口；
所述的第一超声波传感器和第二超声波传感器的压电介质采用EMFi复合材料层；
所述的发射端电路板模块电路包括第一功放PA98，第三三极管T2，二极管D2、第一分流电阻R2、第二分流电阻R6、第一三极管T3、第二三极管T4、偏置电阻R8、负载电阻R4、第三分流电阻RB1、第一滤波电容CL、第二滤波电容C2、第四分流电阻RB2、高压电源FO3TC和第五分流电阻R10；
输入驱动信号与第二滤波电容C2的一端连接，第二滤波电容C2的另一端与第一功放PA98的正向输入端、第五分流电阻R10的一端连接，第五分流电阻R10的一端与参考电源端连接，第一功放PA98的正向电源端与高压电源FO3TC的output端连接，高压电源FO3TC的电源端与电源Vcc、第四分流电阻RB2的一端连接，高压电源FO3TC的GND端接地，第四分流电阻RB2的另一端与第一三极管T3的发射极连接，第一三极管T3的基极与第二三极管T4的基极、第一三极管T3的集电极、第三分流电阻RB1的一端连接，第三分流电阻RB1的另一端接地，第二三极管T4的集电极与偏置电阻R8的一端连接，偏置电阻R8的另一端与负载电阻R4的一端连接，负载电阻R4的另一端与第二三极管T4的集电极、第一滤波电容CL的一端、第三三极管T2的集电极连接，第一滤波电容CL的另一端作为输出端V0，第三三极管T2的基极与第一功放PA98的输出端、二极管D2的阴极连接，第三三极管T2的发射极与二极管D2的阳极、第一分流电阻R2的一端、第二分流电阻R6的一端、第一功放PA98的反向输入端连接，第一分流电阻R2的另一端、第二分流电阻R6的另一端接地。
所述的接收端电路板模块电路包括第六分流电阻R1、第七分流电阻R2、第八分流电阻R3、第九分流电阻R4、第十分流电阻R5、第十一分流电阻R6、第十二分流电阻R8、第十三分流电阻R9、第十四分流电阻R10、第三滤波电容C1、第九滤波电容C3、第四滤波电容C4、第五滤波电容C5、第六滤波电容C7、第七滤波电容C8、第八滤波电容C9、第二功放AD8066和第三功放AD8066；
所述的第二功放AD8066的正向输入端与输入信号端、第六分流电阻R1的一端连接，反向输入端与第三滤波电容C1的一端、第四滤波电容C4的一端、第八分流电阻R3的一端连接，第四滤波电容C4的另一端与第七分流电阻R2的一端连接，第七分流电阻R2的另一端接地，第二功放AD8066的输出端与第三滤波电容C1的另一端、第八分流电阻R3的另一端、第十一分流电阻R6的一端连接，第十一分流电阻R6的另一端与第十四分流电阻R10的一端、第九滤波电容C3的一端连接，第十四分流电阻R10的另一端与第六滤波电容C7的一端、第三功放AD8066正向输入端连接，第六滤波电容C7的另一端接地，第三功放AD8066输出端与第九滤波电容C3的另一端、第十三分流电阻R9的一端连接并作为输出端，反向输入端与第十二分流电阻R8的一端、第十三分流电阻R9的另一端连接，第十二分流电阻R8的另一端与第八滤波电容C9的一端连接，第八滤波电容C9的另一端与第七滤波电容C8的一端连接并接地，第七滤波电容C8的另一端与第九分流电阻R4的一端连接，第九分流电阻R4的另一端与第十分流电阻R5的一端、第六分流电阻R1的另一端、第五滤波电容C5的一端连接，第十分流电阻R5的另一端接地，第五滤波电容C5另一端接地；
与现有技术相比，本实用新型的优点：
1）与先技术基于陶瓷的或极性聚合物压电材料相比铁电材料有很大优势。除了薄，轻以外，它的压电系数很高，它们很容易制作并且成本低。相对于其它传感器来说它们相对小的声音阻抗是一个优点。
2）先技术中由于频带较窄不能消除串音干扰，因而不能同时接受与发送，这样的效率很低。本实用新型使用二进制的编码方式增加准确性与减少环境干扰，实现同时发射与接收。
3）本实用新型中传感器与标准感应阵列相联合有相同的浏览区域。因此，有可能更准确地定位反应器，通过计算侧面（来自传感器轴线的反应器偏向角的位置）的分辨率，极大地提高了测量的灵敏度。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型发射端电路板模块电路图；
图3为本实用新型接收端电路板模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置包括超声波发射极与超声波接收极, 超声波发射极包括发射端支撑基底1、发射端保护膜层2、第一超声波传感器3、发射端电路板模块4和声波信号发生端口5，超声波接收级包括接收端支撑基底6、接收端保护膜层7、第二超声波传感器8、接收端电路板模块9和声波信号接收端口10；
所述的第一超声波传感器3和第二超声波传感器8的压电介质采用EMFi复合材料层；
如图2所示，所述的发射端电路板模块电路包括第一功放PA98，第三三极管T2，二极管D2、第一分流电阻R2、第二分流电阻R6、第一三极管T3、第二三极管T4、偏置电阻R8、负载电阻R4、第三分流电阻RB1、第一滤波电容CL、第二滤波电容C2、第四分流电阻RB2、高压电源FO3TC和第五分流电阻R10；
输入驱动信号与第二滤波电容C2的一端连接，第二滤波电容C2的另一端与第一功放PA98的正向输入端、第五分流电阻R10的一端连接，第五分流电阻R10的一端与参考电源端连接，第一功放PA98的正向电源端与高压电源FO3TC的output端连接，高压电源FO3TC的电源端与电源Vcc、第四分流电阻RB2的一端连接，高压电源FO3TC的GND端接地，第四分流电阻RB2的另一端与第一三极管T3的发射极连接，第一三极管T3的基极与第二三极管T4的基极、第一三极管T3的集电极、第三分流电阻RB1的一端连接，第三分流电阻RB1的另一端接地，第二三极管T4的集电极与偏置电阻R8的一端连接，偏置电阻R8的另一端与负载电阻R4的一端连接，负载电阻R4的另一端与第二三极管T4的集电极、第一滤波电容CL的一端、第三三极管T2的集电极连接，第一滤波电容CL的另一端作为输出端V0，第三三极管T2的基极与第一功放PA98的输出端、二极管D2的阴极连接，第三三极管T2的发射极与二极管D2的阳极、第一分流电阻R2的一端、第二分流电阻R6的一端、第一功放PA98的反向输入端连接，第一分流电阻R2的另一端、第二分流电阻R6的另一端接地。其中高压电源FO3TC产生的高压为功放，第一功放PA98供电。电阻RB1、三极管TB和偏置电阻RB2用来产生信号偏置有缘负载、滤波电容CL。开环的有缘负载放大没有稳定的偏置，电阻R4用来稳定T2的静态工作点。
如图3所示，所述的接收端电路板模块电路包括第六分流电阻R1、第七分流电阻R2、第八分流电阻R3、第九分流电阻R4、第十分流电阻R5、第十一分流电阻R6、第十二分流电阻R8、第十三分流电阻R9、第十四分流电阻R10、第三滤波电容C1、第九滤波电容C3、第四滤波电容C4、第五滤波电容C5、第六滤波电容C7、第七滤波电容C8、第八滤波电容C9、第二功放AD8066和第三功放AD8066；
所述的第二功放AD8066的正向输入端与输入信号端、第六分流电阻R1的一端连接，反向输入端与第三滤波电容C1的一端、第四滤波电容C4的一端、第八分流电阻R3的一端连接，第四滤波电容C4的另一端与第七分流电阻R2的一端连接，第七分流电阻R2的另一端接地，第二功放AD8066的输出端与第三滤波电容C1的另一端、第八分流电阻R3的另一端、第十一分流电阻R6的一端连接，第十一分流电阻R6的另一端与第十四分流电阻R10的一端、第九滤波电容C3的一端连接，第十四分流电阻R10的另一端与第六滤波电容C7的一端、第三功放AD8066正向输入端连接，第六滤波电容C7的另一端接地，第三功放AD8066输出端与第九滤波电容C3的另一端、第十三分流电阻R9的一端连接并作为输出端，反向输入端与第十二分流电阻R8的一端、第十三分流电阻R9的另一端连接，第十二分流电阻R8的另一端与第八滤波电容C9的一端连接，第八滤波电容C9的另一端与第七滤波电容C8的一端连接并接地，第七滤波电容C8的另一端与第九分流电阻R4的一端连接，第九分流电阻R4的另一端与第十分流电阻R5的一端、第六分流电阻R1的另一端、第五滤波电容C5的一端连接，第十分流电阻R5的另一端接地，第五滤波电容C5另一端接地；接收端有两部分放大电路组成，一个功放AD8066直接与压电薄膜连接，为前置放大电路，用来放大较小的超声波信号，经过一级放大的电信号与电阻R6相连经过一个R7与C2组成的高通滤波电路再经由AD8066放大输出。这个放大电路具有高速，高带宽的优点。压电薄膜接功率放大器AD8066的正极，5V电源经电阻R5接入电路，输出端Vo为滤波放大后的电信号。
本实用新型中使用的机电复合压电薄膜（EMFi）是一个薄的带有双向拉伸平孔隙的多孔聚丙烯薄膜，横向维度是10-100um，纵向维度是1-5um；它的内部结构共挤双向拉伸来实现，通过专有压力引起的受控膨胀。在制作过程的高电场的影响下这种异构泡沫薄膜获得永久的电荷，拥有与有气孔的上表面的极性相反的下表面。
在蒸发或粘合电极到电荷泡沫膜的外表面后就得到了这种传感器。考虑金属涂层或胶水是否过于死板是很重要的，从应用的观点来看，这个薄膜（电荷）的准压电响应将会较小，造成准压电共振峰的转变。
由于非常大的内部结构的各向异性，纵向压电常数是主导准压电系数。而且压电系数的值通常较大，在EMFi薄膜比常规聚合物PVDF中大了一个数量级，这主要是由于与其他的压电材料（如PVZF,PZT）相比有很低的杨氏模量。另外一个重要的特征是声音阻抗很低,提供了一个与空气相匹配的值。总的来说，铁电材料相比传统的基于陶瓷的或极性聚合物压电材料有一些优势。除了薄，轻以外，它的压电系数很高，可以获得几乎任何大小或形状。它们很容易操作并且成本低。对于其它传感器来说它们相对小的声音阻抗是一个优点。
当机电薄膜受到机械或声音能量的影响时可以作为接收器产生电荷。当外部力量是应用于薄膜变化的厚度，就可考虑基于EMFi的传感器工作在厚度模式。作为固定的准压电响应的结果，镜像电荷正比于由电极诱导产生的力。这个电荷可以用电荷放大器来测得，后使用具有高输出阻抗的电压放大器。把电能转化为振动或声音也有可能产生其它影响，这样便可作为制动器。这种双重操作展宽了多种应用的范围。这种压电薄膜被剪切、粘贴在印制电路板上，这个薄膜只有一面金属化，所以压电材料可以在厚度模式振荡。
本实用新型主要包括超声波发射极与接收级。在发射级，由于要驱动压电薄膜发出频率较高的超声波，因此有必要用高电压来驱动它实现高声压级；发射极主要由两部分构成，一部分是高压电源电路用来为放大电路提供能量，还有一部分是功率放大电路，用来放大小电压信号。另一方面，波形信号发生器（如一个FPGA设备，可编程门阵列）。放大器的输入振幅可以为5v,3.3v或低于1v。这样有三个开关使得放大器的增益可以在三个值之间转换，不使用转换器，这种解决办法为理想带宽提供了一个稳定响应，典型的是对于超声波传感器的其它驱动级。
本实用新型接收级是在仔细考虑了EMFi的特征、灵敏性、带宽后设计的，由EMFi传感器接收的信号时一定要放大的，因此这种信号通常是微伏级的，虽然他们不能提供足够宽的带宽来促进目的超声波发射（以20-200KHz）。这里所提出的接收模块可分为两部分：首先一个前置放大器模块，然后一个可变增益的放大模块。
在接收级应该认真考虑可能的噪声来源，因此输入信号幅度低，这就表明要使用低噪声放大器，并且要把传感器安置在离放大模块尽可能近的地方，带宽应该与发射级提供的带宽相近为20-200KHz。前置放大器模块包含两个主要模块，每个模块以两个可操作的放大器，由于传感器提供的低电压信号的一些特点，两个模块是通过级联相联系的，因此，四个可操作的放大器也是级联的，偏压加到输入信号上来放大，利用全部的输入级，这四个可操作放大器有一个共同的联系。考虑后面的放大级，它由带有可变增益的数字放大器和一个GAL设备构成，这一级的增益是可配置的，或是数字控制的或是人工的。考虑到两个放大级的带宽（前置放大和可变增益放大器），前置放大器对于一个宽范围的频率（20-200KHz）来说是稳定的，然而，在可变增益模块中，增益随频率（20-200KHz）增加而增加。
本实用新型的工作过程为：将FPGA波形发生器与从发射端相连，产生数字信号，发射端有一个发射端支撑基底，产生的数字信号经由发射端电路板模块上的驱动电路对信号限号进行DA转换，滤波放大以及功率放大然后驱动EMFi复合材料层产生一定频率的超声波，超声波经由声波信号发生端口发出超声波，在EMFi复合材料层上贴有一层保护膜层；将超声波信号发射到目标物体，接受目标物不同位置的反射信号，此反射超声波经过接收端接端口，在接收端EMFi复合材料层把声音信号转化为电信号，然后通过接收端电路板（PCB板）模块对电信号进行滤波，前置放大，可变增益放大，然后再将此信号传到PC进行信号处理与成像。本实施例成功实现的声音信息产生、传输和探测全过程，具有制作成本低，工艺简单，并能准确提取目标物信息等特点。
Claims (1)
1. 一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置，包括超声波发射极与超声波接收极, 超声波发射极包括发射端支撑基底、发射端保护膜层、第一超声波传感器、发射端电路板模块和声波信号发生端口，超声波接收级包括接收端支撑基底、接收端保护膜层、第二超声波传感器、接收端电路板模块和声波信号接收端口；
其特征在于：所述的第一超声波传感器和第二超声波传感器的压电介质采用EMFi复合材料层；
所述的发射端电路板模块电路包括第一功放PA98，第三三极管T2，二极管D2、第一分流电阻R2、第二分流电阻R6、第一三极管T3、第二三极管T4、偏置电阻R8、负载电阻R4、第三分流电阻RB1、第一滤波电容CL、第二滤波电容C2、第四分流电阻RB2、高压电源FO3TC和第五分流电阻R10；
输入驱动信号与第二滤波电容C2的一端连接，第二滤波电容C2的另一端与第一功放PA98的正向输入端、第五分流电阻R10的一端连接，第五分流电阻R10的一端与参考电源端连接，第一功放PA98的正向电源端与高压电源FO3TC的output端连接，高压电源FO3TC的电源端与电源Vcc、第四分流电阻RB2的一端连接，高压电源FO3TC的GND端接地，第四分流电阻RB2的另一端与第一三极管T3的发射极连接，第一三极管T3的基极与第二三极管T4的基极、第一三极管T3的集电极、第三分流电阻RB1的一端连接，第三分流电阻RB1的另一端接地，第二三极管T4的集电极与偏置电阻R8的一端连接，偏置电阻R8的另一端与负载电阻R4的一端连接，负载电阻R4的另一端与第二三极管T4的集电极、第一滤波电容CL的一端、第三三极管T2的集电极连接，第一滤波电容CL的另一端作为输出端V0，第三三极管T2的基极与第一功放PA98的输出端、二极管D2的阴极连接，第三三极管T2的发射极与二极管D2的阳极、第一分流电阻R2的一端、第二分流电阻R6的一端、第一功放PA98的反向输入端连接，第一分流电阻R2的另一端、第二分流电阻R6的另一端接地；
所述的接收端电路板模块电路包括第六分流电阻R1、第七分流电阻R2、第八分流电阻R3、第九分流电阻R4、第十分流电阻R5、第十一分流电阻R6、第十二分流电阻R8、第十三分流电阻R9、第十四分流电阻R10、第三滤波电容C1、第九滤波电容C3、第四滤波电容C4、第五滤波电容C5、第六滤波电容C7、第七滤波电容C8、第八滤波电容C9、第二功放AD8066和第三功放AD8066；
所述的第二功放AD8066的正向输入端与输入信号端、第六分流电阻R1的一端连接，反向输入端与第三滤波电容C1的一端、第四滤波电容C4的一端、第八分流电阻R3的一端连接，第四滤波电容C4的另一端与第七分流电阻R2的一端连接，第七分流电阻R2的另一端接地，第二功放AD8066的输出端与第三滤波电容C1的另一端、第八分流电阻R3的另一端、第十一分流电阻R6的一端连接，第十一分流电阻R6的另一端与第十四分流电阻R10的一端、第九滤波电容C3的一端连接，第十四分流电阻R10的另一端与第六滤波电容C7的一端、第三功放AD8066正向输入端连接，第六滤波电容C7的另一端接地，第三功放AD8066输出端与第九滤波电容C3的另一端、第十三分流电阻R9的一端连接并作为输出端，反向输入端与第十二分流电阻R8的一端、第十三分流电阻R9的另一端连接，第十二分流电阻R8的另一端与第八滤波电容C9的一端连接，第八滤波电容C9的另一端与第七滤波电容C8的一端连接并接地，第七滤波电容C8的另一端与第九分流电阻R4的一端连接，第九分流电阻R4的另一端与第十分流电阻R5的一端、第六分流电阻R1的另一端、第五滤波电容C5的一端连接，第十分流电阻R5的另一端接地，第五滤波电容C5另一端接地。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201420312612.XU CN203930059U (zh) | 2014-06-12 | 2014-06-12 | 一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201420312612.XU CN203930059U (zh) | 2014-06-12 | 2014-06-12 | 一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN203930059U true CN203930059U (zh) | 2014-11-05 |
Family
ID=51825856
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| CN201420312612.XU Expired - Lifetime CN203930059U (zh) | 2014-06-12 | 2014-06-12 | 一种基于机电复合压电薄膜的声音信号传输装置 |
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|---|---|
| CN (1) | CN203930059U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109332141A (zh) * | 2018-10-12 | 2019-02-15 | 华东理工大学 | 一种基于压电薄膜制作的点聚焦空气耦合超声换能器 |
-
2014
- 2014-06-12 CN CN201420312612.XU patent/CN203930059U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109332141A (zh) * | 2018-10-12 | 2019-02-15 | 华东理工大学 | 一种基于压电薄膜制作的点聚焦空气耦合超声换能器 |
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