CN207070311U - 一种增大超声波回波幅度的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种增大超声波回波幅度的电路，包括：振荡幅度增大模块及放电模块；振荡幅度增大模块包括：第一NMOS的源端接地、栅端连接一方波信号、漏端经过第一电阻器后连接高压；第二电阻器的一端连接第一NMOS的漏端、另一端连接超声波换能器的第一端口，超声波换能器的第二端口连接高压；耦合单元的一端连接超声波换能器的第一端口、另一端连接钳位保护单元，耦合单元与钳位保护单元的连接结点作为回波输出端口。本实用新型通过增大换能器的两端振荡电压来增大换能器的振荡幅度，进而增大回波幅度；同时减小余震；可有效提高测量数据的准确性和稳定性，同时实现短距离测量。

Description

一种增大超声波回波幅度的电路

技术领域

本实用新型涉及测量领域，特别是涉及一种增大超声波回波幅度的电路。

背景技术

在工业生产过程中，常常需要测量各种固体或液体物料的高度和体积等参数，但是由于测量是瞬时的动态信号，数据的精确性、稳定性、可靠性要受到诸多环境因素的影响。

液位测量主要是基于相界面两侧物质的物性差异或液位改变时引起有关物理参数的变化的原理而实现的。

用超声波测量液位和浓度的原理如下：

浓度测量：超声波换能器1水平放置于尿素液2内，通过一固定距离D的反射面，测量超声波在这段距离内传输的时差t，然后计算出超声波的传输速度V。由于不同浓度下超声波传输的速度不同，通过标定可以推算对应的浓度。V＝2D/t，其中，V为超声波的传播速度；D为固定距离；t为测量距离传播的时间差，即从发射、返回到接收的时间。

液位测量：超声波换能器1(探头)垂直放置于尿素箱底部，通过向上发送超声波至液面反射回，测量超声波的返回与发射的时间差，从而推算出液位高度。H＝Vt/2，其中，H为测量的液位高度；V为超声波的传播速度；t为测量距离传播的时间差，即从发射、返回到接收的时间。

超声波换能器是一种压电陶瓷，压电陶瓷是一种功能性陶瓷，所谓功能性陶瓷就是对光，电，等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这就是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电压转化为高频率的振动，从而产生了超声波。超声波换能器的两端震荡电压越高，产生的震荡幅值越大，回波幅值也会越大，由于单片机直接输出的驱动电压只有5V，因此回波幅值不大，很容易因环境因素的影响产生误检测。

因此，如何提高工业生产中测量数据的准确性和稳定性已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种增大超声波回波幅度的电路，用于解决现有技术中工业测量数据准确性和稳定性差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种增大超声波回波幅度的电路，所述增大超声波回波幅度的电路至少包括：

振荡幅度增大模块及与所述振荡幅度增大模块连接的放电模块；

其中，所述振荡幅度增大模块包括：第一NMOS管、第一电阻器、第二电阻器、超声波换能器、耦合单元及钳位保护单元；

所述第一NMOS的源端接地、栅端连接一方波信号、漏端经过所述第一电阻器后连接高压；

所述第二电阻器的一端连接所述第一NMOS的漏端、另一端连接所述超声波换能器的第一端口，所述超声波换能器的第二端口连接所述高压；

所述耦合单元的一端连接所述超声波换能器的第一端口、另一端连接所述钳位保护单元，所述耦合单元与所述钳位保护单元的连接结点作为回波输出端口。

优选地，所述耦合单元包括第一电容及第三电阻器；所述第一电容的上极板连接所述超声波换能器的第一端口、下极板连接所述第三电阻器的一端，所述第三电阻器的另一端连接所述钳位保护单元。

优选地，所述钳位保护单元包括第一二极管及第二二极管；所述第一二极管的阴极连接所述耦合单元、阳极接地；所述第二二极管的阴极连接电源电压、阳极连接所述耦合单元。

优选地，所述放电模块包括：PMOS管及第三二极管；所述PMOS管的源端连接所述超声波换能器的第一端口、栅端连接一放电驱动信号、漏端连接所述第三二极管的阳极，所述第三二极管的阴极连接所述振荡幅度增大模块。

优选地，所述增大超声波回波幅度的电路还包括一放电驱动模块，所述放电驱动模块包括第二NMOS管、第四电阻器及第五电阻器；所述第二NMOS管的源端接地、栅端连接一控制信号、漏端经过串联的第四电阻器及第五电阻器后连接所述高压，所述第四电阻器及所述第五电阻器的连接结点输出放电驱动信号。

如上所述，本实用新型的增大超声波回波幅度的电路，具有以下有益效果：

本实用新型的增大超声波回波幅度的电路通过增大换能器的两端振荡电压来增大换能器的振荡幅度，进而增大回波幅度；同时减小余震；可有效提高测量数据的准确性和稳定性，同时实现短距离测量。

附图说明

图1显示为现有技术中的超声波换能器进行浓度测量的原理示意图。

图2显示为现有技术中的超声波换能器进行液位测量的原理示意图。

图3显示为本实用新型的增大超声波回波幅度的电路的结构示意图。

元件标号说明

1 超声波换能器

2 尿素液

3 增大超声波回波幅度的电路

31 振荡幅度增大模块

311 超声波换能器

312 耦合单元

313 钳位保护单元

32 放电模块

33 放电驱动模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3所示，本实用新型提供一种增大超声波回波幅度的电路3，所述增大超声波回波幅度的电路3至少包括：

振荡幅度增大模块31、放电模块32以及放电驱动模块33。

如图3所示，所述振荡幅度增大模块31包括：第一NMOS管NM1、第一电阻器R1、第二电阻器R2、超声波换能器311、耦合单元312、钳位保护单元313、第六电阻器R6及第七电阻器R7，用于增大超声波回波幅度。

具体地，如图3所示，所述第一NMOS管NM1的源端接地；所述第一NMOS管NM1的栅端经过所述第六电阻器R6连接一方波信号TDC_TX1，所述第七电阻器R7连接于所述第一NMOS管NM1的源端和栅端之间；所述第一NMOS管NM1的漏端经过所述第一电阻器R1后连接高压。在本实施例中，所述方波信号TDC_TX1来自于单片机，其高电平为5V。所述高压决定所述超声波换能器311两端的振荡电压的大小，可根据实际需要设定所述高压的大小，在本实施例中，所述高压设定为36V，在实际应用中，所述高压可设定为100V～200V，不以本实施例为限。所述第一NMOS管NM1接收所述方波信号TDC_TX1，将所述方波信号TDC_TX1的幅值增大。

具体地，如图3所示，所述第二电阻器R2的一端连接所述第一NMOS管NM1的漏端、另一端连接所述超声波换能器311的第一端口，所述超声波换能器311的第二端口连接所述高压。所述超声波换能器311用于产生超声波并接收回波。

具体地，如图3所示，所述耦合单元312的一端连接所述超声波换能器311的第一端口、另一端连接所述钳位保护单元313，所述耦合单元312与所述钳位保护单元313的连接结点作为回波输出端口，输出回波信号TDC_RX1。

更具体地，如图3所示，所述耦合单元312包括第一电容C1及第三电阻器R3，所述第一电容C1的上极板连接所述超声波换能器311的第一端口、下极板连接所述第三电阻器R3的一端，所述第三电阻器R3的另一端连接所述钳位保护单元313。所述钳位保护单元313包括第一二极管D1及第二二极管D2；所述第一二极管D1的阴极连接所述耦合单元312、阳极接地；所述第二二极管D2的阴极连接电源电压VCC、阳极连接所述耦合单元312。任意可实现耦合及钳位保护的电路均适用于本实用新型的耦合单元312及钳位保护单元313，不以本实施例所列举的具体电路结构为限。

如图3所示，所述放电模块32连接于所述超声波换能器311的第二端口及所述第一NMOS管NM1的漏端之间，包括PMOS管PM1及第三二极管D3，用于将所述超声波换能器311的第一端口及第二端口短路，进而使所述超声波换能器311充分放电，减小余震。

具体地，如图3所示，所述PMOS管PM1的源端连接所述超声波换能器311的第一端口、栅端连接一放电驱动信号、漏端连接所述第三二极管D3的阳极，所述第三二极管D3的阴极连接所述振荡幅度增大模块31。

如图3所示，所述放电驱动模块33连接于所述PMOS管PM1的栅端，包括第二NMOS管NM2、第四电阻器R4、第五电阻器R5、第八电阻器R8及第九电阻器R9，用于产生所述放电驱动信号。

具体地，如图3所示，所述第二NMOS管NM2的源端接地；所述第二NMOS管NM2的栅端经过所述第八电阻器R8连接一控制信号IO1，所述第九电阻器R9连接于所述第二NMOS管NM2的源端和栅端之间；所述第二NMOS管NM2的漏端经过串联的第四电阻器R4及第五电阻器R5后连接所述高压，所述第四电阻器R4及所述第五电阻器R5的连接结点输出所述放电驱动信号。

如图3所示，所述增大超声波回波幅度的电路3还包括第二电容C2，所述第二电容C2的上极板连接所述高压、下极板接地，用于稳定所述高压，进而提高所述超声波换能器311的稳定性。

所述增大超声波回波幅度的电路3的工作原理如下：

单片机输出所述方波信号TDC_TX1，所述方波信号TDC_TX1与所述超声波换能器311的频率一致。当所述方波信号TDC_TX1为高电平时，所述第一NMOS管NM1导通，所述超声波换能器311的第一端口的电压被拉低，所述超声波换能器311的两个端口之间的压差变大；当所述方波信号TDC_TX1为低电平时，所述第一NMOS管NM1截止，所述超声波换能器311的第一端口的电压被抬高，所述超声波换能器311的两个端口之间的压差变小；所述超声波换能器311两端的振荡电压远远大于所述单片机输出的方波信号TDC_TX1，可根据需要设定所述高压，得到相应的振荡电压，不限于本实施例。

所述超声波换能器311在振荡电压的作用下向外发射超声波，当所述超声波换能器311发射超声波后，所述控制信号IO1为高电平，所述第二NMOS管NM2导通，所述放电驱动信号被拉低，所述PMOS管PM1导通，所述超声波换能器311的第一端口及第二端口经由所述PMOS管PM1、所述第三二极管D3及所述第二电阻器R2短路，所述超声波换能器311充分放电，减小所述超声波换能器311在振荡过程中产生的余震，实现短距离测量。

所述超声波在抵达相界面后返回，在回波作用于所述超声波换能器311前，所述控制信号IO1跳变为低电平，所述第二NMOS管NM2截止，所述放电驱动信号被抬高，所述PMOS管PM1截止，所述振荡幅度增大模块31准备接受回波。

所述超声波换能器311接受到所述回波，并转换为电信号，该电信号通过所述耦合单元312耦合到输出端口，输出回波信号TDC_RX1供后续电路处理。

本实用新型的增大超声波回波幅度的电路通过增大换能器的两端振荡电压来增大换能器的振荡幅度，进而增大回波幅度；同时减小余震；可有效提高测量数据的准确性和稳定性，同时实现短距离测量。

综上所述，本实用新型提供一种增大超声波回波幅度的电路，包括：振荡幅度增大模块及与所述振荡幅度增大模块连接的放电模块；其中，所述振荡幅度增大模块包括：第一NMOS管、第一电阻器、第二电阻器、超声波换能器、耦合单元及钳位保护单元；所述第一NMOS的源端接地、栅端连接一方波信号、漏端经过所述第一电阻器后连接高压；所述第二电阻器的一端连接所述第一NMOS的漏端、另一端连接所述超声波换能器的第一端口，所述超声波换能器的第二端口连接所述高压；所述耦合单元的一端连接所述超声波换能器的第一端口、另一端连接所述钳位保护单元，所述耦合单元与所述钳位保护单元的连接结点作为回波输出端口。本实用新型的增大超声波回波幅度的电路通过增大换能器的两端振荡电压来增大换能器的振荡幅度，进而增大回波幅度；同时减小余震；可有效提高测量数据的准确性和稳定性，同时实现短距离测量。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种增大超声波回波幅度的电路，其特征在于，所述增大超声波回波幅度的电路至少包括：

振荡幅度增大模块及与所述振荡幅度增大模块连接的放电模块；

其中，所述振荡幅度增大模块包括：第一NMOS管、第一电阻器、第二电阻器、超声波换能器、耦合单元及钳位保护单元；

所述第一NMOS管的源端接地、栅端连接一方波信号、漏端经过所述第一电阻器后连接高压；

所述第二电阻器的一端连接所述第一NMOS管的漏端、另一端连接所述超声波换能器的第一端口，所述超声波换能器的第二端口连接所述高压；

所述耦合单元的一端连接所述超声波换能器的第一端口、另一端连接所述钳位保护单元，所述耦合单元与所述钳位保护单元的连接结点作为回波输出端口。

2.根据权利要求1所述的增大超声波回波幅度的电路，其特征在于：所述耦合单元包括第一电容及第三电阻器；所述第一电容的上极板连接所述超声波换能器的第一端口、下极板连接所述第三电阻器的一端，所述第三电阻器的另一端连接所述钳位保护单元。

3.根据权利要求1所述的增大超声波回波幅度的电路，其特征在于：所述钳位保护单元包括第一二极管及第二二极管；所述第一二极管的阴极连接所述耦合单元、阳极接地；所述第二二极管的阴极连接电源电压、阳极连接所述耦合单元。

4.根据权利要求1所述的增大超声波回波幅度的电路，其特征在于：所述放电模块包括：PMOS管及第三二极管；所述PMOS管的源端连接所述超声波换能器的第一端口、栅端连接一放电驱动信号、漏端连接所述第三二极管的阳极，所述第三二极管的阴极连接所述振荡幅度增大模块。

5.根据权利要求1所述的增大超声波回波幅度的电路，其特征在于：所述增大超声波回波幅度的电路还包括一放电驱动模块，所述放电驱动模块包括第二NMOS管、第四电阻器及第五电阻器；所述第二NMOS管的源端接地、栅端连接一控制信号、漏端经过串联的第四电阻器及第五电阻器后连接所述高压，所述第四电阻器及所述第五电阻器的连接结点输出放电驱动信号。