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1MHz超声波换能器收发驱动电路的设计
发布日期:2020/5/8 16:00:54
超声波测量系统价格低廉,其性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响,而且使用方便,因此用途十分广泛。它可用于测距、测深、探伤、探测鱼群、医疗检测、超声洗涤等领域。目前市场上大都是频率为40KHz的驱动接收电路,很少有驱动频率达到IMHz的,但对精度要求高的如超声测液体浓度和美容器等领域,目前还很少有相应的高频率的换能器驱动电路。
驱动电路是整个超声测量系统的基础,只有驱动电路自身的频率达到很高时才能驱动固有频率也很高的換能器,使換能器产生共振,从而发出高频的超声波,以满足实际测量的需要。
 
一、超声测量的基本原理
谐振频率高于20KHz的声波被称为超声波。超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强。利用超声波的这种的特性就可制成超声传感器,或称为超声换能器,它是一种既可以把电能转化为声能,又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转化为机械能,向外发送超声波;反之,当換能器处于接收状态时,它可将声能(机械能)转化为电能。ZUI常用的超声测量系统的方法是回声探测法。其工作原理是:经由驱动电路作用与換能器的发射头,使换能器发射超声波脉冲,此声波发射出去后被超声波接收换能器所接收。若已知介质中的声速为c,换能器的接收头接收的波的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t,那么即可由公式s=ct计算换能器与目标之间的距离,如下图所示。考虑到实际应用的需要,可根据条件要求选取收发一体或收发分体的换能器。


二、发射驱动电路的设计
驱动电路的作用是要产生出一个具有一定功率,一定脉冲宽度和一定叛率的规则电脉冲去激励发射换能器,由换能器转换为超声波向外发射。超声波驱动电路和换能器探头构成超声发生器。
本设计的驱动电路不同于现有电路的突出特点就是它的频率更高波形为规则的方波,能达到IMHz,可满足利用超声波进行高精度、高灵敏度的严格要求。此电路可分为两大部分:发射电路和接收电路。
本电路采用频率为IMHz的发射驱动电路。电路组成元件主要包括200M晶振、双D触发器CD4013、由9012和90l3组成的推挽功放电路、IRF830放大器、以及与发射换能器耦合的1OOOPF的无极性电容。
此电路中,所有的高频方波都是从200M的晶振发出的,晶振的1脚悬空,2脚接地,4脚接*5V电压,3脚作为输出,经试验测定,3脚的输出波形如图。分频电路CD4013果用的是异步触发形式,各触发器的初始状态不会影响到分频的功能。使之处理来自晶振3脚的输出,使得20M的方波信号二分频。分频后的信号又经过902与9013推挽功放,后面又加了一级放大,使得功率足够驱动超声波换能器。
 
三、接收驱动电路
由发射单元经超声波换能器发射的超声波信号经被测液体后有一部分能量损失,接收換能器接收到的超声波很微弱,信号也存在干扰,因此必须经过进一步的放大,才能驱动后续电路的显示。
接收电路主要包括耦合、放大、比较、整形、检波滤波。接收探头接收的信号比较微弱(只有几十毫伏),通过放大电路将其电压信号进行放大,放大后的电压信号经过检波二极管和电容组成的检波的电路后变为较简单的电压信号波形,在经过LMII9型号的比较电路转换成比较规则的方波信号。
 
四、实验结果
通过搭接电路试验并用示波器测量得出其输出脉冲波形图,其中图(A)是发射驱动电路在不加发射换能器的情况下产生的方波波形,由图可以看出,波形为规则稳定的IMHz方波波形;图(B)为通过水中接收换能器所接收到的波形图,频率也为IMHz,且波形比较稳定,满足实际应用的需要;图(C)为同时加上发射和接受换能器在水中传播的波形图,也是很稳定的。由于换能器本身存在感性负载,与容性负载产生的谐振中不可能会像方波那样存在上升沿和下降沿的突变,而是近似正弦的变化。
 
五、结束语
1。本文设计了一种更高频率的超声波换能器驱动电路,这种电路所产生的驱动频率能高达IMHz,而目前市场上大部分驱动电路所产生的频率为40KHz。
2。本文所提供的驱动电路,有利于超声技术应用于精度要求更高的领域,为以后超声技术的高精度测量奠定了基础。
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