[发明专利]一种通用的超声波发射装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及流量测量、测距、探伤等非接触式测量领域，特别涉及一种超声波发射装置及方法，利用处理器自带的标准3.3V或者5V直流信号产生高压交流信号，激励超声波发射换能器产生超声波信号。

背景技术

目前国内很多基于超声波技术开发而成的流量测量、无损检测装置在工作时常常因为外部的环境干扰，而使得测量误差偏大，特别是在有变频器、大功率电机等外部强噪声的情况下，往往无法正常工作。究其原因主要是因为超声波流量计的发射电路其发射信号的输出幅度太小，外部的环境噪声往往淹没了超声波信号，在这种情况下，就需要提高信噪比，在电路实现上就是要提高超声波发射装置的发射功率，这样才能保证最后接收到的信号幅度足够大。

国内外产生高压超声波激励信号的方法基本有两种：一种是可控硅构成的超声波发射装置，其发射频率很低，脉冲重复频率在30KHz以下；第二种是VMOS晶体管构成的超声波发射装置,由于VMOS栅极电容其谐振频率只能达到几百kHz。对于超声波换能器谐振频率在1MHz以上的，由VMOS构成的超声波发射装置就无法使用，如在申请号为101819184和201210017018.3的专利中以及吉林大学硕士论文《脉冲多普勒血液系统的研制》都采用了这种方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超声波发射装置，采用处理器自带的3.3V或者5V直流信号产生高压交流信号，利用图腾柱功率放大技术激励超声波发射换能器产生超声波，实现电声转换；该装置可以输出发射频率在1MHz以上、幅值可以调节的电信号，具有高的工作效率；和同类装置相比，该装置输出的声信号强度较大，这样超声波接收换能器接收到的信号强度就大，以利于后面的信号采集电路的设计；另外由于电路全部由三极管等最基本的电子元器件构成，不仅可以产生脉冲波，还可以产生连续波，结构简单，成本低。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种通用的超声波发射装置，包括信号产生模块1、信号幅值放大模块2、缓冲放大模块3、图腾柱功率放大模块4、均流模块5、超声波换能器参数匹配模块6、过压保护模块7和处理器模块8；

处理器模块8的信号输出端与信号产生模块1的信号输入端相连，信号产生模块1的信号输出端与信号幅值放大模块2的输入端相连，信号幅值放大模块2的输出端与缓冲放大模块3的输入端相连，缓冲放大模块3的输出端接图腾柱功率放大模块4的输入端，图腾柱功率放大模块4的输入端接均流模块5的输入端，均流模块5的输出端接超声波换能器参数匹配模块6的输入端，超声波换能器参数匹配模块6的输出端和过压保护模块7输入端相连，过压保护模块7的输出端接超声波发射探头9的信号输入端。

一种通用的超声波发射方法，步骤如下：

步骤一：处理器模块8输出自带的标准3.3V或者5V直流信号，经过信号幅值放大模块2中的运算放大器THS3091进行幅值放大，输出45V的信号；

步骤二：经过信号幅值放大模块2把信号幅值放大后送给缓冲放大模块3，缓冲放大模块3对信号功率进行预放大；

步骤三、经过功率放大后的信号通过均流模块5后，在超声波换能器参数匹配模块6中进行阻抗匹配；

步骤四、和不同发射频率的超声波换能器的匹配主要通过匹配电容C_P来完成的，匹配电容C_P的计算方法如下：

根据谐振频率公式：

可得出总电容值C：

C=1(2πf)2L---(1)]]>

再根据电容串联公式：

式中，L：电感值；

f：超声波换能器的谐振频率；

C：包含超声波换能器容值Cs和匹配电容的容值C_P在内的总电容值

C_P：匹配超声波换能器阻抗的电容值

Cs：超声波换能器的电容值