本發(fā)明涉及一種超聲換能器驅(qū)動(dòng)與回波檢測(cè)電路。

背景技術(shù)：

超聲測(cè)距是一種非接觸的測(cè)量方式，和紅外、激光及無(wú)線電測(cè)距相比，在近距離范圍內(nèi)，超聲測(cè)距結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，且有不易受光線、煙霧、電磁影響的特點(diǎn)，因此超聲測(cè)距在車輛導(dǎo)航、測(cè)井工程、料位測(cè)量、機(jī)器人定位等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

超聲測(cè)距系統(tǒng)中的核心部件是超聲傳感器，也即超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作機(jī)理是依據(jù)壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，即在壓電材料上加上某種特定頻率的交變正弦信號(hào)，材料就會(huì)產(chǎn)生隨所加信號(hào)頻率變化的機(jī)械形變，繼而在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生疏密相間的機(jī)械波，如果其振動(dòng)頻率在超聲范圍，這種機(jī)械波就是超聲波。接收時(shí)，利用正壓電效應(yīng)把來(lái)自探測(cè)物的聲信號(hào)變成電信號(hào)輸出。超聲換能器是超聲測(cè)試系統(tǒng)中產(chǎn)生并接收超聲的部件，其驅(qū)動(dòng)電路和回波檢測(cè)電路的性能對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種超聲換能驅(qū)動(dòng)與回波檢測(cè)電路，使大范圍的超聲測(cè)距成為可能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

超聲換能驅(qū)動(dòng)與回波檢測(cè)電路包括換能驅(qū)動(dòng)電路和超聲回波信號(hào)的調(diào)理電路。

所述換能驅(qū)動(dòng)電路由功率放大器、脈沖變壓器及一定的補(bǔ)償電路組成。采用采用振蕩放大型驅(qū)動(dòng)電源。變壓器TR的左側(cè)為激勵(lì)信號(hào)的功率放大電路。微處理器發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)光電耦合輸入。選用高速光耦6N135作為強(qiáng)弱電間的隔離器件。6N135的輸出信號(hào)經(jīng)三極管Q₁射極跟隨器放大后，驅(qū)動(dòng)MOSFET管Q₂。Q₂和變壓器TR接成單端激勵(lì)方式，由變壓器完成升壓和阻抗匹配工作。由于變壓器初級(jí)直流電阻很小，所以當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流將很大，因此，電路中設(shè)置了由限流電阻R₆和三極管Q₃構(gòu)成的限流保護(hù)電路。

所述TR變壓器用于升高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負(fù)載阻抗匹配，是超聲頻電源的關(guān)鍵器件。其工作頻率f_r選為40kHz，最大導(dǎo)通時(shí)間T_ONmax10.5us，變比N為27，變壓器次級(jí)的最小輸出電壓就可以達(dá)到：V_DC * N=324V。初級(jí)繞組匝數(shù)N₁為15匝，次級(jí)匝數(shù)N₂為405匝。

所述超聲回波信號(hào)的調(diào)理電路包括前置放大電路、帶通濾波器、自動(dòng)增益控制電路。所述前置放大電路是由高輸入阻抗的精密儀表放大器AD620構(gòu)成的。因?yàn)槭┘釉趽Q能器的峰值電壓較大，故在放大器的輸入端并聯(lián)一對(duì)反向箝位二極管，以保護(hù)后面的放大電路。電源電壓取為12~15V。所述帶通濾波器由運(yùn)算放大器OP177和RC阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其輸出與輸入同相。

所述自動(dòng)增益控制電路采用三極管作控制元件。

本發(fā)明的有益效果是：超聲換能驅(qū)動(dòng)與回波檢測(cè)電路使大范圍的超聲測(cè)距成為可能，新型的功率MOSFET，有著開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低、控制靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，使得激勵(lì)信號(hào)得到充分的放大，再加上有較好的電氣隔離和保護(hù)措施，使整個(gè)功率放大電路效率高、抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是振蕩—方大型驅(qū)動(dòng)電源。

圖2是超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路。

圖3是回波接受電路。

圖4是帶通濾波器原理圖。

圖5是自動(dòng)電平控制電路。

具體實(shí)施方式

在圖1中，所述換能驅(qū)動(dòng)電路采用采用振蕩放大型驅(qū)動(dòng)電源。包括振蕩器、放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)。

在圖2中，變壓器TR的左側(cè)為激勵(lì)信號(hào)的功率放大電路。微處理器發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)光電耦合輸入。選用高速光耦6N135作為強(qiáng)弱電間的隔離器件。6N135的輸出信號(hào)經(jīng)三極管Q₁射極跟隨器放大后，驅(qū)動(dòng)MOSFET管Q₂。Q₂和變壓器TR接成單端激勵(lì)方式，由變壓器完成升壓和阻抗匹配工作。由于變壓器初級(jí)直流電阻很小，所以當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流將很大，因此，電路中設(shè)置了由限流電阻R₆和三極管Q₃構(gòu)成的限流保護(hù)電路。所述TR變壓器用于升高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負(fù)載阻抗匹配，是超聲頻電源的關(guān)鍵器件。其工作頻率f_r選為40kHz，最大導(dǎo)通時(shí)間T_ONmax10.5us，變比N為27，變壓器次級(jí)的最小輸出電壓就可以達(dá)到：V_DC * N=324V。初級(jí)繞組匝數(shù)N₁為15匝，次級(jí)匝數(shù)N₂為405匝。

在圖3中，所述超聲回波信號(hào)的調(diào)理電路包括前置放大電路、帶通濾波器、自動(dòng)增益控制電路。所述前置放大電路是由高輸入阻抗的精密儀表放大器AD620構(gòu)成的。因?yàn)槭┘釉趽Q能器的峰值電壓較大，故在放大器的輸入端并聯(lián)一對(duì)反向箝位二極管，以保護(hù)后面的放大電路。電源電壓取為12~15V。

在圖4中，所述帶通濾波器由運(yùn)算放大器OP177和RC阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其輸出與輸入同相。所述自動(dòng)增益控制電路采用三極管作控制元件。

在圖5中，所述自動(dòng)增益控制電路采用三極管作控制元件。三極管的集電極經(jīng)R₂、R₁接地。R6、R7組成輸出分壓電路，經(jīng)D1、C2變成直流信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)三極管的基極。當(dāng)V_I較小，則V_B較小，不足使三極管導(dǎo)通，此時(shí)三極管的C_E內(nèi)阻很大，相當(dāng)于開路。隨著V_I增加，則V_O增加，V_B升高，三極管導(dǎo)通，C_E間電阻Z_CE下降，Z_CE與R₂分壓使V_I的增加量變小。因此，V_I升高時(shí)，Z_CE則變小，V_I被限制在一定的電平內(nèi)，從而完成自動(dòng)電平控制作用。