一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路设计

酸浓度测试

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文章编号：１００１—２４８６（２００４）０３—０１０７—０５

一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路设计’

隋卫平，潘仲明，王跃科

（国防科技大学机电工程与自动化学院，胡南长沙４１００７３）

摘要：通过对超声换能器的工作原理分析，设计了一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路。驱动

电路由功率放大器、脉冲变压器及一定的补偿电路组成；回波检测电路由前置放大器、带通滤波器和自动电平

控制电路组成。试验结果显示，此电路性能良好，能明显提高超声按能器的测距范围。

关键词：超声测距；超声换能器；脉冲变压器；自动电平控制

中图分类号：ＴＢ５５２；ＴＢ５５３文献标识码：Ａ

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超声测距是一种非接触的测量方式，和红外、激光及无线电测距相比，在近距离范围内，超声测距结构简单、成本较低，且有不易受光线、烟雾、电磁影响的特点，因此超声测距在车辆导航、测井工程、料位测量、机器人定位等领域得到广泛应用。

超声测距系统中的核心部件是超声传感器，也即超声换能器，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装置，其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加信号频率变化的机械形变，继而在周围介质中产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围，这种机械波就是超声波。接收时，利用正压电效应把来自探测物的声信号变成电信号输出。

超声换能器是超声测试系统中产生并接收超声的部件，其驱动电路和回波检测电路的性能对整个测试系统有着至关重要的作用。本文通过对换能器工作机理进行分析，设计了一种新型的驱动和回波检测电路，取得了良好的效果。

１换能器驱动电路设计

超声换能器的驱动电源用来产生一个与压电振子谐振基频相等的交流信号。产生这种信号的方法一般有振荡一放大型和逆变型两种，对于中、小功率且频率大于２５ｋＨｚ的超声换能器一般采用振荡一放大型驱动电源，如图１所示。由于超声换能器按照信号理论相当于一个带通滤波器，因此本方案用微处理器产生的矩形脉冲作为激励信号，这样就简化了产生驱动信号的程序。

－收稿日期：２００３—１１—１５作者简介：隋卫平（１９７５一），男，讲师，硕士。

酸浓度测试

国舫科技大学学报２００４年第３期

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ｌ。１换链器驱劫电路原理

图２是振荡一放大裂驱动电源的实现方案，其中变压器撇的左侧为激励信号的功率放大电路。

微处理器发出的方波信号经光电耦台输入。选用高速光耦６ｂＴｌ３５作为强弱电问的隔离器件。６Ｎ１３５的辖窭绩号经三投营ｑ，鸯｜壤鼹隧器敷大嚣，驱动ＭＯＳＦＥＴ蓉馨：。ｑ。帮爨匿蕤臻接痰萃端激裁方式，壶变压器完成升聪和阻抗殴配工作。由于变压器初级虚流电阻很小，所以当ＭＯＳＦＥＴ导通时流过的电流将很大，因此，瓴路中设疑了由限漉电阻Ｒ。和三极管如构成的限漉缳护电路。

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新型的功率ＭＯＳＦＥＴ与双极型晶体管相比，有着开关速魔快、导通电阻低、控制灵活方便的优点，使

襻激裁信号得翻充分的簸夭，再蕊上有较好的电气醛离稻保护措施，餐整个功率放大电薅效率离、抗干扰能力强，达到了预期的设计效果。

１．２躲漳变嚣箨熬设静

脉冲变压器是电予变压器的一种特殊炎型，它所变换的鼹接近矩形的单极性脉冲。谯超声频电源

中，脉冲变压器的主要用途是升高脉冲电臌和使振荡器的输出阻抗与负载阻抗贼配。由于脉冲变＿睚器是超声频电源静关镶器释，敌盛缀确保搿设计的稼穗发压器静各顼疆梅鄱是最毽静。

１．工作频率的确定

脉睁交压糕的工终频率取决子被驱动粒超声揍毙器鲍王终频率。若换能器靛工撵频率￡选为

４０ｋＨｚ，因此有

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２５／．８

其中，ｒ为脉冲发压器的工作周期。

２．最大导遵对间的确定

黻太导遥辩翔７≮。按下式计算：

‰一＝ＴｘＤ。

元件、输出变压器和变换器效率等郜有很大的影响。在此，选Ｄ。＝０．４２，则有（１）对手歪翔激鼹变换搽，Ｄ选势Ｏ。４一Ｏ．４５较适襄。垂～是设季｝电黪孵熬一巾藿要参数，宅霹圭拜美

酸浓度测试

隋卫平，等：一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路设计

‰一＝２５ｘ０．４２＝１０．５炉

３．变压器变比．Ⅳ的确定

设换能器的额定功率Ｐ。。为３０Ｗ，则变压器的功率负荷应为Ｐ。。１７１（口为变压器的效率，可取１＝Ｏ．８）。于是：

％忙轰（Ｆｖｃ一２ＶＤＳＳ）２＝煮㈣－２‰）２

式中，Ｒ７。为压电换能器谐振电路的等效阻抗，Ｒ’。一４００９１。（２）

将最小输入电压ｖ。。＝‰＝１２Ｖ和‰＝１Ｖ代入式（２），就可以近似估算变压器的变比Ｎ：

这样，变压器次级的最小输出电压就可以达到：‰×Ｎ＝３２４Ｖ。

４．变压器初、次级绕组匝数的计算．ｖ＝南×√等一ｏｓｍＮ／必２ｘ

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