一种高频超声波换能器驱动电路的设计

　　0　引　　言

　　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[4]、探伤、探测鱼群、医疗检测[8]、超声洗涤等领域。目前市场上大都是频率为40 kHz的驱动接收电路,很少有驱动频率达到1 MHz的,但对精度要求极高的如超声测液体浓度[6]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换能器,使换能器产生共振,从而发出高频的超声波,以满足实际测量的需要。

　　1　超声测量的基本原理

　　谐振频率高于20 kHz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,当换能器处于接收状态时,它可将声能(机械能)转化为电能。最常用的超声测量系统的方法是回声探测法。其工作原理是:经由驱动电路作用于换能器的发射头,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[1]。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,如图1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。

　　2　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频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[5]。超声波驱动电路和换能器探头构成超声发生器。

　　2.1　现有的驱动电路

　　现有的驱动电路有采用装用集成电路NYKD来驱动发射换能器(40T),如图2所示;利用555时基集成电路来

　　构成的驱动电路,只要很少的附加元件,W1将频率调节到换能器的谐振频率上,占空比约为50%,如图3所示;由分立元件组成的驱动电路[7],现在也常用,因其价格便宜,元件普通,调试也方便,如图4、图5所示。但此电路的一个缺点是频率全是40 kHz,对特有的领域不能满足要求。

　　2.2　本设计的驱动电路

　　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,能达到1 MHz,可满足利用超声波进行高精度、高灵敏度的严格要求[2]。此电路可分为2大部分:主体功能电路和控制电路。其中主体功能电路的原理框图如图6所示。