一种应用于中药提取的超声波声强检测电路的制作方法

本发明属于超声波技术领域，涉及一种信号检测电路，具体涉及一种应用于中药提取的多频段带温度补偿的超声波声强检测电路。

背景技术：

超声提取是利用超声波具有的空化效应、机械效应及热效应，通过增大介子分子的运动速度和介子的穿透力以提取物质中有效成分的技术，已在中药提取中被越来越多的使用。声强(声功率)作为一个衡量超声波发生设备工作效果的最主要指标，具有十分重要的测量意义，由于中药提取过程中有时需要使用多种频段的超声波，因此要求测量电路能够测量多种频段超声波的声强，加上中药提取环境的高温对传统测量声强压电陶瓷测量传感器产生了比较大的影响，这就使得传统测量超声波声强的方法难以满足中药提取高温环境中多频段超声波的声强检测了。

传统测量超声波声强的电路往往仅能一次测量单种频段超声波的声强或则混合频段超声波的平均声强，且对高温环境没有特殊的处理，而压电陶瓷是一种负温度系数的传感器，也即是随着温度的升高，对于相同声强的测量结果呈现线性偏小，从而造成测量结果不准确，这两个就是本发明主要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有应用于中药提取装置的超声波声强检测电路，提供一种带温度补偿的多频段信号检测电路。

本发明采用以下技术方案：

应用于中药提取的多频段带温度补偿的超声波声强检测电路，包括选频及放大模块、多频信号检测控制模块、全波整流及滤波模块和温度补偿模块。

所述的选频及放大模块包括信号输入端Vin、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容Co1、第八电容Co2、第九电容Co3、第十电容Co4、第十一电容Co5、第十二电容Co6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、模拟开关U1和第一运算放大器U2A；模拟开关U1的型号为CD4051、第一运算放大器U2A的型号为LF353；

信号输入端Vin与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第一电感L1的一端、第七电容Co1的一端、第四电感L4的一端和第十电容Co4的一端连接；第一二极管D1的阴极接+5V电源；第二二极管D2的阳极接-5V电源；第一电容C1的一端与第一电感L1的另一端连接；第一电容C1的另一端与第一电阻R1的一端连接；第三电感L3的一端与第二电感L2的一端、第八电容Co2的一端、第九电容Co3的一端、第一电阻R1的另一端和第七电容Co1的另一端连接；第二电容C2的一端与第二电感L2的另一端连接；第二电容C2的另一端与第二电阻R2的一端连接；第二电阻R2的另一端与第八电容Co2的另一端连接并接GND；第三电容C3的一端与第三电感L3的另一端连接；第三电容C3的另一端与第三电阻R3的一端连接；第三电阻R3的另一端与第九电容Co3的另一端、模拟开关U1的第13号引脚连接；第四电容C4的一端与第四电感L4的另一端连接；第四电容C4的另一端与第四电阻R4的一端连接；第六电感L6的一端与第五电感L5的一端、第十一电容Co5的一端、第十二电容Co6的一端、第四电阻R4的另一端和第十电容Co4的另一端连接；第五电容C5的一端与第五电感L5的另一端连接；第五电容C5的另一端与第五电阻R5的一端连接；第五电阻R5的另一端与第十一电容Co5的另一端连接并接GND；第六电容C6的一端与第六电感L6的另一端连接；第六电容C6的另一端与第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的另一端与第十二电容Co6的另一端、模拟开关U1的第14号引脚连接；模拟开关U1的第1、2、4、5、12、15号引脚与GND连接；模拟开关U1的第6号引脚与网络节点INH连接作为控制端INH；模拟开关U1的第7号引脚接-5V电源；模拟开关U1的第8号引脚与GND连接；模拟开关U1的第9号引脚与网络节点C连接作为控制端C；模拟开关U1的第10号引脚与网络节点B连接作为控制端B；U1的第11号引脚与网络节点A连接作为控制端A；模拟开关U1的第16号引脚接+5V电源；模拟开关U1的第3号引脚与第一运算放大器U2A的第3号引脚连接；第八电阻R8的一端与第一运算放大器U2A的第2号引脚和第七电阻R7的一端连接；第七电阻R7的另一端与GND连接；第一运算放大器U2A的第8号引脚接+5V电源；第一运算放大器U2A的第4号引脚接-5V电源；第一运算放大器U2A的第1号引脚与网络节点Vout1和第八电阻R8的另一端连接。

所述的多频信号检测控制模块包括一个ARM内核控制器(STM32F103C6T6)U3、第十三电容C12、第十四电容C13、第十五电容C14、第十六电容C15、第十七电容C16、第十四电阻R14、第十五电阻R15、晶振Y。

晶振Y的一端与第十三电容C12的一端和控制器U3的第5号引脚连接；晶振Y的另一端与第十四电容C13的一端和控制器U3的第6号引脚连接；第十三电容C12的另一端与第十四电容C13的另一端和GND连接；第十四电阻R14的一端与控制器U3的第44号引脚连接；第十五电容C14的一端与控制器U3的第7号引脚连接；第十四电阻R14的另一端与第十五电容C14的另一端和GND连接；第十六电容C15的一端与第十七电容C16的一端、控制器U3的第24、36、48号引脚和+3.3V连接；第十六电容C15的另一端与第十七电容C16的另一端和GND连接；控制器U3的第8、23、35、47号引脚与GND连接；第十五电阻R15的一端与U3的第20号引脚连接；第十五电阻R15的另一端与GND连接；控制器U3的第11号引脚与网络节点INH连接；控制器U3的第12号引脚与网络节点A连接；控制器U3的第13号引脚与网络节点B连接；控制器U3的第14号引脚与网络节点C连接；控制器U3的1脚、3脚、4脚、10脚、15脚、16脚、17脚、18脚、19脚、21脚、22脚、23脚、24脚、25脚、26脚、27脚、28脚、29脚、30脚、31脚、32脚、33脚、34脚、37脚、38脚、39脚、40脚、41脚、42脚、43脚、45脚全部悬空不接。

所述的全波整流及滤波模块包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三二极管D3、第四二极管D4、第十八电容C9、第十九电容C10、第二十电容C11、可调电感Lw、第二运算放大器U4A、第三运算放大器U4B。

网络节点Vout1与第九电阻R9的一端和第十电阻R10的一端连接；第十一电阻R11的一端与第九电阻R9的另一端、第三二极管D3的阴极和第二运算放大器U4A的第2号引脚连接；第十一电阻R11的另一端与第十二电阻R12的一端和第四二极管D4的阳极连接；第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阴极和第二运算放大器U4A的第1号引脚连接；第十八电容C9的一端与GND连接；第十八电容C9的另一端与+5V和第二运算放大器U4A的第8号引脚连接；第二运算放大器U4A的第4号引脚与-5V连接；第二运算放大器U4A的第3号引脚与GND连接；第十三电阻R13的一端与第十电阻R10的另一端、第十二电阻R12的另一端和第三运算放大器U4B的第6号引脚连接；第十三电阻R13的另一端与第二十电容C11的一端、网络节点Vout2和第三运算放大器U4B的第7号引脚连接；第十九电容C10的一端与GND连接；第十九电容C10的另一端与+5V和第三运算放大器U4B的第8号引脚连接；第三运算放大器U4B的第4号引脚与-5V连接；第二运算放大器U4B的第5号引脚与GND连接；第二十电容C11的另一端与可变电感Lw的一端连接；可变电感Lw的另一端与GND连接。

所述的温度补偿模块包括第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、可调电阻Rw、铂热电阻Rt、第四运算放大器U5A。

第十六电阻R16的一端与网络节点Vout2连接；第十六电阻R16的另一端与第十七电阻R17的一端和第四运算放大器U5A的第3号引脚连接；可调电阻Rw的一端与第十八电阻R18的一端连接；可调电阻Rw的另一端与铂热电阻Rt的一端和第四运算放大器U5A的第2号引脚连接；铂热电阻Rt的另一端与第四运算放大器U5A的第1号引脚和信号输出端Vout连接；第十七电阻R17的另一端与GND连接；第十八电阻R18的另一端与GND连接；第四运算放大器U5A的第4号引脚与GND连接；第四运算放大器U5A的第8号引脚与+5V连接。

本发明主要包括选频及放大、多频信号检测控制、全波整流及滤波和温度补偿四个模块。本发明重要的技术特点在于：多频段信号检测的可扩展性好，最多支持八路频段超声波声强的同时测量，采用模拟开关和控制器的搭配兼容性好、适用性强。温度补偿电路设计巧妙，成本低廉，参数设计灵活。

本发明的有益效果：本发明通过模拟开关加控制器的设计实现了多频段超声波声强的检测，通过铂热电阻的正温度系数特性弥补了压电陶瓷传感器的温漂，保证了测量结果的准确性。

附图说明

图1为选频及放大电路；

图2为多频信号检测控制电路；

图3为全波整流及滤波电路；

图4为温度补偿电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所述的选频及放大电路，由压电陶瓷传感器将负载振动转化为交流信号，经第一二极管D1、第二二极管D2构成限幅二极管网络，将输入电压维持在±5V以内。限幅网络后接选频部分，图中选频网络分两路，可以测量两种频段超声波的声强。每一路由多个串并联谐振网络组成，以其中一路来说：第一电感L1、第一电容C1、第一电阻R1、第七电容Co1构成一个串联谐振网络，根据C1、L1的值可以确定一个中心频率。第二电感L2、第二电容C2、第二电阻R2、第八电容Co2构成一个并联谐振网络，根据L2、C2、Co2值可以确定一个中心频率。L3、C3、R3、Co3同理构成一个串联谐振网络，由L3、C3的值也可以确定一个中心频率。使三个网络的中心频率一致，经过三级选频就可以得到效果比较理想的目标频段的电压波形了。模拟开关CD4051可以选择测量哪一路的声强，它是在控制器U3控制下人为任意选择的，模拟开关后的运算放大器UA2对信号进行放大并起到与传感器端达到阻抗匹配的作用。

如图2所示的多频信号检测控制电路，主要功能是连接选频及放大模块中模拟开关(CD4051)的四个控制端INH、A、B、C，第十三电容C12、第十四电容C13、晶振Y构成控制器的晶振电路。第十四电阻R14和第十五电容C14、第十五电阻R15构成控制器复位和启动电路，通过控制器U3控制模拟开关以选择相应的检测频段，最终可以实现多频信号检测功能。

如图3所示的全波整流及滤波电路，第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三二极管D3、第四二极管D4、第十八电容C9、第十九电容C10、第二运算放大器U4A、第三运算放大器U4B构成精密全波整流电路，将选频放大后的交流正弦波信号变成直流信号。再通过第二十电容C11、可调电感Lw构成LC滤波环节对直流成分中可能含有的特定频率的交流成分再次滤除，可调电感可以调节滤除何种频率的交流成分。

如图4所示的温度补偿电路，第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、可调电阻Rw、铂热电阻Rt、第四运算放大器U5A构成了温度补偿电路，经前面所描述的选频、放大、全波整流及滤波后得到的直流电压Vout2由于传感器的原因偏小，且是温度的负系数，而铂热电阻是正温度系数的且线性度好，正好可以用来进行温度补偿。补偿的公式如下：

其中比例系数

对Vout进行后续采集和处理即可得到一个电压值U，根据所选频率F、声强值W的关系式可得W＝P*F*U²，其中P是比例系数，根据实际情况进行标定。