专利名称：基于压电陶瓷的超声波发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其是基于压电陶瓷超声波换能器的超声波发生器。
背景技术：
在对果蔬等农产品进行超声无损检测时，由于果蔬内部存在气隙以及内部肉质 具有颗粒特性，致使传统超声波的穿透性能下降明显，几乎无法穿透果肉。为了使超声波能有效穿透果蔬肉质，需要产生低频、高能超声波。但产生低频超声的换能器压电陶瓷直径一般较大，很难实现与水果曲面的充分耦合，声能损失严重。为此，国内外学者进行了专用超声换能器的广泛研究。如，Ki-Bok和Sangdae Leet等人使用ΙΟΟΚΗζ、直径40mm、凹形面聚焦换能器实现了对苹果硬度的测量(Ki-Bok Kim, Sangdae Lee, Man-SooKim et al. Determination of apple firmness by nondestructive ultrasonicmeasurement [J]. Postharvest Biology and Technology, 2009，52:44-48)。这种凹形的接触面不仅可以与苹果很好的契合，还能起到聚焦声能量的作用。另外，Amos Mizrach等人采用特殊的聚焦换能器的方式，换能器制成圆锥状，虽然换能器的发声部分(即圆锥底面)半径为35mm,但是在尖端与被测物样的接触面积只有O. 2mm*3mm (A. Bechar, A.Mizrach, Determination of Mealiness in Apples using Ultrasonic Measurements[J].Biosystems Engineering, 2005, 91 (3) : 329 - 334)。他们的这种换能器通过单脉冲超声穿透实验成功测得了西红柿、鳄梨、黄瓜等的声反射损耗、传播速度和衰减系数。还有V. G. Shevaldykin和A. A. Samokrutov等人利用压电晶体的径向振动机理，研制出150K_200KHz 的 DPC(transducer with dry point contact)换能器，换能器内部晶体为竖直排列(V. G. Shevaldykin, A. A. Samokrutov and V. N. Kozlov, Ultrasonic Low-FrequencyTransducers with Dry Dot Contact and Their Applications for Evaluation ofConcrete Structures [J]. IEEE Ultrasonic Symposium, 2002:793-798XDPC换能器与被测物为点接触，但是激发的声波为表面波，表面波的质点振动局限于固体表面下I 2倍的波长范围内，且随深度增加很快衰减，所以对被测物样更深的内部情况的检测有一定的局限性。上述的换能器中以聚焦换能器的优点最多，但是它的工作核心部件压电晶片的直径依然比较大，并且在设计、加工制作上与一般直探头相比要复杂的多，难度与成本也较闻。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于超声检测果蔬等农产品内部损失的换能器的超声波发生器，该超声波发生器采用PZT-4圆柱形厚片的压电陶瓷，既能产生低频高能超声波，又具有径向尺寸小的特点，便于与果蔬表面贴合，检测效果好。实现本发明目的的技术方案是一种基于压电陶瓷的超声波发生器，包括压电换能器和激励电路，压电换能器中的压电陶瓷的几何结构为圆柱形，厚度H与直径D比值为H/D>0. 1，压电陶瓷的极化方向为沿厚度方向。一个优选的方案是，压电陶瓷采用PZT-4型锆钛酸铅。另一个优选的方案是，激励电路包括直流高压模块，将输入的数字信号转换为模拟低压直流电电压信号，模拟低压直流电电压信号经PWM脉宽调制变成交流，再经高频升压到预定电压值，最后通过整流和滤波后获得高压直流电，输出至高压方波脉冲模块发射电压端；高压方波脉冲模块，将直流高压模块输出的高压直流电信号转换成高压方波脉冲激励信号，输出至压电换能器；控制模块，用于设定直流高压模块的输入和输出电压，控制高压方波脉冲模块输出的高压方波脉 冲激励信号波形。一个进一步方案是，直流高压模块由依次连接的D/A转换器、P WM模块、半桥驱动模块、推挽放大电路、高频升压器、全波整流电路和滤波电路组成，在滤波电路输出端还设有电压反馈电路，电压反馈电路的输出信号一路经A/D转换输出至控制模块，另一路经电 压跟随器输出至PWM模块，控制模块将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大，根据给定值与反馈值的差值，输出相应的数字信号，以调整PWM脉冲信号的频率；PWM模块将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大，根据给定值与反馈值的差值，调整PWM脉冲信号的占空比，以调整滤波电路输出电压的大小。另一个进一步方案是，高压方波脉冲模块由驱动器和发射脉冲产生电路组成，所述驱动器用于接受控制模块的原始脉冲控制信号，将原始脉冲控制信号放大；用于根据放大后的原始脉冲控制信号，将高压直流电信号调制成高压方波脉冲激励信号。再一个进一步方案是，控制模块采用AT89S52芯片，驱动器采用IR2213芯片，发射脉冲产生电路为MOS管半桥电路，MOS管半桥电路由两个栅极相连的N型MOS管构成；控制模块产生的两路原始脉冲控制信号，经驱动器IR2213后控制两个N型MOS管交替导通，将高压直流电信号调制成用以激励换能器的高压方波。又一个优选的方案是，压电陶瓷的厚度、直径与工作频率的关系由如下振动力学数学模型确定
16(ps^3 Y (l + σ^) (σ,ξ +— I) N4 +■ 4σ53Γ3 Ι-(σ,ξ) H--—1 ■ N" — ( °)* = O
(j I^其中，P为材料密度；Z#为材料的柔顺系数；σ5=-，4=
0Il、°12、l3B、^336Il、6Il、
< =-^F N = Hf0, fo为工作频率，H为敏感元件厚度，D为敏感元件直径；X(I = kra,kr为波数，X。与材料的°"有关。再一个优选的方案是，PWM模块采用TL494芯片，高频升压器的相关参数为磁芯型号EC40，材质PC40，初级3T+3T，线径O. 45mm, 20线并绕；次级163T，线径O. 62mm。还一个优选的方案是，两个N型MOS管选用IRFPF30或SiHFPF30，其激励信号范围可从 20KHz 至 300KH。本发明的有益效果是应用本发明的电路系统激励厚圆片超声换能器所产生的高能低频超声波，可以成功实现对水果的穿透，并能获得有效的信号。本电路结构简单，成本较低，易于实现，激励信号可实时在线控制。
图I为本发明实施例的功能模块框图；图2为本发明实施例的电路原理模块框图；图3为本发明实施例中压电陶瓷的几何结构示意图；图4为本发明实施例的激励电路中直流高压模块电路图；图5为本发明实施例的激励电路中高压方波脉冲模块电路图；图6为本发明实施例的激励电路的激励方法中工作频率与压电陶瓷几何结构参数关系曲线图；
图7为本发明实施例的激励电路的激励方法中谐振频率测试曲线图；图8为本发明实施例的激励电路的激励方法中激励电压测试曲线图；图9为本发明实施例的激励电路的激励方法中激励脉冲宽度关系曲线图；图10为本发明实施例的激励电路的激励方法中激励脉冲个数关系曲线图；以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施例方式参见图1，图I为基于压电陶瓷的超声波发生器实施例的功能模块框图。超声波发生器由压电换能器和激励电路构成。激励电路包括用于向电路提供直流高压的直流高压模块、用于产生高压方波脉冲激励信号的高压方波脉冲模块以及用于设定直流高压模块电压，并控制高压方波脉冲信号波形的控制模块。压电换能器的压电陶瓷是采用由PZT-4材料制作成的圆柱形厚片，即厚圆片压电陶瓷。本领域普通技术人员均了解的PZT-4是一种锆钛酸铅，其具有良好的高激励特性、高耦合系数、高矫顽场，常用来制作中低功率以下的声呐发射器和超声换能器。参见图3，图3示出了压电陶瓷的几何结构。压电陶瓷的厚度为H，圆面半径为R，直径为D，满足H/D>0. I，极化方向为沿其厚度方向，本实施例中选取H/D = 0.4。参见图2，图2为基于压电陶瓷的超声波发生器实施例的电路原理框图。直流高压模块由依次连接的D/A转换器、PWM模块、半桥驱动模块、推挽放大电路、高频升压器、全波整流电路和滤波电路组成，在滤波电路输出端和还设有电压反馈电路，电压反馈电路的输出信号一路经A/D转换输出至所述控制模块，另一路经电压跟随器输出至PWM模块，控制模块将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大，根据给定值与反馈值的差值，输出相应的数字信号，以调整PWM脉冲信号的频率；PWM模块将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大，根据给定值与反馈值的差值，调整PWM脉冲信号的占空比，以调整滤波电路输出电压的大小。高压方波脉冲模块由驱动器和发射脉冲产生电路组成，驱动器用于接受控制模块的原始脉冲控制信号，将原始脉冲控制信号放大；用于根据放大后的原始脉冲控制信号，将高压直流电信号调制成高压方波脉冲激励信号。参见图4，图4是直流高压模块的电路结构图。直流高压模块包括由键盘和液晶屏组成的人机交互电路，由单片机(AT89S52)、模数转换器(ADC0809)、数模转换器(DAC0832)、电压跟随器组成的电压反馈电路，由PWM芯片(TL494)、半桥驱动器(IR2110)组成的PWM模块，由两只NMOS管(IRF630)、高频升压器组成的推挽电路，由四只二极管(IN4007)组成的全波整流电路，由两只电容和一个电感组成的η型波器，以及两只电阻组成的分压电路构成。单片机接受来自键盘的电压设定值并将得到的数字量(电压设定值)送到数模转换器DAC0832，将数 字量变为模拟电压信号。在此电压信号的控制下，PWM芯片产生gl，g2两路PWM信号，经驱动器IR2110放大后用于控制两只开关管Tl和T2的交替导通和截止。12V的低压直流受到Tl和T2的调制，由直流变为交流信号，后经高频升压器升压，在升压器的次级绕组上产生高压交流信号。高压交流信号经过全波整流电路以及η型波器后变成高压直流信号。高压直流信号经Rl(IM)和R2(6.8K)组成的分压电路分压，即为电压反馈信号。电压反馈信号一路经电压跟随器输入到PWM芯片的误差放大器的反向输入端，与数模转换器输出的电压设定信号一起用于调整PWM信号的占空比若电压反馈信号低于电压设定信号，则增加PWM的占空比，反之减小；电压反馈信号的另一路经模数转换器转化为数字信号送入单片机，一方面用于电压的液晶显示，一方面与键盘的输入量进行对比若反馈值小于键盘输入值，则增加单片机输出给数模转换器的值，直到与之等于；反之减小送给数模转换器的控制量。直流高压模块将12V的直流电压经PWM脉宽调制变成交流，后经过高频升压器升到650V的交流，最后经全桥整流、滤波后变为450V直流。PWM控制信号由TL494产生；升压变压器各参数分别为磁芯型号EC40，材质PC40，初级3T+3T，线径O. 45mm，20线并绕，次级 163T，线径 O. 62mm。参见图5，图5是高压方波脉冲模块的电路结构图。高压方波脉冲模块由半桥驱动器IR2113和MOS半桥电路构成。MOS半桥电路由两支N型MOS管构成，MOS管选用IRFPF30，激励信号范围可从20KHz至300KHz。驱动器IR2213控制两个N型MOS管交替导通，产生用以激励换能器的高压方波。G3、G4分别为g3、g4经驱动器放大后的信号，用于控制管T3、T4(型号为IRFPF30/S iHFPF30)。IR2113上电后，TVCC15V通过电阻R33为电容C60充电，由于稳压管D13 (型号BZX55C4V7)的作用，C60两端电压为4. 7V。当g3为低电平、g4为高电平时，IR2113的LO与VCC连通，G4即为VCC高电平，管T4的栅极与源极间电压VGS=IO. 3V，则开关管T4、Q5导通；同时，HO与VS连通，即G3通过Q5与地相接，为低电平；TVCC15通过二极管D6 _号4007)和Q5为电容C50充电，电容两端电压为15V;电容C51由于稳压管D7 (型号同D13)的作用被钳在4. 7V，此时因此管T3的栅源极电压VGS=-4. 7V，管T3为截止状态。当g3为高电平、g4为低电平时，IR2113的LO与COM连通，则G4与地相连，为低电平，管T4的源极被C60和D13钳在4. 7V，它的VGS=_4. 7V，管T4与Q5同时截止；H0与VB连通，由于电容C50、D6、C51、D7的存在，使得G3高出管T3源极电压15V-4. 7V=10. 3V，即VGS=IO. 3V，管 T3 导通。直流高压经过由G3、G4控制下交替导通和截止的T3、T4后转变为高压方波信号。本发明实施例的控制模块采用AT89S52作为控制单元，控制单元控制MOS管半桥电路对升压DC/DC产生的直流高压进行调制，使其变成高压方波信号以对超声换能器进行激励。同时，控制单元产生的两路原始脉冲控制信号，经驱动器IR2213后控制两个N型MOS管交替导通，控制产生用以激励换能器的高压方波。上述超声波发生器中激励电路的激励方法可通过如下的建模确定相关参数。I)根据压电陶瓷的几何参数确定换能器的工作频率传统检测用超声换能器压电陶瓷一般采用薄片结构，其振动模式可以用一维振动模型来表示。由于本发明中压电陶瓷采用厚圆片结构，厚径比大于0.1，故需要采用二维振动理论来分析其振动模式；设定压电陶瓷极化方向沿厚度方向，并假设厚圆片压电陶瓷振动为准静态，只考虑其厚度方向和径向的伸缩应变，那么厚圆片压电陶瓷的振动可以看作是径向和纵向振动的耦合，简化后的应力条件为Tr e =Trz=Tz e =0, Trr=T θ θ (A)其中，Trr为径向应力，Tee为周向应力，Tre、Trz和Tze为剪切应力；于是，厚圆片压电陶瓷的物理方程有
权利要求
1.一种基于压电陶瓷的超声波发生器，包括压电换能器和激励电路，其特征是，所述压电换能器中的压电陶瓷的几何结构为圆柱形，厚度H与直径D比值为H/D>0. 1，压电陶瓷的极化方向为沿厚度方向。
2.根据权利要求I所述的基于压电陶瓷的超声波发生器，其特征是，所述压电陶瓷采用PZT-4型锆钛酸铅。
3.根据权利要求I或2所述的基于压电陶瓷的超声波发生器，其特征是，所述激励电路包括直流高压模块，将输入的数字信号转换为模拟低压直流电电压信号，模拟低压直流电电压信号经PWM脉宽调制变成交流，再经高频升压到预定电压值，最后通过整流和滤波后获得高压直流电，输出至高压方波脉冲模块发射电压端； 高压方波脉冲模块，将直流高压模块输出的高压直流电信号转换成高压方波脉冲激励信号，输出至所述压电换能器； 控制模块，用于设定直流高压模块的输入和输出电压，控制高压方波脉冲模块输出的高压方波脉冲激励信号波形。
4.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷的超声波发生器，其特征是，所述直流高压模块由依次连接的D/A转换器、PWM模块、半桥驱动模块、推挽放大电路、高频升压器、全波整流电路和滤波电路组成，在所述滤波电路输出端还设有电压反馈电路，电压反馈电路的输出信号一路经A/D转换输出至所述控制模块，另一路经电压跟随器输出至所述PWM模块，所述控制模块将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大，根据给定值与反馈值的差值，输出相应的数字信号，以调整PWM脉冲信号的频率；所述PWM模块将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大，根据给定值与反馈值的差值，调整PWM脉冲信号的占空比，以调整滤波电路输出电压的大小。
5.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷的超声波发生器，其特征是，所述高压方波脉冲模块由驱动器和发射脉冲产生电路组成，所述驱动器用于接受所述控制模块的原始脉冲控制信号，将原始脉冲控制信号放大；用于根据放大后的原始脉冲控制信号，将所述高压直流电信号调制成高压方波脉冲激励信号。
6.根据权利要求5所述的基于压电陶瓷的超声波发生器，其特征是，所述控制模块采用AT89S52芯片，所述驱动器采用IR2213芯片，所述发射脉冲产生电路为MOS管半桥电路，该半桥电路由两个栅极相连的N型MOS管构成；所述控制模块产生的两路原始脉冲控制信号，经驱动器IR2213后控制两个N型MOS管交替导通，将所述高压直流电信号调制成用以激励换能器的高压方波。
7.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷的超声波发生器，其特征是，所述压电陶瓷的厚度、直径与工作频率的关系由如下振动力学数学模型确定16(^^3)"(l + )(^!2 +— i)が+-4び《y‘ I-(ぴミ)+ ^ ° 号'~( ^ °)"= 0 其中,P为材料密度；jへぜ j为材料的柔顺系数。=音毬=ィ、パ=-·;N = Hf0, f0为工作频率，H为敏感元件厚度，D为敏感元件直径；Χ(ι=1νι，kr为波数，Xtl与材料的4有夫。
8.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷的超声波发生器，其特征是，所述PWM模块采用TL494芯片，所述高频升压器的相关參数为磁芯型号EC40，材质PC40，初级3T+3T，线径O.45mm, 20 线并绕；次级 163T,线径 O. 62mm。
9.根据权利要求6所述的基于压电陶瓷的超声波发生器，其特征是，所述两个N型MOS管选用IRFPF30或SiHFPF30，其激励信号范围可从20KHz至300KH。
全文摘要
本发明提供一种基于压电陶瓷的超声波发生器，包括压电换能器和激励电路，压电换能器中的压电陶瓷的几何结构为圆柱形，厚度H与直径D比值为H/D>0.1，压电陶瓷的极化方向为沿厚度方向。通过激励电路激励厚圆片超声换能器产生高能低频超声波，可以成功实现对水果的穿透，并能获得有效的信号。本发明设计的激励电路结构简单，成本较低，易于实现，激励信号可实时在线控制，压电换能器尺寸小，便于与果蔬表面贴合，检测效果好。
文档编号B06B1/06GK102706969SQ20121016541
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者刘运峰, 卢翠娥, 姜琴, 宋寿鹏, 张恒, 王成 申请人:江苏大学