超声波换能器的驱动电路的制作方法

1.本技术涉及超声波技术领域，特别涉及一种超声波换能器的驱动电路。


背景技术：

2.超声波换能器是一种将电能转化为机械能的能量转换器。超声波换能器工作时，该超声波换能器能够将电信号转换为机械振动，使得推动空气振动，从而产生超声波。如何控制超声波换能器工作是该领域研究的重点。
3.相关技术中，通常是采用ic(integrated circuit chip，微型电子器件)芯片来控制超声波换能器工作。由于ic芯片的输入电压较小，无法达到超声波换能器的工作电压，通常在电路中增加升压、降压电路来提供足够的电压，从而实现控制该超声波换能器工作。
4.但是，上述技术方案中，由于电路中存在升压、降压电路，电路中的电压不断变化，使得超声波换能器两端的电压不稳定，导致超声波换能器不能稳定工作，工作效率不高。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种超声波换能器的驱动电路，能够使得超声波换能器工作更稳定，从而提高超声波换能器的效率。所述技术方案如下：
6.本技术提供了一种超声波换能器的驱动电路，所述驱动电路包括：供电电路、谐振电路以及开关电路；
7.所述供电电路的输入端与高压电源连接，所述供电电路的输出端与所述超声波换能器的第一端连接，所述供电电路用于向所述超声波换能器供电；
8.所述谐振电路的输入端与所述供电电路的输出端连接，所述谐振电路的第一输出端与所述超声波换能器的第二端连接，所述谐振电路的第二输出端接地，所述谐振电路用于使所述超声波换能器在工作时处于谐振频率；
9.所述开关电路输出端与所述超声波换能器的第二端连接，所述开关电路用于基于输入的脉冲信号控制所述超声波换能器的通断。
10.在一些实施例中，所述谐振电路包括电容和电感；
11.所述电容的第一端和所述电感的第一端均与所述谐振电路的输入端连接，所述电容的第二端与所述谐振电路的第二输出端连接，所述电感的第二端与所述谐振电路的第一输出端连接。
12.在一些实施例中，所述供电电路包括二极管和第一电阻；
13.所述二极管的输入端与所述供电电路的输入端连接，所述二极管的输出端与所述第一电阻的第一端连接；
14.所述第一电阻的第二端与所述供电电路的输出端连接。
15.在一些实施例中，所述高压电源为可调电压源。
16.在一些实施例中，所述开关电路包括场效应管；
17.所述场效应管的漏极与所述超声波换能器的第二端连接，所述场效应管的源极接
地，所述场效应管用于基于输入栅极的脉冲信号控制所述超声波换能器的通断。
18.在一些实施例中，所述开关电路包括控制电路和场效应管；
19.所述控制电路的输出端与所述场效应管的栅极连接，所述控制电路用于基于输入的脉冲信号控制所述场效应管的通断；
20.所述场效应管的漏极与所述超声波换能器的第二端连接，所述场效应管的源极接地，所述场效应管用于控制所述超声波换能器的通断。
21.在一些实施例中，所述控制电路包括低压电源、第二电阻、第三电阻、第四电阻以及三极管；
22.所述第二电阻的第一端和所述第三电阻的第一端均与所述低压电源连接，所述第二电阻的第二端与所述三极管的基极连接，所述第三电阻的第二端与所述三极管的集电极连接，所述第二电阻和所述第三电阻用于为所述三极管提供偏置电压；
23.所述第四电阻的第一端与控制电路的输入端连接，所述第四电阻的第二端与所述三极管的基极连接；
24.所述三极管的集电极与所述场效应管的栅极连接，所述三极管的发射极接地。
25.在一些实施例中，所述三极管为npn型三极管。
26.在一些实施例中，所述驱动电路用于驱动负载电路，所述负载电路包括并联的多个超声波换能器，所述多个超声波换能器的参数相同。
27.在一些实施例中，所述驱动电路还包括脉冲发生器，所述脉冲发生器用于提供所述脉冲信号。
28.本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
29.在本技术实施例中，通过在超声波换能器驱动电路中设置谐振电路，能够使超声波换能器工作在谐振频率，从而使得超声波换能器更稳定、效率更高。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本技术实施例提供的一种超声波换能器的驱动电路的示意图；
32.图2是本技术实施例提供的一种供电电路的示意图；
33.图3是本技术实施例提供的一种谐振电路的示意图；
34.图4是本技术实施例提供的另一种超声波换能器的驱动电路的示意图；
35.图5是本技术实施例提供的另一种超声波换能器的驱动电路的示意图；
36.图6是本技术实施例提供的另一种超声波换能器的驱动电路的示意图；
37.图7是本技术实施例提供的另一种超声波换能器的驱动电路的示意图。
38.附图标记分别表示：
39.供电电路-10
40.二极管-101
41.第一电阻-102
42.谐振电路-20
43.电容-201
44.电感-202
45.开关电路-30
46.场效应管-301，栅极-301a，漏极-301b，源极-301c
47.控制电路-40
48.第二电阻-401
49.第三电阻-402
50.第四电阻-403
51.三极管-404，基极-404a，集电极-404b，发射极-404c
52.负载电路-50
具体实施方式
53.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
54.本技术实施例提供了一种超声波换能器驱动电路，该超声波换能器驱动电路连接于超声波换能器的两端，能够控制超声波换能器进行工作。
55.图1是本技术实施例提供的一种超声波换能器的驱动电路的示意图。参见图1，该超声波换能器的驱动电路包括：供电电路10、谐振电路20以及开关电路30。
56.供电电路10的输入端与高压电源连接，供电电路10的输出端与超声波换能器的第一端连接。该供电电路10用于向超声波换能器供电。其中，该高压电源为直流电源。该高压电源提供的电压可以是超声波换能器的工作电压范围中的任一电压，本技术实施例对此不进行限制。
57.在一些实施例中，该高压电源为可调电压源。在超声波换能器的工作范围内，该高压电源为超声波换能器提供的电压越高，该超声波换能器的功率越大；该高压电源为超声波换能器提供的电压越低，该超声波换能器的功率越小。本技术实施例通过调节高压电源的电压值，能够为超声波换能器提供不同的功率需求。
58.谐振电路20的输入端与供电电路10的输出端连接，谐振电路20的第一输出端与超声波换能器的第二端连接，谐振电路20的第二输出端接地。该谐振电路20用于使超声波换能器在工作时处于谐振频率。由于超声波换能器工作在谐振频率下是超声波换能器保证能量输出的重要条件，通过将谐振电路20与超声波换能器连接，使得超声波换能器工作时能够稳定在谐振频率，从而能够提高超声波换能器的工作效率。
59.开关电路30输出端与超声波换能器的第二端连接。该开关电路30用于基于输入的脉冲信号控制超声波换能器的通断。不同高低电平的脉冲信号会影响超声波换能器的通断。当输入的脉冲信号为高电平信号时，超声波换能器接通高压电源，当输入的脉冲信号为低电平信号时，超声波换能器断开高压电源。或者，当输入的脉冲信号为低电平信号时，超声波换能器接通高压电源，当输入的脉冲信号为高电平信号时，超声波换能器断开高压电源。本技术实施例对此不进行限制。当超声波换能器接通高压电源时，该高压电源为超声波换能器充电，即超声波换能器存储电能。当超声波换能器断开高压电源时，该超声波换能器
能够释放存储的电能，即超声波换能器将电能转化为机械能，使得能够推动空气振动，从而产生超声波。
60.在一些实施例中，供电电路10由二极管和电阻搭建而成。图2是本技术实施例提供的一种供电电路的示意图。参见图2，供电电路10包括二极管101和第一电阻102。该二极管101的输入端与供电电路10的输入端10a连接，该二极管101的输出端与第一电阻102的第一端连接。该第一电阻102的第二端与供电电路10的输出端10b连接。其中，该二极管101用于防止电路中的反向电压对高压电源的冲击。该第一电阻102用于限制电路中的电流，避免电路中的电流过大时导致电子器件的损坏。
61.需要说明的是，超声波换能器的谐振频率是超声波换能器的固定参数，为了使超声波换能器工作时处于谐振频率，需要选择合适的电子器件来搭建谐振电路。
62.在一些实施例中，该谐振电路由电容和电感搭建而成。图3是本技术实施例提供的一种谐振电路的示意图。参见图3，该谐振电路20包括电容201和电感202。该电容201的第一端和该电感202的第一端均与谐振电路20的输入端20a连接，该电容201的第二端与谐振电路20的第二输出端20b连接，该电感202的第二端与谐振电路20的第一输出端20c连接。
63.在一些实施例中，本技术通过超声波换能器的谐振频率和静态电容，来选择合适的电容和电感。本技术通过以下公式一，来确定电容201和电感202的参数。
64.公式一：
[0065][0066]
其中，f0为超声波换能器的谐振频率，π为圆周率，l为电感202的电感值，cs为超声波换能器的静态电容，c0为电容201的电容值。f0和cs均为超声波换能器的固定参数。
[0067]
本技术实施例中，通过这两个参数，能够从已有的多个电容和电感中，选择参数满足上述公式一的电容和电感。其中，若已有的多个电容和电感中存在多对满足上述公式一的电容和电感，选择任一对参数满足条件的电容和电感即可。
[0068]
在一些实施例中，将场效应管作为超声波换能器的驱动电路中的开关电路。由于场效应管是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。当场效应管的栅极与源极之间的电压达到场效应管的开启电压，该场效应管的漏极与源极之间导通；当场效应管的栅极与源极之间的电压未达到该场效应管的开启电压，该场效应管的漏极与源极之间断开。该场效应管的通断可以直接由输入开关电路的脉冲信号控制。
[0069]
例如，图4是本技术实施例提供的另一种超声波换能器的驱动电路的示意图。参见图4，该开关电路30包括场效应管301。场效应管301的漏极301b与超声波换能器的第二端连接。由于谐振电路20的第一输出端与超声波换能器的第二端连接，因此该场效应管301的漏极301b与谐振电路20的第一输出端连接。场效应管301的源极301c接地。该场效应管301用于基于输入栅极301a的脉冲信号控制超声波换能器的通断。该场效应管301为n沟道型场效应管。当输入栅极301a的脉冲信号为低电平信号时，该场效应管301断开，也即场效应管301的漏极301b与源极301c之间断开。高压电源输出的电流依次流经二极管101以及第一电阻102后，分为两路，一路电流流向超声波换能器的第一端，另一路电流流经电感202后流向超声波换能器的第二端。此时，超声波换能器接通该高压电源，该超声波换能器能够存储电能。当输入栅极301a的脉冲信号为高电平信号时，该场效应管301导通，也即场效应管301的
漏极301b与源极301c之间导通。高压电源输出的电流依次流经二极管101、第一电阻102以及电感202后，由场效应管301的漏极301b流向场效应管301的源极301c，直至流到接地端。此时，超声波换能器被电感202短路。超声波换能器与高压电源断开，该超声波换能器能够释放存储的电能，将电能转换为机械能，使得能够推动空气振动，从而产生超声波。由于输入的脉冲信号为高低电平交替变化的信号，使得场效应管在导通和断开之间不断切换，从而使得超声波换能器不断存储电能和释放电能，进而实现超声波换能器处于工作状态。
[0070]
在一些实施例中，脉冲信号可以由脉冲发生器提供。该超声波换能器的驱动电路包括脉冲发生器，该脉冲发生器用于提供脉冲信号，使得超声波换能器的驱动电路通过自身就能够获得脉冲信号，无需外部连接脉冲发生器或者mcu(microcontroller unit，微控制单元)等能够提供脉冲信号的装置。
[0071]
在一些实施例中，该超声波换能器的驱动电路不包括能够提供脉冲信号的装置，在此情况下，该超声波换能器的驱动电路通过外部连接脉冲发生器或者mcu等能够提供脉冲信号的装置，来获取脉冲信号。
[0072]
本技术实施例提供的上述方式，通过输入开关电路的脉冲信号直接控制场效应管的通断，从而控制超声波换能器进行工作，也即只需通过场效应管构成超声波换能器的驱动电路的开关电路，就能够实现控制超声波换能器进行工作，使得超声波换能器的驱动电路使用的器件较少，节约成本。
[0073]
在一些实施例中，将场效应管和控制电路作为超声波换能器的驱动电路中的开关电路。由控制电路控制场效应管的栅极与源极之间的电压通断，从而控制场效应管的通断。图5是本技术实施例提供的另一种超声波换能器的驱动电路的示意图。参见图5，该开关电路30包括控制电路40和场效应管301。该控制电路40的输出端与场效应管301的栅极301a连接。场效应管301的漏极301b与谐振电路20的第一输出端连接，场效应管301的源极301c接地。其中，该控制电路40用于基于输入的脉冲信号控制场效应管301的通断。该场效应管301用于控制超声波换能器的通断。该场效应管301为n沟道型场效应管。当输入控制电路40的脉冲信号为低电平信号时，该控制电路40控制场效应管301的栅极301a与源极301c之间的电压达到场效应管301的开启电压，该场效应管301的漏极301b与源极301c之间导通，也即该场效应管301导通。当输入控制电路40的脉冲信号为高电平信号时，该控制电路40控制场效应管301的栅极301a与源极301c之间的电压降低，使得场效应管的栅极301a与源极301c之间的电压低于场效应管301的开启电压，该场效应管的漏极301b与源极301c之间断开，也即该场效应管301断开。
[0074]
需要说明的是，为了更加清楚地描述控制电路40通过控制场效应管301的通断，来控制超声波换能器进行工作的方式，下面对控制电路40进行详细介绍。图6是本技术实施例提供的另一种超声波换能器的驱动电路的示意图。参见图6，该控制电路40包括低压电源、第二电阻401、第三电阻402、第四电阻403以及三极管404。该第二电阻401的第一端和第三电阻402的第一端均与低压电源连接，第二电阻401的第二端与三极管404的基极404a连接，第三电阻402的第二端与三极管404的集电极404b连接。第四电阻403的第一端与控制电路40的输入端连接，第四电阻403的第二端与三极管404的基极404a连接。三极管404的集电极404b与场效应管301的栅极301a连接，三极管404的发射极404a接地。该第二电阻401和该第三电阻402用于为三极管404提供偏置电压。该低压电源为直流电源。该低压电源的电压值
可以为3v、3.3v或者5v等，本技术实施例对此不进行限制。
[0075]
其中，三极管是一种控制电流的半导体器件，可以称为半导体三极管、双极型晶体管或者晶体三极管。三极管的作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。在本技术实施例中，三极管404可以看作是控制场效应管301的通断的开关。该三极管404是npn型三极管。
[0076]
脉冲信号能够使得三极管404处于不同的状态，从而来控制场效应管301的通断。在未输入脉冲信号的情况下，该第二电阻401和该第三电阻402为三极管404提供偏置电压，使得该三极管404中基极404a和发射极404c之间的pn结正偏，基极404a和集电极404b之间的pn结反偏，此时三极管404处于放大状态。低压电源输出的电流先分为两路，一路流经第二电阻401流向三极管404的基极404a，另一路流经第三电阻402后再次分流，一路流向三极管404的集电极404b，一路流向场效应管301的栅极301a。其中，三极管404的基极404a的电流和集电极404b的电流均流向三极管404的发射极404c。在此情况下，场效应管303的栅极301a获得低压电源提供的电压，该场效应管303的栅极301a和源极301c之间的电压超过场效应管303的开启电压，使得场效应管303的漏极301b和源极301c之间导通，也即该场效应管303导通。高压电源输出的电流依次流经二极管101、第一电阻102以及电感202后，由场效应管301的漏极301b流向场效应管301的源极301c，直至流到接地端。此时，超声波换能器被电感202短路。超声波换能器与高压电源之间未导通。超声波换能器不进行工作。
[0077]
在输入脉冲信号的情况下，当输入的脉冲信号为高电平信号时，三极管404的基极404a端输入电流变大，电压升高，此时三极管404处于饱和状态。在此情况下，三极管404的集电极404b和发射极404c之间完全导通，相当于一根导线。此时三极管404的集电极404b的电压等于发射极404c的电压。由于三极管404的发射极404c接地，则该发射极404c的电压等于0，因此该集电极404b的电压等于0。由于三极管404的集电极404b与场效应管301的栅极301a连接，则此时该场效应管301的栅极301a的电压等于0。此时场效应管301断开。也即场效应管301的漏极301b与源极301c之间断开。高压电源输出的电流依次流经二极管101以及第一电阻102后，分为两路，一路电流流向超声波换能器的第一端，另一路电流流经电感202后流向超声波换能器的第二端。此时，超声波换能器接通该高压电源，该超声波换能器能够存储电能。当输入的脉冲信号为低电平信号时，三极管404处于放大状态。在此情况下，场效应管303的栅极301a的获得低压电源提供的电压，该场效应管303的栅极301a和源极301c之间的电压超过场效应管303的开启电压，从而使得场效应管303的漏极301b和源极301c之间导通。高压电源输出的电流依次流经二极管101、第一电阻102以及电感202后，由场效应管301的漏极301b流向场效应管301的源极301c，直至流到接地端。此时，超声波换能器被电感202短路。超声波换能器与高压电源断开，该超声波换能器能够释放存储的电能，将电能转换为机械能，使得能够推动空气振动，从而产生超声波。由于输入的脉冲信号为高低电平交替变化的信号，使得场效应管在导通和断开之间不断切换，从而使得超声波换能器不断存储电能和释放电能，进而实现超声波换能器处于工作状态。
[0078]
本技术实施例提供的上述方式，通过包含三极管的控制电路来控制场效应管的通断，从而控制超声波换能器进行工作，当三极管的基极存在一个较小的电流时，该三极管的集电极会产生一个较大的电流，由于三极管的集电极与场效应管的栅极连接，使得能够通过较大的电流驱动该场效应管，从而能够快速导通该场效应管，还能够减少该场效应管的
开关损耗。
[0079]
需要说明的是，该超声波换能器的驱动电路还能够连接在负载电路50的两端，该负载电路50包括并联的多个超声波换能器，该多个超声波换能器的参数相同。该超声波换能器的驱动电路能够用于驱动该负载电路50。其中，多个指的是两个或两个以上。例如，该负载电路50包括并联的4个超声波换能器。图7是本技术实施例提供的另一种超声波换能器的驱动电路的示意图。参见图7，这4个超声波换能器并联，构成负载电路50。该负载电路50与该超声波换能器的驱动电路连接。该超声波换能器的驱动电路能够驱动这4个超声波换能器。这4个超声波换能器的参数相同，也即这4个超声波换能器的谐振频率和静态电容均相同。本技术基于这4个超声波换能器的谐振频率和静态电容，通过上述公式一，能够确定谐振电路20中的电容201和电感202的参数。其中，上述公式一中的cs指的是一个超声波换能器的静态电容，f0指出的是一个超声波换能器的谐振频率。
[0080]
本技术实施例提供的超声波换能器的驱动电路，通过在超声波换能器驱动电路中设置谐振电路，能够使超声波换能器工作在谐振频率，从而使得超声波换能器更稳定、效率更高。
[0081]
本技术实施例提供的超声波换能器的驱动电路能够应用于多种场景。例如，该超声波换能器的驱动电路能够应用于垂直电梯或者自动扶梯中。在应用于垂直电梯中时，该驱动电路能够驱动垂直电梯中的超声波换能器工作，使得超声波换能器能够将电信号转换为机械振动，从而推动空气振动产生超声波，进而通过该超声波检测电梯门处是否有障碍物。该障碍物可以是行人或者其他物体。在确定无障碍物的情况下，该电梯门开始闭合。在电梯门闭合的过程中，该驱动电路依旧驱动电梯中的超声波换能器进行工作，当电梯门出现障碍物时，该电梯门停止闭合，以避免造成人员受伤或者电梯门损坏。在应用于自动扶梯中时，该驱动电路通过驱动自动扶梯中的超声波换能器，对自动扶梯入口处是否有行人进行检测。在自动扶梯入口处出现行人的情况下，将该自动扶梯由待机状态切换为工作状态；在自动扶梯入口处未出现行人，且该自动扶梯上无行人的情况下，将该自动扶梯由工作状态切换为待机状态，从而能够减少自动扶梯的运行消耗。由于本技术提供的驱动电路能够使超声波换能器工作在谐振频率，从而使得超声波换能器更稳定、效率更高，通过驱动电路驱动超声波换能器，来对障碍物进行探测，能够提高电梯的安全与稳定，同时该驱动电路结构简单，还能够节约电梯的成本。
[0082]
另外，该超声波换能器的驱动电路还能够应用于车辆中，通过驱动车辆中的超声波换能器，对该车辆与其他车辆或者障碍物之间的距离进行测量，从而避免车辆追尾或者倒车相撞等事故发生；或者，该超声波换能器的驱动电路还能够应用于智能机器人中，通过驱动该智能机器人中的超声波换能器，对该智能机器人周围的物体进行测距以及成像，从而实现该智能机器人在空间中自由行走，在此不在详细赘述。
[0083]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0084]
以上所述仅为本技术的可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。