一种压电换能器波形调制方法、装置及设备

本发明涉及超声检测、超声电子系统设计领域，尤其涉及一种压电换能器波形调制方法、装置及设备。

背景技术：

1、超声压电换能器有几种常用的激发方式：尖脉冲、方波、方波脉冲串。

2、尖脉冲发射的优点是发射电路设计实现简单，比如使用简单的三极管雪崩电路就可以实现；驱动控制接口相对简单，只需要1个触发信号；同时功耗也较低；但尖脉冲发射的缺点是其发射效率低。

3、方波发射的优点是通过设置方波脉宽与超声压电换能器频率相匹配可以实现较高的发射效率，但方波发射也有其缺点，与尖脉冲发射电路相比，方波发射电路设计较为复杂，需要桥式或者半桥式的功率电路；驱动控制也相对复杂，至少需要2个逻辑控制信号才能实现对波形的良好控制；与尖脉冲发射方式相比其功耗较高。

4、方波脉冲串发射的方式是在方波发射方式基础上，增加方波个数，进一步提高发射能量，其缺点和优点与方波发射类似。

5、中国专利数据库中公布了“超声相控阵高压超窄脉冲发射激励电路及其方法”的中国发明专利(专利号cn202211239634.3；公开日2022年12月23日)，提出了一种超声相控阵高压超窄脉冲发射激励电路及其方法，包括控制逻辑模块、发射控制电路、控制单元模块和发射单元模块；控制逻辑模块与控制单元模块连接，发射控制电路与控制单元模块连接，控制单元模块与发射单元模块连接，发射单元模块在控制单元模块的作用下产生高电压窄脉冲信号，发射单元模块与相控阵探头连接，该发明提供的电路，应用于超声换能器激励中，该超声换能器激励发射电路，可配合常规超声换能器或超声相控阵探头进行使用；可以产生电压200v以上负脉冲，脉冲下降沿可以达到8ns以内；可以通过设置不同的fpga参数调整发射电压均匀性；使得各个通道发射电压一致性可校准；该发明专利提出了一种窄脉冲的发射电路，但并未涉及到窄脉冲信号如何调制压电换能器波形的方法描述。

6、中国专利数据库中公布了“单探头超声测距电路及装置”的中国发明专利(专利号cn202310871312.9；公告日2023年10月24日)；这篇专利提供了一种单探头超声测距电路及装置，包括：发射驱动电路和前置接收电路；所述发射驱动电路包括h桥驱动电路以及隔离二极管，所述h桥驱动电路与超声探头s1的正负极电连接，所述隔离二极管串联设置在所述h桥驱动电路与超声探头s1正负极之间；所述h桥驱动电路的正极连接驱动电压，所述h桥驱动电路的负极接地，超声探头s1发射脉冲结束时通过所述h桥驱动电路负极接地；所述前置接收电路与超声探头s1的正负极电连接。该专利提供的h桥直接驱动超声探头收发切换的电路，可以克服发射高压对高灵敏度接收电路的影响，但是h桥的控制相对比较复杂，且并未涉及到如何调制压电换能器波形的方法描述。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种压电换能器波形调制方法，使用这种方法搭建超声发射电路系统，具备设计实现简单、功耗低、接口简单的优点；同时，通过对基础信号元(宽带尖脉冲信号)数量和延时值的设定，可以对压电换能器信号进行有目的的调制，比如提高激励压电换能器的效率从而提高系统的灵敏度，比如可以抑制换能器的尾震从而提高系统的纵向分辨率。

2、第一方面，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、步骤一：产生第一脉冲序列，激励压电换能器产生超声波信号；

4、步骤二：在第一脉冲序列结束后，延迟ts时间后，产生第二脉冲序列，激励压电换能器产生消除尾震的超声波信号。

5、进一步地，第一脉冲序列包含至少一个基础信号元，第二脉冲序列包含零、一或多个基础信号元，其中，基础信号元为宽带尖脉冲信号。

6、进一步地，第二脉冲序列的基础信号元的脉冲间隔与第一脉冲序列的基础信号元的脉冲间隔相同，为压电换能器的谐振周期。

7、进一步地，第二脉冲序列的第一个基础信号元与第一脉冲序列的最后一个基础信号元之间的时间延时为压电换能器的谐振周期的一半。

8、进一步地，第一脉冲序列包含的基础信号元个数可以自由设定；第二脉冲序列包含的基础信号元个数可以自由设定；第一脉冲序列包含的基础信号元的脉冲间隔可以自由设定；第二脉冲序列包含的基础信号元的脉冲间隔可以自由设定；第一脉冲序列与第二脉冲序列之间的脉冲间隔ts可以自由设定。

9、第二方面，本发明提供了一种压电换能器波形调制装置，包括：

10、时序控制器，尖脉冲发生器，压电换能器；其中时序控制器的输出端与尖脉冲发生器的输入端相连；尖脉冲发生器的输出端与压电换能器的输入端相连；时序控制器负责产生触发信号序列，尖脉冲发生器负责产生激励压电换能器的宽带尖脉冲序列，压电换能器在宽带尖脉冲序列的激励下产生超声波信号。

11、进一步地，时序控制器选用fpga数字电路实现，使用硬件描述语言编程实现fpga输出的触发信号序列；尖脉冲发生器由三极管的雪崩电路配合电容的放电电路实现；压电换能器为pzt5材质的压电换能器。

12、本发明的有益效果：本发明提出了一种压电换能器波形调制方法、装置及设备，使用的基础信号元是宽带尖脉冲，相比于现有技术的方波脉冲串激励方式，具备设计实现简单、功耗低、接口控制简单的优点；由于本发明采用的宽带尖脉冲占空比低，因此在同等发射电压下，本发明的搭建的超声发射电路系统功耗明显降低；相比于单一尖脉冲或者单一方波激励的方式，本发明还可以通过对基础信号元数量和延时值的设定，对压电换能器进行有目的的调制：通过信号的同相合成多次激励压电换能器，提高激励效率从而提高系统的灵敏度；通过信号的反相合成抑制换能器的尾震从而提高系统的纵向分辨率。

技术特征：

1.一种压电换能器波形调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在第一脉冲序列结束后，延迟ts时间后，产生第二脉冲序列具体包括：

6.一种压电换能器波形调制装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，包括：

9.一种计算设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的指令，以执行权利要求1-5中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括计算机程序指令，当所述计算机程序指令由计算设备执行时，所述计算设备执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及超声检测、超声电子系统设计领域，尤其涉及一种压电换能器波形调制方法、装置及设备。该方法包括：产生第一脉冲序列，激励压电换能器产生超声波信号；在第一脉冲序列结束后，延迟T<subgt;S</subgt;时间后，产生第二脉冲序列，激励压电换能器产生消除尾震的超声波信号；第一脉冲序列包含至少一个基础信号元，第二脉冲序列包含零、一或多个基础信号元，基础信号元为宽带尖脉冲信号；通过对基础信号元数量和延时值的设定，对压电换能器进行有目的的调制。

技术研发人员：吴先梅,冷涛
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22