一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置和方法，其中，所述减小超声波换能器工作盲区的发射装置包括控制模块、推挽电路模块和换能器，控制模块连接推挽电路模块，用于发送控制信号给推挽电路模块，推挽电路模块连接换能器，用于发送脉冲驱动信号驱动换能器产生超声波；所述控制模块还与所述换能器连接，用于根据换能器发出超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出控制信号给推挽电路模块。因此，本发明的超声波发射装置能够动态调整换能器的工作状态，快速驱动或者衰减换能器，减小超声波换能器工作盲区。
【专利说明】一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声波测量【技术领域】，特别是涉及一种减小超声波换能器工作盲区的 发射装置与方法。
【背景技术】
[0002] 随着超声技术的不断拓展应用，超声技术广泛应用于医学、工业等各个领域。通过 超声波来实现流量监测，液位检测，油位监测也日趋成熟，具有测量精度高、量程宽、可靠性 好等优点。在利用超声波进行流量和物体位置测量时，使用电脉冲激发超声波换能器，使其 发出超声波激发信号，超声波信号在介质中传播，遇到不同界面（如水、油和空气的界面） 反射回换能器，返回的超声波信号统称为回波信号，利用超声波激发信号与超声波回波信 号的传播时间进行流量或物体位置测量。
[0003] 然而超声波换能器工作盲区是通过超声波来实现流量监测或位置检测的障碍。电 脉冲信号引发换能器内部能量转换元件产生同频率共振，从而激发超声波激发信号。但当 激发电脉冲消失之后，由于激发时所残留的能力，超声波内部能量转换元件仍将持续振动 (自由衰减振荡），直至残留能量消耗完为止。若在超声波换能器余震幅度仍大于超声波回 波信号的最大幅度时达到，则超声波回波信号将被淹没，无法识别，使得测量失败。一般将 超声波换能器自由衰减振荡开始至余震幅值减小至超声波回波信号的最大副值相等时的 时间称之为超声波换能器的工作盲区。
[0004] 专利申请号为CN201210238866的文献公开了一种基于余震能量控制减小超声波 换能器工作盲区的方法，其通过连接电容电感形式硬件实现消除余震能量，此方法中硬件 中各元件不可调整，无法适用于不同超声波换能器的工作盲区。
[0005] 因此，如何能够不改变硬件连接的基础上，动态调整换能器，从而减小超声波换能 器工作盲区，成为本领域技术人员亟需解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种动态调整换能器的超声波发射装置和方法，动态调整换 能器的工作状态，快速驱动或者衰减换能器，减小超声波换能器工作盲区。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置， 包括控制模块、推挽电路模块和换能器，控制模块连接推挽电路模块，用于发送控制信号给 推挽电路模块，推挽电路模块连接换能器，用于发送脉冲驱动信号驱动换能器产生超声波； 所述控制模块还与所述换能器连接，用于根据换能器发出超声波信号及接收相应回波信号 之间的时间差确定待测距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出控制信号给推挽电路 模块。
[0008] 优选的，所述减小超声波换能器工作盲区的发射装置还包括阻抗匹配模块，阻抗 匹配模块与所述控制模块、换能器相连，所述阻抗匹配模块可根据控制模块发出的阻抗匹 配控制信号调整自身阻抗大小。
[0009] 优选的，所述控制模块发出控制信号包括驱动脉冲相位、驱动脉冲宽度和驱动间 隔周期三个参数，使推挽电路模块按预定的次序发出脉冲驱动信号。
[0010] 优选的，所述控制模块控制推挽电路模块周期性的依次产生正向窄脉冲信号、正 向宽脉冲信号和反相窄脉冲信号。
[0011] 优选的，所述推挽电路模块采用三极管两级推挽方式。
[0012] 优选的，所述阻抗匹配电路包括：并联的三个支路，其中第一支路上设置有锁相鉴 频模块，第二支路上设置有可调容抗模块，第三支路上设置有第一电容。
[0013] 优选的，所述阻抗匹配电路还包括设置在所述可调容抗模块与所述第一电容之间 的滤波电路，所述滤波电路包括并联的第二电容与电阻。
[0014] 本发明还提供一种减小超声波换能器工作盲区的方法，包括：控制模块发送控制 信号给推挽电路模块；推挽电路模块依据控制信号产生脉冲驱动信号驱动换能器产生超声 波；根据换能器发出超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小， 控制模块根据所述待测距离的大小发出控制信号给推挽电路模块。
[0015] 优选的，所述控制信号为包括驱动脉冲相位、驱动脉冲宽度和驱动间隔周期三个 参数，使推挽电路模块按预定的次序发出脉冲驱动信号。
[0016] 优选的，所述控制模块还根据所述待测距离的大小发出阻抗匹配控制信号；阻抗 匹配电路根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小。
[0017] 本发明提供的一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置与方法根据实际测量 距离，控制模块调整控制信号，使推挽电路模块2按预定的次序发出脉冲驱动信号来驱动 换能器，减小超声波换能器的工作盲区。控制模块1通过推挽电路模块2调整驱动信号的 驱动脉冲相位、驱动脉冲宽度和驱动间隔周期，动态调整换能器的工作状态，快速驱动或者 衰减换能器。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明提供的一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置的第一实施例 原理框图；
[0019] 图2为现有技术中脉冲激励波形与本发明提供的一种减小超声波换能器工作盲 区的发射装置的产生的控制信号脉冲激励波形比较示意图；
[0020] 图3为现有技术中换能器余震频率衰减与本发明提供的一种减小超声波换能器 工作盲区的发射装置的中换能器余震频率衰减比较示意图；
[0021] 图4为本发明提供的一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置的第二实施例 原理框图；
[0022] 图5为本发明提供的一种推挽电路模块的电路结构图；
[0023] 图6为本发明提供的一种阻抗匹配模块的电路结构图；
[0024] 图7为本发明一种减小超声波换能器工作盲区方法的流程图。
【具体实施方式】
[0025] 为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明 作进一步的详细说明。
[0026] 参见图1，图1为本发明提供的一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置的第 一实施例原理框图。
[0027] 本发明提供了一种超声波发射装置，包括控制模块1、推挽电路模块2和换能器3， 控制模块1连接推挽电路模块2,用于发送控制信号给推挽电路模块2,推挽电路模块2连 接换能器3,用于发送脉冲驱动信号驱动换能器3产生超声波；所述控制模块1还与所述换 能器3连接，用于根据换能器3发出超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待 测距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出控制信号给推挽电路模块2。
[0028] 参见图2和图3,图2为现有技术中脉冲激励波形与本发明提供的一种减小超声波 换能器工作盲区的发射装置的产生的控制信号脉冲激励波形比较示意图；图3为现有技术 中换能器余震频率衰减与本发明提供的一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置的中 换能器余震频率衰减比较示意图。
[0029] 具体如图2a和图3a所示，一般来说，现有技术中连续发送等脉冲宽度、等驱动间 隔周期的同方向的若干个控制信号脉冲驱动超声波换能器工作，超声波换能器则产生较长 的余震，若测量距离较小则不可避免的存在工作盲区。为解决上述技术问题，控制模块1可 在首次上电后，通过推挽电路模块2驱动换能器3产生超声波，并根据换能器3发出超声波 信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，并根据所述待测距离的大小 调整控制信号的驱动脉冲相位、驱动脉冲宽度和驱动间隔周期三个参数，使推挽电路模块2 按预定的次序发出脉冲驱动信号。通过控制模块1调整控制信号的驱动脉冲相位、驱动脉 冲宽度和驱动间隔周期，可实现动态的调整换能器3的工作状态，快速驱动或者衰减换能 器。
[0030] 在进一步的方案中，具体如图2b和图3b所示，控制模块1控制推挽电路模块2周 期性的依次产生正向窄脉冲信号、正向宽脉冲信号和反相窄脉冲信号。即控制模块1通过 推挽电路模块2先发送正向窄脉冲信号驱动换能器3谐振，然后利用正向宽脉冲信号驱动 换能器3工作，测量工作完毕后，控制模块1通过推挽电路模块2发送反相窄脉冲信号驱动 换能器3,人为快速衰减换能器，换能器余震信号下降斜率加大，余震信号时间较短，迅速衰 减换能器余震。
[0031] 参见图4,图4为本发明提供的一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置的第 二实施例原理框图。
[0032] 第二实施例与第一实施例的区别在于，所述控制模块1还用于根据所述待测距离 的大小发出阻抗匹配控制信号。所述的一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置还包括 阻抗匹配模块4,阻抗匹配模块4与所述控制模块1、换能器3相连，所述阻抗匹配模块4可 根据控制模块1发出的阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小，进而调整所述超声波换能器 3 (其可以等效为电感-电阻-电容振荡电路）的谐振大小；所述阻抗匹配控制信号用于控 制所述阻抗匹配模块4的阻抗随着所述待测距离的变大而变大，相应地所述超声波换能器 3的谐振也变大，以及用于控制所述阻抗匹配模块4的阻抗随着所述待测距离的减小而减 小，相应地所述超声波换能器3的谐振也变小。通过在识别到待测距离接近盲区范围时，选 通阻抗匹配模块4,匹配超声波换能器阻抗，快速衰减探头余震。
[0033] 参见图5,图5为本发明提供的一种推挽电路模块的电路结构图。
[0034] 如图5所示，推挽电路模块3采用三极管两级推挽方式。控制模块1向推挽电路 模块2发送控制信号，控制信号经过双向可控硅开关元件选择流向驱动回路一或驱动回路 二。当装置首次上电时，控制信号经驱动回路一产生正向脉冲信号驱动超声波换能器，换能 器发出超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，控制模块根据 所述待测距离的大小发出控制信号给推挽电路模块。当待测距离较短时控制模块向推挽 电路模块发出控制信号，经驱动回路一产生正向窄脉冲信号驱动换能器谐振，然后控制模 块发出的控制信号经驱动回路一产生正向宽脉冲信号驱动换能器工作，测量工作完毕后， 控制模块发出控制信号经驱动回路二产生反相窄脉冲信号驱动换能器，人为快速衰减换能 器。图5是推挽电路模块的具体电路结构图，其作用过程及原理与上述实施例中推挽电路 模块2所述一样，不再赘述。
[0035] 参见图6,图6为本发明提供的一种阻抗匹配模块的电路结构图。
[0036] 阻抗匹配模块包括：并联的三个支路，其中第一支路上设置有锁相鉴频模块31， 第二支路上设置有可调容抗模块32,第三支路上设置有第一电容C1 ;该超声波换能器3等 效为电容C3与电阻R3的串联支路。此外，可调选配电子开关控制选通阻抗匹配模块，从硬 件方面快速衰减探头余震。
[0037] 参见图7,图7为本发明一种减小超声波换能器工作盲区方法的流程图。
[0038] 所述减小超声波换能器工作盲区方法包括：
[0039] S71控制模块发送控制信号给推挽电路模块；
[0040] S72推挽电路模块依据控制信号产生脉冲驱动信号驱动换能器产生超声波；
[0041] S73根据换能器发出超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离 的大小；
[0042] S74控制模块根据所述待测距离的大小发出控制信号给推挽电路模块。
[0043] 优选的，所述控制信号为包括驱动脉冲相位、驱动脉冲宽度和驱动间隔周期三个 参数。
[0044] S75推挽电路模块依据控制信号，调整脉冲驱动信号。
[0045] 本实施例中通过控制模块根据待测距离的大小的调整控制信号，动态的改变换能 器的工作状态，快速驱动或者衰减换能器，使得换能器余震衰减更快，减小超声波换能器的 工作盲区。
[0046] 在进一步的方案中，所述所述减小超声波换能器工作盲区方法还包括：
[0047] S76发出阻抗匹配控制信号；
[0048] S77阻抗匹配模块调整自身阻抗大小。
[0049] 阻抗匹配模块根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小，进而调整所述超声 波换能器的谐振大小；所述阻抗匹配控制信号用于控制所述阻抗匹配模块的阻抗随着所述 待测距离的变大而变大，以及用于控制所述阻抗匹配模块的阻抗随着所述待测距离的减小 而减小。从而匹配超声波换能器阻抗，快速衰减探头余震。
[0050] 以上对本发明所提供的一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置与方法进行 了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例 的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修 饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种减小超声波换能器工作盲区的发射装置，其特征在于，包括控制模块、推挽电路 模块和换能器，控制模块连接推挽电路模块，用于发送控制信号给推挽电路模块，推挽电路 模块连接换能器，用于发送脉冲驱动信号驱动换能器产生超声波；所述控制模块还与所述 换能器连接，用于根据换能器发出超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测 距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出控制信号给推挽电路模块。
2. 根据权利要求1所述的减小超声波换能器工作盲区的发射装置，其特征在于，还包 括阻抗匹配模块，阻抗匹配模块与所述控制模块、换能器相连，所述阻抗匹配模块可根据控 制模块发出的阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小。
3. 根据权利要求1所述的减小超声波换能器工作盲区的发射装置，其特征在于，所述 控制模块发出控制信号包括驱动脉冲相位、驱动脉冲宽度和驱动间隔周期三个参数，使推 挽电路模块按预定的次序发出脉冲驱动信号。
4. 根据权利要求3所述的减小超声波换能器工作盲区的发射装置，其特征在于，所述 控制模块控制推挽电路模块周期性的依次产生正向窄脉冲信号、正向宽脉冲信号和反相窄 脉冲信号。
5. 根据权利要求1至6任一项所述的减小超声波换能器工作盲区的发射装置，其特征 在于，所述推挽电路模块采用三极管两级推挽方式。
6. 根据权利要求2所述的减小超声波换能器工作盲区的发射装置，其特征在于，所述 阻抗匹配电路包括：并联的三个支路，其中第一支路上设置有锁相鉴频模块，第二支路上设 置有可调容抗模块，第三支路上设置有第一电容。
7. 根据权利要求8所述的减小超声波换能器工作盲区的发射装置，其特征在于，还包 括设置在所述可调容抗模块与所述第一电容之间的滤波电路，所述滤波电路包括并联的第 二电容与电阻。
8. -种减小超声波换能器工作盲区的方法，其特征在于，包括： 控制模块发送控制信号给推挽电路模块； 推挽电路模块依据控制信号产生脉冲驱动信号驱动换能器产生超声波； 根据换能器发出超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小， 控制模块根据所述待测距离的大小发出控制信号给推挽电路模块。
9. 根据权利要求8所述的减小超声波换能器工作盲区的方法，其特征在于，所述控制 信号为包括驱动脉冲相位、驱动脉冲宽度和驱动间隔周期三个参数，使推挽电路模块按预 定的次序发出脉冲驱动信号。
10. 根据权利要求8或9所述的减小超声波换能器工作盲区的方法，其特征在于，所述 控制模块还根据所述待测距离的大小发出阻抗匹配控制信号； 阻抗匹配电路根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小。
【文档编号】G01S15/06GK104154961SQ201410386630
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】何进, 黄小凤, 张斌 申请人:湖南三一智能控制设备有限公司