一种超声波声压和频率测量电路的制作方法

本发明属于纳米材料制备领域，涉及一种测量电路，具体涉及一种测量液体中超声波声压和频率的电路。

背景技术：

近年来，超声波因其操作简单、周期短、效率高等优点已在纳米材料的制备领域受到重视。纳米技术的快速发展使超声波在纳米材料制备方面具有诱人的应用前景。在应用超声波制备纳米材料的过程中一般是同时利用超声波的能量特性和频率特性。具体而言，这种能量和频率特性在制备过程中，可以表现为高温分解作用、剪切破碎作用等。这些作用施加于固液表面时对固体表面的形态、组成、结构以及化学反应活性等产生影响，从而达到制备纳米材料的目的。

超声声场，是指有超声波在其中传播的那部分媒质范围，即超声波存在的弹性媒质所占有的空间。在声场中，能量特性表现为超声波的声压，频率特性表现为超声波的频率，鉴于声场中声压和频率对于衡量超声系统性能的重要意义，在纳米材料制备领域中要对声压和频率进行准确的测量。

液体中超声波的作用机理较为复杂,高频声波结合足够高的能量能产生空化效应，空化气泡会在瞬间产生局部高温高压环境。在这样的声场环境中测量声压和频率是一个比较复杂的难题，当前还没有完全成熟的测量方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种超声波声压和频率测量电路，通过控制超声波传感器的收发状态，尽可能准确的对超声波声压和频率进行测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声波声压测量电路，包括发射电路模块和接收电路模块。

所述的发射电路模块，包括六反相器芯片U1、时基电路芯片U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、可变电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2和信号发射传感器LS1；所述的时基电路芯片U2的型号为NE555；六反相器芯片U1的型号是CD4069；

所述的第一电阻R1的一端与第三电阻R3的一端、第一二极管D1的正端、时基电路芯片U2的第七引脚DISC连接，第一电阻R1的另一端与时基电路芯片U2的第四引脚RST、时基电路芯片U2的第八引脚VCC连接并接电源VCC，第三电阻R3的另一端与第二二极管D2的负端相连，第一二极管D1的负端与第二二极管D2的正端、可变电阻R5的固定端连接；时基电路芯片U2的第六引脚THR与第二引脚TRIG、可变电阻R5的活动端、第二电容C2的一端连接，时基电路芯片U2的第五引脚CVOLT与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与第二电容C2的另一端、时基电路芯片U2的第一引脚GND、第六电阻R6的一端连接并接地GND，第六电阻R6的另一端与时基电路芯片U2的第三引脚OUT、六反相器U1的1脚连接，六反相器U1的2脚与六反相器U1的3脚、六反相器U1的13脚、六反相器U1的11脚链接，六反相器U1的4脚与六反相器U1的5脚、六反相器U1的9脚链接，六反相器U1的7脚与地GND链接，六反相器U1的14脚与电源VCC链接,六反相器U1的12脚与六反相器U1的10脚、第二电阻R2的一端、信号发射传感器LS1的一端连接，六反相器U1的6脚与六反相器U1的8脚、第四电阻R4的一端、信号发射传感器LS1的另一端连接，第二电阻R2的另一端接+5V电源，第四电阻R4的另一端接-5V电源；

所述的接收电路模块，包括信号接收传感器LS2、双运算放大器U4、四运算放大器U3、第三二极管D3、第四二极管D4、第七电阻R7、第八电阻R8、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、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、可调电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第二十七电阻R27、第二十八电阻R28、第二十九电阻R29、第三十电阻R30、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14和第十五电容C15；所述的双运算放大器U4包括第一运算放大器U4A和第二运算放大器U4B；四运算放大器U3包括第三运算放大器U3A、第四运算放大器U3B、第五运算放大器U3C第六运算放大器U3D；双运算放大器U4的型号是LM358，所述四运算放大器U3的型号是LM324；

所述的信号接收传感器LS2的一端接地，另一端与第八电阻R8的一端相连，第八电阻R8的另一端与第七电容C7相连,第七电容C7的另一端与第十二电阻R12的一端、第六电容C6的一端、第二运算放大器U4B的反相输入端连接，第二十电阻R20的一端与电源VCC连接，第二十电阻R20的另一端与第二十四电阻R24的一端、第十二电容C12的一端、第二运算放大器U4B的正相输入端连接，第二十四电阻R24的另一端与第十二电容C12的另一端连接并接地，第十二电阻R12的另一端与第六电容C6的另一端、第二运算放大器U4B的输出端、第十电阻R10的一端、第二十五电阻R25的一端连接，第十电阻R10的另一端与第三运算放大器U3A的反相输入端、第三二极管D3的负端、第十八电阻R18的一端、第九电容C9的一端相连，第三运算放大器U3A的输出端与第三二极管D3正端、第四二极管D4的负端、第十一电阻R11的一端、第二十一电阻R21的一端连接，第三运算放大器U3A的正相输入端与地GND连接，第三运算放大器U3A的正电源端与+5V相接，第三运算放大器U3A的负电源端与-5V连接，第四二极管D4的正端与第十八电阻R18的另一端、第九电容C9的另一端连接，第十一电阻R11的另一端与第七电阻R7的一端、第三电容C3的一端、第四运算放大器U3B的反相输入连接，第四运算放大器U3B的正相输入端与第十四电阻R14的一端相接，第十四电阻R14的另一端与地GND相接，第四运算放大器U3B的输出与第七电阻R7的另一端、第三电容C3的另一端、第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端分与第四电容C4的一端、第五电容C5的一端、第十五电阻R15的一端相接，第十五电阻R15的另一端接地，第九电阻R9的一端与第五电容C5的另一端、第一运算放大器U4A的反相输入端连接，第一运算放大器U4A的正电源端与+5V相接、第一运算放大器U4A的负电源端与-5V相接，第十六电阻R16的一端与电源VCC相连，第十六电阻R16的另一端与第十七电阻R17的一端、第八电容C8的一端、第一运算放大器U4A的正相输入端连接，第十七电阻R17的另一端与第八电容C8的另一端连接后与地连接。第四电容C4的另一端与第九电阻R9的另一端、第一运算放大器U4A的输出端连接后输出频率测量信号FREQ。第二十一电阻R21的另一端和第六运算放大器U3D的反相输入端、第二十五电阻R25的另一端、第二十三电阻R23的一端、第十一电容C11的一端连接，第六运算放大器U3D的正相输入端与第三十电阻R30的一端连接，第三十电阻R30的另一端与地相接，第六运算放大器U3D的输出端与第二十三电阻R23的另一端、第十一电容C11的另一端、第二十九电阻R29的一端连接，第二十九电阻R29的另一端与第五运算放大器U3C的正相输入连接，第五运算放大器U3C的负相输入与可调电阻R19的活动端、第二十二电阻R22的一端、第十电容C10的一端连，可调电阻R19的的另一端与地连，第五运算放大器U3C的输出端与第二十六电阻R26的一端、第二十二电阻R22的另一端、第十电容C10的另一端连接，第二十六电阻R26的另一端第二十七电阻R27的一端、第十三电容C13的一端连接，第二十七电阻R27的另一端分别与第二十八电阻R28一端、第十四电容C14的一端相接，第十三电容C13的另一端分别与第十四电容C14的另一端、第十五电容C15的一端连接后与地GND连接，第二十八电阻R28的另一端与第十五电容C15的另一端连接并作为声压测量信号的输出V_DC。

本发明所述的声压和频率测量电路具有的有益效果为：发射电路简单可靠，容易实现；发射频率可根据需要调整；通过硬件实现波形产生，无需编程，开发难度降低。接收电路模块的待测声压范围可以根据实际需要通过电位器调节；接收电路可以配合发射电路一起工作也可以单独工作，工作方式灵活；采用的元器成本低廉，来源丰富，集成度高，使用两片运算放大器芯片实现半波频率测量和声压的准确测量，大大降低成本和功耗；拥有硬件加窗电路，测量信号经过滤波电路后，滤除有害高频成分，改善信噪比，为A/D转换提供良好信号。

附图说明

图1为本发明的发射电路模块示意图；

图2为本发明的接收电路模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的超声波声压和频率测量电路技术方案的具体实施方式做进一步说明。

一种超声波声压和频率测量电路，包括发射电路模块、和接收电路模块。

如图1所示，发射电路模块中，由NE555时基集成芯片构成多谐振荡电路，整个电路工作在单稳态模式。第二电容C2充电时通过第一电阻R1和可调电阻R5充电，放电时通过可调电阻R5放电，通过调节第一电阻R1、第二电容C2和可调电阻R5的数值实现20KKHz到300KHz不同频率的信号产生，输出信号加载到六反相器U1的一个反相器的输入端口上，经过反相后分成两部分，一部分通过两个并联反相器，另一部分先经过反相再通过两个并联反相器，以推挽的形式利用多个反相器，多级递增来完成信号的放大，进而驱动超声波信号发射传感器LS1。

如图2所示，接收电路模块中，声压信号通过超声波信号接收传感器LS2接收到，送进第二运算放大器U4B部分处理，这部分电路实现原始信号的低通滤波处理功能，该电路通带内的电压放大倍数为第一电阻R1除以第二电阻R2，通过设置第十二电阻R12和第六电容C6的值来调节低通滤波电路的截止频率的大小。第三运算放大器U3A部分，第十电阻R10和第十八电阻R18选取相同值，第三二极管D3和第四二极管D4实现信号的反向截至，阻止正向信号通过。当信号输入信号经过第三运算放大器U3A部分输出时信号保留负半周期信号。第四运算放大器U3B部分，第十一电阻R11和第七电阻R7选取相同值，第四运算放大器U3B部分输出时，信号被反相，实现半波信号输出。第一运算放大器U4A部分，实现的是一个多路负反馈二阶有源带通滤波器，第四电容C4和第五电容C5选取相同值，结合第九电阻R9、第十三电阻R13和第十五电阻R15可以调节截止频率上限和截止频率下限，具有非常很强的频率选择性，实现信号的加窗处理，大大减少测量信号的损失，输出准确的频率测量信号。第六运算放大器U3D部分，第二十五电阻R25选取第三十电阻R30的一半值，第三十电阻R30和第二十九电阻R29选取相同值，输入信号经过第二十五电阻R25和第二十一电阻R21的输出实现信号叠加，第二十五电阻R25和第二十三电阻R23以及第六运算放大器U3D的反相实现信号的放大和反相。第五运算放大器U3C部分，第二十九电阻R29和可调电阻R19选取相同值，第二十二电阻R22选取第二十九电阻R29的十分之一，信号由第二十九电阻R29经过放大器U1C输出实现信号的放大，通过可调电阻R19可以调节输出信号的放大倍数。最后第二十六电阻R26和第十三电容C13、第二十七电阻R27和第十二电容C14、第二十八电阻R28和第十五电容C15构成滤波电路，去除运算放大器产生的噪声，改善输出信号的信噪比，为A/D转换提供优良信号。

测量超声波声压和频率时，传统的测量方法只有接收电路，本发明创新性的加入发射电路。接收电路既可以配合发射电路一起工作，也可以独立出来单独工作。接收电路配合发射电路一起工作时，声压和频率信号输出端测量到数据中包含有已知的固定的声压和频率信息；通过对比接收电路独立出来单独工作时声压和频率信号输出端测量到数据，以及对比接收发射电路一起工作时发射电路的不同频率，便可以得到精确的声压和频率数据。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳的实施例对本发明进行了详细说明，那些对本发明的技术方案进行的修改或者同等替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。