一种超声波探测设备的全波驱动电路的制作方法

本实用新型属于电子电路技术领域，尤其涉及一种超声波探测设备的全波驱动电路。

背景技术：

超声波探测设备是利用超声波作为探测源进行探测的设备。超声波探测设备的工作原理是利用超声波发射，通过被测物体的反射、回波接收后的时差来测量被测距离的，是一种非接触式测量仪器。超声波探测设备可以应用于材料清洗、医疗等多个领域。主要做材料清洗用途的超声波探测设备对输出的机械波只关注输出功率，不关心功率转换效率和输出波形的形状，并且从清洗的需要看，输出的机械波波形杂乱、频谱宽更有利于提高清洗效果。

如图1所示，现有超声波探测设备的驱动电路为单管驱动，线圈调谐，等于是半波输出，波形比较混乱，输出频谱较宽，电能机械能转化效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种输出波形状态好、电能机械能转化效率高的超声波探测设备用全波驱动电路。

为实现上述目的，本实用新型的超声波探测设备的全波驱动电路，包括：

直流电源；

升压电路，耦接于所述直流电源和储能电路，用于将所述直流电源提供的第一电压转换为第二电压，并向所述储能电路储存能量；其中，所述第二电压大于所述第一电压；

所述储能电路，耦接于所述升压电路和H桥驱动电路，用于向所述H桥驱动电路提供驱动能量；

所述H桥驱动电路，耦接于所述储能电路和调谐电路，用于向所述调谐电路提供双向驱动；以及

所述调谐电路，耦接于所述H桥驱动电路和负载，用于对所述H桥驱动电路提供的驱动波形进行调谐并向所述负载输出正弦波。

进一步，所述储能电路包括：

充电限流电阻，包括第一端和第二端，所述充电限流电阻的所述第一端耦接于所述升压电路；

驱动限流电阻，包括第一端和第二端，所述驱动限流电阻的所述第一端耦接于所述充电限流电阻的所述第二端，所述驱动限流电阻的所述第二端耦接于所述H桥驱动电路；以及

储能电容，包括第一端和第二端，所述储能电容的所述第一端耦接于所述充电限流电阻的所述第二端和所述驱动限流电阻的所述第一端，所述储能电容的所述第二端耦接于接地端。

进一步，所述H桥驱动电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管，所述第一晶体管、所述第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管耦接形成所述H桥驱动电路。

进一步，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管的控制端耦接于外部逻辑电路，通过所述外部逻辑电路向所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管输出驱动信号。

进一步，所述调谐电路包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈耦接于所述H桥驱动电路，所述次级线圈耦接于所述负载。

进一步，所述第一晶体管的第一端和所述第二晶体管的第一端耦接于所述储能电路的输出端，所述第三晶体管的第二端和所述第四晶体管的第二端耦接于接地端，所述第三晶体管的第一端和所述第一晶体管的第二端耦接于所述初级线圈的一端，所述第四晶体管的第一端和所述第二晶体管的第二端耦接于所述初级线圈的另一端。

进一步，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管为P型MOS管、N型MOS管或三极管。

本实用新型的超声波探测设备的全波驱动电路可以向负载输出波形状态完美的正弦波形，并且电能机械能的转化效率高，能够满足超声波探测设备的探测需求。

附图说明

图1为现有技术的超声波探头驱动电路的示意图；

图2为图1中超声波探头驱动电路所输出信号的波形示意图；

图3为本实用新型一实施例的超声波探测设备的全波驱动电路的示意图；

图4为图3中超声波探测设备的驱动电路所输出信号的波形示意图；

图5为图3的全波驱动电路中一实施例的升压电路的电路图；

图6为图3的全波驱动电路中一实施例的H桥驱动电路和调谐电路的电路图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

图1为现有技术的超声波探头驱动电路的示意图。如图1所示，超声波探头驱动电路，包括直流电源、晶体管T_S1、调谐电路和负载11，驱动电路的振荡采用自激式，晶体管T_S1的控制端接入调谐电路10输出的正反馈信号，晶体管T_S1的一端接地，晶体管T_S1的另一端连接调谐电路10中变压器的初级线圈L_S1、变压器的次级线圈L_S2耦接负载11，将调谐电路10调谐后的输出信号输出。图2为图1中超声波探头驱动电路所输出信号的波形示意图。从图中可以看出输出信号为半波输出，波形比较混乱，且输出频谱较宽，其并不符合超声波探测设备的波形输出需要，会影响超声波探测设备的探测精度及探测效率，因此上述驱动电路并不适用于高精度、低功耗的超声波探测设备。

此外，图1中的驱动电路除了具有以上所指出的问题之外，图1中的驱动电路往往还存在如下问题：

1、输出大功率时需要大功率电源驱动，大功率电源的自身常态耗能较多，常态功耗实测5W以上。

2、输出电路调谐麻烦，由于超声探头的谐振点不可能完全一致，每一个探头搭配电路都需要重新调谐，调谐效果也不好，不能谐振就很难保证电能到机械能的转化效率。

3、不能调谐机械波输出的能力频谱较宽实测有效频谱面积8KHz左右，实际有效频谱内的输出功率占比20％。

4、采用自激反馈振动起震，起震到输出峰值时间长，实测起振时间大约四百毫秒。

针对现有技术存在的上述问题，本申请的发明人研制出了一种输出波形状态好、电能机械能转化效率高的超声波探测设备用全波驱动电路。

图3为本实用新型一实施例的超声波探测设备的全波驱动电路的示意图。如图3所示，本实用新型的超声波探测设备的全波驱动电路，包括直流电源(未示出)、升压电路20、储能电路21、H桥驱动电路22和调谐电路23。

升压电路20的输入端耦接于直流电源，升压电路20的输出端耦接于储能电路21，用于将直流电源提供的第一电压U_S升压为第二电压U₀，并向所述储能电路21中的储能电容C1储存能量。其中，所述第二电压U₀大于所述第一电压U_S。升压电路20可以采用小电流高效率开关电路可以减小常态功耗到20mW以下，例如，开关式电路把12V直流提升到200V，后接大容量储能电容，使用限流电阻后，常态供电电源充电电流降低到20mA输出功率0.24W，每一分钟输出100毫秒，储能输出比为1：600，信号驱动能能力达到了144W。图5示出了一种升压电路的具体实例电路图，但本实用新型所采用的升压电路并不局限于此，现有技术中常规的升压电路在此均可应用。

储能电路21耦接于升压电路20和H桥驱动电路22，用于向所述H桥驱动电路22提供驱动能量。储能电路21包括充电限流电阻R1、驱动限流电阻R2和储能电容C1。充电限流电阻R1的一端与升压电路20的输出连接，充电限流电阻R1的另一端分别与驱动限流电阻R2和储能电容C1的一端连接。储能电容C1的另一端接地，驱动限流电阻R2的另一端与H桥驱动电路的输入连接。储能电容C1将升压电路20输出的能量储存以驱动与之相连的H桥驱动电路22，出于安全方面考虑分别设置了充电限流电阻R1和驱动限流电阻R2。

H桥驱动电路22的输入端耦接于储能电路21，H桥驱动电路22的输出端耦接于调谐电路23，用于向所述调谐电路23提供双向驱动。H桥驱动电路22包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4。第一晶体管M1的漏极和第二晶体管M2的漏极耦接于所述储能电路21的输出端，所述第三晶体管M3的源极和所述第四晶体管M4的源极接地，所述第三晶体管M3的漏极和所述第一晶体管M1的源极耦接于调谐电路23中初级线圈L1的第一端，所述第四晶体管M4的漏极和所述第二晶体管M2的源极耦接于初级线圈L1的第二端。第一晶体管M1、所述第二晶体管M2、所述第三晶体管M3和所述第四晶体管M4的栅极耦接于外部逻辑电路，通过外部逻辑电路(图中未示出)向第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4输出驱动信号。当外部逻辑电路输出的驱动信号控制第一晶体管M1和第四晶体管M4闭合，第二晶体管M2和第三晶体管M3断开，电流沿一方向流过初级线圈L1，当外部逻辑电路输出的驱动信号控制第一晶体管M1和第四晶体管M4断开，第二晶体管M2和第三晶体管M3闭合，电流可以沿反方向流过初级线圈L1，以提供双向驱动。

本实施例中以第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4为P型MOS管为例进行说明，但本实用新型并不局限于此，也可以采用N型MOS管或三极管等替代。本实施例中H桥驱动电路的振荡采用他激方式，驱动波形瞬间达到峰值输出有效缩短了输出驱动时间。输出波形只需要持续100毫秒，频谱输出抖动±100Hz，可用频谱100％。然而，在不考虑波形输出驱动时间的情况下，H桥驱动电路的振荡也可以采用自激方式，本实用新型并不以此为限制。

H桥驱动电路可以采用扫频输出峰值校验的方式自动确认系统谐振频点，驱动单路在35kHz工作频点附近以100hz为单位，从33kHz到37kHz顺序输出，并在输出监视回路获得输出幅度，当最靠近谐振点的频点会获得最大幅度的输出，然后把输出频率固定在这个频点上就完成了扫频谐振的功能。每工作24小时就进行一次自动校验，即可以自动跟踪由于工作环境变化(比如温度)引起的谐振频点漂移，又可以发现由于设备运行失效导致的故障。

调谐电路23的输入端耦接H桥驱动电路22的输出端，调谐电路23的输出端耦接负载，用于对H桥驱动电路22提供的驱动波形进行调谐并向所述负载输出正弦波。调谐电路23包括初级线圈L1和次级线圈L2，初级线圈L1耦接于H桥驱动电路22，次级线圈L2耦接于所述负载。经过调谐电路23的调谐、滤波可以向负载输出波形完美的正弦波。

图6示出了一种H桥驱动电路和调谐电路的具体实例电路图，但图中示出的H桥驱动电路和调谐电路仅是举例说明用，本实用新型所采用的H桥驱动电路和调谐电路并不局限于此，现有技术中常规的H桥驱动电路和调谐电路在此均可应用。

本实用新型的超声波探测设备的全波驱动电路把传统的单大功率晶体管驱动电路变为H臂电桥驱动方式，以实现双向驱动，达到了对称输出的效果，输出了完美的正弦波形，并且采用升压电路提高了电能机械能转化效率，能够满足超声波探测设备的探测需求，特别适用于铁轨断裂超声波探头驱动。

本实用新型可以有效输出能量效率为传统驱动电路的500倍以上。其中无输出耗电量为原有系统的0.24/5＝4.8％，输出时间为原有系统的20％，频谱利用率为原来系统的5倍，合计100/4.8*100/20*5＝520.83。

以上内容是结合具体的可选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。