一种低压电源驱动的超声波脉冲激励电路及其控制方法与流程

本发明公开了一种用于超声测厚的低压电源驱动的超声波脉冲激励电路及其控制方法，属于超声波应用领域。

背景技术：

超声波脉冲激励电路又称为超声波发射电路，主要用于激励超声波换能器内部的压电晶片，具体是利用脉冲激励电路产生的脉冲振荡信号，使压电晶片振荡从而产生超声波。常见的超声波发射电路发出的脉冲主要有方波脉冲和尖波脉冲两种，方波脉冲常用于中心频率为几十到几百千赫兹的超声波换能器中，而对于金属测厚领域而言，所用的超声波中心频率为几兆赫兹，因此常选用尖波脉冲作为超声波激励脉冲。对于一个给定的超声波发射电路，其发射功率主要由激励脉冲幅度、脉冲宽度所影响。激励脉冲幅度越大、脉冲宽度约小，发射功率越大，因此尖波脉冲使得发射电路更为高效。

在常见的超声波发射电路中，为了获得更高的发射功率，往往使用高压直流电源作为发射电路的电源，大功率的超声波发射电路发射的脉冲幅度可达900v甚至更高，这导致超声波发射电路的电源不易获取，制作成本显著增加，为使用安全问题带来隐患。在常见的金属测厚领域中，多数情况下对发射功率要求不高，对于便携式测厚仪而言，所用供电电源多数为干电池供电，因此，需要一种低压电源驱动的超声波脉冲激励电路。根据被测金属厚度的不同，所需的发射功率不同，为了节省能源，需要一种功率可调的脉冲激励电路，此外，超声波发射的重复频率的可调性将能够大大增加超声波金属测厚仪使用的灵活性。

技术实现要素：

发明目的：为解决上述便携式金属测厚仪采用高压电源会带来安全隐患和高压电源不易获取的问题，本发明提供一种低压电源驱动的超声波脉冲激励电路及其控制方法。

技术方案：本发明提供一种低压电源驱动的超声波脉冲激励电路，该电路包括：电源、第一至第二极性电容、第三至第四电容、第一电感、第二电感、第一至第四电阻、第一至第三二极管、第一场效应管、第二场效应管和超声波换能器；电源的正极、第一极性电容的正极、第一电感的一端相连接；第一电感的另外一端、第一电阻的一端、第一二极管的正极相连接；第一电阻的另外一端连接第一场效应管的漏极；第一二极管的负极、第二极性电容的正极、第三电容的一端、第二电阻的一端相互连接；第二电阻的另外一端、第三电阻的一端、第四电容的一端相互连接；第三电阻的另外一端与第二场效应管的漏极相互连接；第四电容的另外一端、第三二极管的正极、第二二极管的负极相连接，第二二极管的正极、第四电阻的一端、第二电感的一端、超声波换能器的一端相连接；电源的负极、第一极性电容的负极、第一场效应管的源极、第二极性电容的负极、第三电容的另外一端、第二场效应管的源极、第三二极管的负极、第四电阻的另外一端、第二电感的另外一端、超声波换能器的另外一端相连接并接地。

进一步的，所述第一场效应管与第二场效应管均采用开关功率场效应管irf840；

进一步的，所述超声波换能器采用中心频率为5mhz的压电陶瓷晶体换能器。

如上所述的一种低压电源驱动的超声波脉冲激励电路的控制方法，为通过控制第一场效应管的外部脉冲控制超声波换能器的发射功率；具体为外部脉冲的占空比越高，第一二极管负极的电势就越高，电源电路供给下一级的电压越大，从而超声波换能器的发射功率越大。

如上所述的一种低压电源驱动的超声波脉冲激励电路的控制方法，为通过控制第二场效应管的外部脉冲控制超声波换能器发射的重复频率；具体为当外部脉冲为低电平时，第二场效应管断开，电源电路通过第二电阻给第四电容充电，当外部脉冲为高电平时，第二场效应管导通，第四电容放电，在第四电阻上形成高压负脉冲从而激励超声波换能器发射超声波。

有益效果：本发明采用低压电源供电，电源易于获取，使用更加安全，本发明可以通过控制第一场效应管的外部脉冲控制脉冲激励电路的发射功率，可以实现程序控制发射功率；还可以通过外部脉冲控制脉冲激励电路的发射重复频率，为超声波金属测厚带来极大的灵活性。

附图说明

图1为本发明电路原理图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

如图1所示，本实施例提供一种低压电源驱动的超声波脉冲激励电路，该电路包括：电源v1；第一极性电容c1；第二极性电容c2；第三电容c3；第四电容c4；第一电感l1；第二电感l2；第一至第四电阻r1、r2、r3、r4；第一至第三二极管d1、d2、d3；第一场效应管q1；第二场效应管q2和超声波换能器；电源v1的正极、第一极性电容c1的正极、第一电感l1的一端相连接；第一电感l1的另外一端、第一电阻r1的一端、第一二极管d1的正极相连接；第一电阻r1的另外一端连接第一场效应管q1的漏极；第一二极管d1的负极、第二极性电容c2的正极、第三电容c3的一端、第二电阻r2的一端相互连接；第二电阻r2的另外一端、第三电阻r3的一端、第四电容c4的一端相互连接；第三电阻r3的另外一端与第二场效应管q2的漏极相互连接；第四电容c4的另外一端、第三二极管d3的正极、第二二极管d2的负极相连接，第二二d2极管的正极、第四电阻r4的一端、第二电感l2的一端、超声波换能器的一端相连接；电源v1的负极、第一极性电容c1的负极、第一场效应管q1的源极、第二极性电容c2的负极、第三电容c3的另外一端、第二场效应管q2的源极、第三二极管d3的负极、第四电阻r4的另外一端、第二电感l2的另外一端、超声波换能器的另外一端相连接并接地。

第四电阻r4作为阻尼电阻与超声波换能器并联，可以改善压电晶片的震荡性能。

所述的第一极性电容c1、第二极性电容c2、第一电阻r1、第一电感l1、第一二极管d1、第一场效应管q1构成电源电路；所述的第二极性电容c2和第三电容c3构成电源滤波电路；所述的第二电阻r2、第四电容c4、第三二极管d3构成储能电路；所述的第三电阻r3、第二场效应管q2、第四电容c4、第二二极管d2、第四电阻r4、第二电感l2构成谐振电路。电源电路提供电压，由滤波电路滤波之后，将能量传给储能电路，最后由谐振电路产生脉冲激励超声波换能器发射。

本实施例中，所述超声波换能器采用中心频率为5mhz的压电陶瓷晶体换能器。

本实施例中采用外部脉冲控制第一场效应管q1的开断，来控制发射电路的发射功率。第一场效应管q1选用开关功率场效应管irf840，irf840具有较高的开关速度，可承载较大的功率。当第一场效应管q1的栅极为高电平时，源极和漏极导通，导通电阻典型值为0.85欧姆，此时电源v1与第一电感l1、第一电阻r1、第一场效应管q1构成回路，电源v1通过该回路对第一电感l1充电，第一电感l1将电能转换为磁能储存起来，当第一场效应管q1的栅极为低电平时，源极和漏极断开，此时第一电感l1通过第一二极管d1进行放电，由磁能转换为电能。

当第一场效应管q1外部方波脉冲的占空比越高，第一二极管d1负极的电势就越高，电源电路供给下一级电路的电压越大，从而超声波换能器的发射功率越大。

本实施例中采用外部脉冲控制第一场效应管q2的开断，来控制发射电路的发射重复频率，第二场效应管q2采用的开关功率管irf840，当第二场效应管q2的栅极为低电平时，第二场效应管q2的源极和漏极断开，此时，电源电路通过第二电阻r2给第四电容c4充电，第二电阻r2、第四电容c4、第三二极管d3形成储能回路。当第二场效应管q2的栅极为高电平时，第二场效应管q2的漏极源极导通，第三电阻r3、第二场效应管q2、第二电感l2、第二二极管d2与第四电容c4形成谐振电路，第四电容c4放电，在第四电阻r4上形成高压负脉冲从而激励超声波换能器发射超声波。

上述外部脉冲可以利用单片机产生，也可以利用外部脉冲发生器产生。