一种通用的超声波发射装置及方法

摘要

一种超声波发射装置及方法，该装置包括信号产生模块、信号幅值放大模块、缓冲放大模块、图腾柱功率放大模块、均流模块、超声波换能器参数匹配模块、过压保护模块和处理器模块，不仅可实现对处理器模块输出的3.3V或者5V直流信号产生高压交流信号，激励超声波换能器产生超声波，同时还可以根据超声波换能器的谐振频率进行阻抗匹配。该装置可以输出连续波或脉冲波，且其脉冲数和周期数可以任意设定。同时该装置可以根据超声波换能器谐振频率很方便地进行电路阻抗匹配。整个装置体积小、重量轻，造价低，工作效率约为60％。

主权项

一种通用的超声波发射方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：处理器模块(8)输出自带的标准3.3V或者5V直流信号，经过信号幅值放大模块(2)中的运算放大器THS3091进行幅值放大，可输出45V的信号；信号幅值放大模块的构成为：与处理器模块(8)的一端输出连接的电容C6，信号经C6输出，一路经电阻R8后与运算放大器THS3091反相端相连，另一路经电阻R9与处理器模块(8)的另一端的输出以及电容C9、电阻R10、运算放大器的共地端相连，电容C9和电阻R10并联的与运算放大器THS3091的正相端相连，电容C9还与电阻R1相连至电源VCC，运算放大器的电源端与电源VCC相连，运算放大器的输出端与推挽电流放大模块(3)相连；步骤二：经过信号幅值放大模块(2)把信号幅值放大后送给推挽电流放大模块(3)，推挽电流放大模块(3)对信号功率进行预放大；所述的推挽电流放大模块(3)的电路中R2、C7并联后再与三极管Q1、Q6组成推挽电路，其中电容C7的作用为加速电容，用于加速三极管快速导通和关闭；步骤三、推挽电流放大模块(3)对信号功率进行预放大后，输出至推挽功率放大模块(4)对信号进行功率放大，再将经过功率放大后的信号通过均流模块(5)后，在超声波换能器参数匹配模块(6)中进行阻抗匹配；其中推挽功率放大模块(4)和均流模块(5)一起构成为：推挽电流放大模块(3)的输出与电阻R11，电容C10，电阻R12，电容C11，电阻R13，电容C12，电阻R14，电容C13相连，其中，电阻R11与电容C10并联，电阻R12与电容C11并联，电阻R13与电容C12并联，电阻R14与电容C13并联，电阻R11与运算放大器Q2，Q7相连，电阻R12与运算放大器Q3，Q8相连，电阻R13与运算放大器Q4，Q9相连，电阻R14与运算放大器Q5，Q10相连；电阻R4的一端接三极管Q2的发射极，另一端接Q3的集电极，电阻R5的一端接三极管Q3的发射极，另一端接Q4的集电极，电阻R6的一端接三极管Q4的发射极，另一端接Q5的集电极，电阻R7的一端接三极管Q5的发射极，另一端接探头参数匹配模块(6)；电阻R11的一端接Q2、Q7的基极，电阻R12的一端接Q3、Q8的基极，电阻R13的一端接Q4、Q9的基极，电阻R14的一端接Q5、Q10的基极；步骤四、和不同发射频率的超声波换能器的匹配主要通过匹配电容C_P来完成的，匹配电容C_P的计算方法如下：根据谐振频率公式：可得出总电容值C：$C=\frac{1}{{\left(2\pi f\right)}^{2}L}---\left(1\right)$再根据电容串联公式：式中，L：电感值；f：超声波换能器的谐振频率；C：包含超声波换能器容值Cs和匹配电容的容值C_P在内的总电容值C_P：匹配超声波换能器阻抗的电容值Cs：超声波换能器的电容值由(1)式和(2)式可计算得出匹配电容C_P；步骤五、过压保护模块(7)对超声波换能器参数匹配模块(6)的输出电压信号实现过压保护，这样保证超声波发射探头(9)不被烧坏；步骤六、过压保护模块(7)输出的电压信号施加给超声波发射探头(9)，超声波发射探头(9)进行电声转换。