一种超声波换能器的高电压激励电路的制作方法

1.本实用新型涉及电子电路技术领域，特别涉及一种超声波换能器的高电压激励电路。


背景技术：

2.近年来，随着超声波测量技术的发展，基于超声波技术的测量仪表发展迅猛，应用领域越来越广。尤其在天然气计量、化工行业工艺过程计量、智慧水务计量管理等领域应用已经非常普遍。巨大的市场需求推动了国内超声波测量技术的研究和发展，国产超声波流量计目前主要应用于计量精度要求相对较低的企业内部计费结算场合或者非贸易计量场所。
3.时差法超声波流量计是基于测量超声波信号在管道内上下行的传播时间而测量通过管道的介质流量，因此超声波信号质量和稳定性直接影响超声波流量计的测量精度和稳定性。在超声波流量计中，超声波信号是通过超声波换能器产生和接收，超声波换能器的核心为压电陶瓷，压电陶瓷是一种将电能转换为机械能(声能)的元件，其中压电陶瓷的一个关键参数为机电耦合系数，用来表征压电陶瓷对电能与机械能的转换能力。对于确定机电耦合系数的压电陶瓷片，输入压电陶瓷的电能越高，经压电陶瓷转换输出的机械能(声能)越高，意味着在环境噪声一定的条件下，超声波信号的信噪比越高，而信噪比是衡量超声波信号质量的关键指标。
4.当前，业内超声波流量计的换能器驱动主要采用低电压驱动技术，接收端通过使用高阶滤波器和高增益放大电路来实现对超声波信号的放大和信噪比的提升，高阶的滤波器和高增益放大电路的使用不单使电路成本增高，同时还降低了电路可靠性。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供一种超声波换能器的高电压激励电路，可以解决现有技术中，超声波流量计的换能器采用低电压驱动技术，使电路成本增高、电路可靠性低的问题。
6.本实用新型实施例提供一种超声波换能器的高电压激励电路，包括：
7.激励电源vcc输出端连接至限流电阻r1，限流电阻r1的另一端连接变压器t1初级线圈同名端，变压器t1初级线圈同名端还连接储能电容c1一端、储能电容c2一端和续流二极管d1阴极，储能电容c1另一端和储能电容c2另一端均连接电源地；
8.变压器t1初级线圈的另一端连接续流二极管d1阳极，变压器t1初级线圈的另一端还同时连接n沟道mos管q1的d极，n沟道mos管q1的g极连接限流电阻r2一端，n沟道mos管q1的s极连接电源地；
9.限流电阻r2的另一端连接mcu的pwm输出引脚；
10.变压器t1的次级线圈同名端连接超声波换能器s1的一端，变压器t1的次级线圈同名端还连接泄放电阻r3的一端，泄放电阻r3的另一端与变压器t1次级线圈的另一端连接后共同连接至电源地；
11.激励电源vcc输出端连接至限流电阻r4，限流电阻r4的另一端连接变压器t2初级线圈同名端，变压器t2初级线圈同名端还连接储能电容c3一端、储能电容c4一端和续流二极管d2阴极，储能电容c3另一端和储能电容c4另一端均连接电源地；
12.变压器t2初级线圈的另一端连接续流二极管d2阳极，电压器t2初级线圈的另一端还同时连接n沟道mos管q2的d极，n沟道mos管q2的g极连接限流电阻r2一端，n沟道mos管q2的s极连接电源地；
13.变压器t2的次级线圈的异名端连接超声波换能器s1的另一端，变压器t2的次级线圈异名端连接泄放电阻r5的一端，泄放电阻r5的另一端与变压器t2次级线圈的同名端连接后共同连接至电源地；变压器t2初级线圈异名端连接输出电阻r6，r6的另一端为电路的信号输出端；
14.其中，当mcu输出pwm信号为低电平时，激励电源vcc通过限流电阻r1、限流电阻r4给储能电容c1、储能电容c2、储能电容c3、储能电容c4充电，使储能电容c1、储能电容c2、储能电容c3、储能电容c4上的电压等于激励电源vcc；
15.当mcu输出pwm信号为高电平时，n沟道mos管q1、n沟道mos管q2同时导通，变压器t1初级线圈、变压器t2初级线圈对地导通、并在对应的初级线圈中产生交变电场，储能电容c1、储能电容c2、储能电容c3、储能电容c4为变压器t1、变压器t2的交变电场提供能量，限流电阻r1、限流电阻r4限制激励电源为变压器t1、变压器t2供电电流。
16.进一步地，所述限流电阻r1和限流电阻r4均取4.7ω。
17.进一步地，所述储能电容c1、储能电容c2、储能电容c3、储能电容c4均取100uf。
18.进一步地，所述泄放电阻r3和泄放电阻r5均取100k。
19.进一步地，所述输出电阻r6取1k。
20.进一步地，所述变压器t1和变压器t2的变比为1:40。
21.进一步地，所述激励电源vcc为5v。
22.本实用新型实施例提供一种超声波换能器的高电压激励电路，与现有技术相比，其有益效果如下：
23.本实用新型利用较低的供电电压，产生较高的换能器激励脉冲电压，在换能器机电耦合系数一定的条件下，换能器能够产生更高的原始回波信号，提高了回波信号的信噪比；后级回波信号接收电路可以简化滤波电路和增益调节电路，降低电路成本，增加电路可靠性。即本实用新型目的在于通过提高驱动超声波换能器的激励电压，在机电耦合系数一定的条件下尽量提高发射超声波换能器输出机械能(声能)，进而提高回波信号的信号质量(信噪比)，提高电路稳定性和降低电路成本。
附图说明
24.图1为本实用新型实施例提供的电路测试波形图；
25.图2为本实用新型实施例提供的一种超声波换能器的高电压激励电路原理图。
具体实施方式
26.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分
理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
27.参见图1～2，本实用新型实施例提供了一种超声波换能器的高电压激励电路，该电路包括：
28.激励电源vcc连接至限流电阻r1的一端，限流电阻r1的另一端连接储能电容c1、c2一端，储能电容另一端接电源地，储能电容与限流电阻连接端再与变压器t1初级线圈的同名端连接，t1初级线圈的同名端再连接续流二极管d1的阴极，t1初级线圈的另一端连接续流二极管d1的阳极，同时连接n沟通mos管q1的d极，mos管q1的g极连接限流电阻r2的一端，限流电阻r2的另一端连接mcu输出的pwm信号，变压器t1的次级线圈同名端连接超声波传感器s1的一端，同时连接泄放电阻r3的端，泄放电阻r3的另一端连接变压器t1次级线圈的另一端后再连接电源地。
29.激励电源vcc连接至限流电阻r4的一端，限流电阻r4的另一端连接储能电容c3、c4一端，储能电容另一端接电源地，储能电容与限流电阻连接端再与变压器t2初级线圈的同名端连接，t3初级线圈的同名端再连接续流二极管d2的阴极，t2初级线圈的另一端连接续流二极管d2的阳极，同时连接n沟通mos管q2的d极，mos管q2的g极连接至mos管q1的g极；变压器t1的次级线圈同名端连接超声波传感器s1的一端，同时连接泄放电阻r5的端，泄放电阻r5的另一端连接变压器t1次级线圈的另一端后再连接电源地。变压器t2初级线圈异名端连接输出电阻r6，r6的另一端为电路的信号输出端。
30.实施例：
31.具体限流电阻r1和r4可取4.7ω，储能电容c1、c2、c3、c4可取100uf，泄放电阻r3和r5可取100k，输出电阻r6可取1k，变压器t1和t2变比可选1:40。
32.当激励电源电压vcc为5v时，在mcu输出pwm信号为低电平时，该5v电源通过限流电阻给储能电容c1、c2、c3、c4充电，使的储能电容c1、c2、c3、c4上的电压等于vcc电压。
33.当mcu输出激励脉冲信号高电平时，mos管q1、q2同时导通，变压器t1、t2初级线圈对地导通，初级线圈中产生交变电场，储能电容c1、c2、c3、c4为变压器交变电场提供能量，限流电阻r1、r4限制激励电源为变压器供电电流，防止变压器导通时间过长，造成激励电源vcc对地短路。
34.按照变压器电压变比公式给定初级线圈电压5v，给定变压器匝数比1:40，可以计算出变压器t1次级线圈同名端产生200v电压，变压器t2次级线圈异名端产生-200v电压，即在mcu输出脉冲高点期间，变压器t1、t2等效施加到超声波传感器两极的电压vpp为400v。其中，变压器电压变比公式为：
35.n1:n2＝u1:u2
36.其中，n1为初级线圈匝数，n2为次级线圈匝数，u1为初级线圈电压，u2为次级线圈电压。
37.当mcu输出激励脉冲信号低电平时，mos管q1、q2同时关闭，变压器t1、t2初级线圈对地通路截止，次级线圈输出电压为0v；续流二极管在mos管q1、q2关闭瞬间，防止在mos管d极产生的高压击穿mos管。
38.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，
但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。