[发明专利]一种泥浆中超声波激励方法与电路

说明书

本发明涉及一种泥浆中超声波激励方法与电路,主要用于利用超声波在泥浆中测量距离的场合。该激励方法包括：S1、由泥浆特性建立超声波传输规律，确定超声波传输距离与声压的关系；S2、由激励超声波传输规律确定传感器中心频率和激励电路脉冲放电时间常数；S3、由超声回波信号优化激励电路匹配网络参数。该激励方法电路主要包括：触发电路、驱动电路、脉冲激励电路、限幅电路、跟随电路、放大电路和带通滤波电路。该发明能有效在泥浆中激发出超声波。

技术领域：

本发明涉及一种泥浆中超声波激励方法与电路，属于超声测量应用技术领域，是一种高能、低频超声波激励方法及实现电路。

背景技术：

在对泥浆等非均匀液体中障碍物距离的测量时，由于泥浆内部存在大量的固体、气泡等以及其非均匀特性，致使传统超声波收发电路能量不足，几乎无法有效激励超声波信号。为了使超声波能有效在泥浆中激励和接收，需要产生低频、高能超声波。但在泥浆中产生高能超声信号一般难度较大，由于声能在泥浆中损失严重，传感器很难接收到回波信号。为此，国内外学者进行了超声波收发电路的广泛研究。(Kazuhiro Inuma，Yokohama，Japan et al.Ultrasound Transmitting or Receiving Apparatus.Array UltrasoundSystem and Circulation,2008,18:11-21)。

目前，超声波激发电路主要有脉冲电源激励电路、RLC并联谐振电路、以及压电晶片高压充电谐振电路。其中脉冲电源激励电路对电源有较大的负载能力的要求，导致电源工作时功率较高，容易损坏电源；RLC并联谐振超声波激发电路的直流高压直接加载在超声传感器上，但由于变压器的存在，导致超声波发射电路的体积较大；压电晶片高压充电谐振电路中传感器参数对其影响较大，并且电路产生的激发脉冲宽度较大，会影响电路的测量灵敏度。

发明内容：

本发明的目的是提供一种可用于泥浆等非均匀液体测量障碍物距离的传感器激励方法及电路，既能产生低频高能超声波，同时还能有效接收超声回波信号。传感器激励和信号接收方法可以作为激励和接收电路设计依据。可用于泥浆等非均匀液体中障碍物距离的测量。

本发明提出的一种泥浆中超声波激励方法与电路，激励方法主要包括：

S1、由泥浆特性建立超声波传输规律，确定超声波传输距离x与声压ξ的关系。

超声波在泥浆中传输的一般方程式：

可得确定传输距离与回波电压的关系：

其中，ξ₀为初始声波幅值，a_η为泥浆粘度，c与绝热压缩系数β_s和初始密度ρ₀有关，表示为：ω为角频率，x为超声波传输距离。

要想在泥浆中激励超声波信号，需要提高传感器激励电压。

S2、由激励超声波传输规律确定传感器中心频率和激励电路脉冲放电时间常数。

用来激励超声波传感器的负高压尖脉冲，在电压幅值最大时，其时间常数τ和

传感器谐振频率的关系：

其中，f₀是超声波谐振频率。

S3、由超声回波信号优化激励电路匹配网络参数。由放电过程中传感器两边的瞬时电压U，

其中，R₀是传感器的并联电阻，R是和直流高压模块直接连的电阻，R₁是场效应管导通时电阻，V是直流高压。求得U最大时的电阻R。