一種超聲波聲壓和頻率測量電路的制作方法

本發明屬于納米材料制備領域，涉及一種測量電路，具體涉及一種測量液體中超聲波聲壓和頻率的電路。

背景技術：

近年來，超聲波因其操作簡單、周期短、效率高等優點已在納米材料的制備領域受到重視。納米技術的快速發展使超聲波在納米材料制備方面具有誘人的應用前景。在應用超聲波制備納米材料的過程中一般是同時利用超聲波的能量特性和頻率特性。具體而言，這種能量和頻率特性在制備過程中，可以表現為高溫分解作用、剪切破碎作用等。這些作用施加于固液表面時對固體表面的形態、組成、結構以及化學反應活性等產生影響，從而達到制備納米材料的目的。

超聲聲場，是指有超聲波在其中傳播的那部分媒質范圍，即超聲波存在的彈性媒質所占有的空間。在聲場中，能量特性表現為超聲波的聲壓，頻率特性表現為超聲波的頻率，鑒于聲場中聲壓和頻率對于衡量超聲系統性能的重要意義，在納米材料制備領域中要對聲壓和頻率進行準確的測量。

液體中超聲波的作用機理較為復雜,高頻聲波結合足夠高的能量能產生空化效應，空化氣泡會在瞬間產生局部高溫高壓環境。在這樣的聲場環境中測量聲壓和頻率是一個比較復雜的難題，當前還沒有完全成熟的測量方法。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，提出了一種超聲波聲壓和頻率測量電路，通過控制超聲波傳感器的收發狀態，盡可能準確的對超聲波聲壓和頻率進行測量。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種超聲波聲壓測量電路，包括發射電路模塊和接收電路模塊。

所述的發射電路模塊，包括六反相器芯片U1、時基電路芯片U2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、可變電阻R5、第六電阻R6、第一電容C1、第二電容C2、第一二極管D1、第二二極管D2和信號發射傳感器LS1；所述的時基電路芯片U2的型號為NE555；六反相器芯片U1的型號是CD4069；

所述的第一電阻R1的一端與第三電阻R3的一端、第一二極管D1的正端、時基電路芯片U2的第七引腳DISC連接，第一電阻R1的另一端與時基電路芯片U2的第四引腳RST、時基電路芯片U2的第八引腳VCC連接并接電源VCC，第三電阻R3的另一端與第二二極管D2的負端相連，第一二極管D1的負端與第二二極管D2的正端、可變電阻R5的固定端連接；時基電路芯片U2的第六引腳THR與第二引腳TRIG、可變電阻R5的活動端、第二電容C2的一端連接，時基電路芯片U2的第五引腳CVOLT與第一電容C1的一端相連，第一電容C1的另一端與第二電容C2的另一端、時基電路芯片U2的第一引腳GND、第六電阻R6的一端連接并接地GND，第六電阻R6的另一端與時基電路芯片U2的第三引腳OUT、六反相器U1的1腳連接，六反相器U1的2腳與六反相器U1的3腳、六反相器U1的13腳、六反相器U1的11腳鏈接，六反相器U1的4腳與六反相器U1的5腳、六反相器U1的9腳鏈接，六反相器U1的7腳與地GND鏈接，六反相器U1的14腳與電源VCC鏈接,六反相器U1的12腳與六反相器U1的10腳、第二電阻R2的一端、信號發射傳感器LS1的一端連接，六反相器U1的6腳與六反相器U1的8腳、第四電阻R4的一端、信號發射傳感器LS1的另一端連接，第二電阻R2的另一端接+5V電源，第四電阻R4的另一端接-5V電源；

所述的接收電路模塊，包括信號接收傳感器LS2、雙運算放大器U4、四運算放大器U3、第三二極管D3、第四二極管D4、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第十六電阻R16、第十七電阻R17、可調電阻R18、第十九電阻R19、第二十電阻R20、第二十一電阻R21、第二十二電阻R22、第二十三電阻R23、第二十四電阻R24、第二十五電阻R25、第二十六電阻R26、第二十七電阻R27、第二十八電阻R28、第二十九電阻R29、第三十電阻R30、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8、第九電容C9、第十電容C10、第十一電容C11、第十二電容C12、第十三電容C13、第十四電容C14和第十五電容C15；所述的雙運算放大器U4包括第一運算放大器U4A和第二運算放大器U4B；四運算放大器U3包括第三運算放大器U3A、第四運算放大器U3B、第五運算放大器U3C第六運算放大器U3D；雙運算放大器U4的型號是LM358，所述四運算放大器U3的型號是LM324；

所述的信號接收傳感器LS2的一端接地，另一端與第八電阻R8的一端相連，第八電阻R8的另一端與第七電容C7相連,第七電容C7的另一端與第十二電阻R12的一端、第六電容C6的一端、第二運算放大器U4B的反相輸入端連接，第二十電阻R20的一端與電源VCC連接，第二十電阻R20的另一端與第二十四電阻R24的一端、第十二電容C12的一端、第二運算放大器U4B的正相輸入端連接，第二十四電阻R24的另一端與第十二電容C12的另一端連接并接地，第十二電阻R12的另一端與第六電容C6的另一端、第二運算放大器U4B的輸出端、第十電阻R10的一端、第二十五電阻R25的一端連接，第十電阻R10的另一端與第三運算放大器U3A的反相輸入端、第三二極管D3的負端、第十八電阻R18的一端、第九電容C9的一端相連，第三運算放大器U3A的輸出端與第三二極管D3正端、第四二極管D4的負端、第十一電阻R11的一端、第二十一電阻R21的一端連接，第三運算放大器U3A的正相輸入端與地GND連接，第三運算放大器U3A的正電源端與+5V相接，第三運算放大器U3A的負電源端與-5V連接，第四二極管D4的正端與第十八電阻R18的另一端、第九電容C9的另一端連接，第十一電阻R11的另一端與第七電阻R7的一端、第三電容C3的一端、第四運算放大器U3B的反相輸入連接，第四運算放大器U3B的正相輸入端與第十四電阻R14的一端相接，第十四電阻R14的另一端與地GND相接，第四運算放大器U3B的輸出與第七電阻R7的另一端、第三電容C3的另一端、第十三電阻R13的一端連接，第十三電阻R13的另一端分與第四電容C4的一端、第五電容C5的一端、第十五電阻R15的一端相接，第十五電阻R15的另一端接地，第九電阻R9的一端與第五電容C5的另一端、第一運算放大器U4A的反相輸入端連接，第一運算放大器U4A的正電源端與+5V相接、第一運算放大器U4A的負電源端與-5V相接，第十六電阻R16的一端與電源VCC相連，第十六電阻R16的另一端與第十七電阻R17的一端、第八電容C8的一端、第一運算放大器U4A的正相輸入端連接，第十七電阻R17的另一端與第八電容C8的另一端連接后與地連接。第四電容C4的另一端與第九電阻R9的另一端、第一運算放大器U4A的輸出端連接后輸出頻率測量信號FREQ。第二十一電阻R21的另一端和第六運算放大器U3D的反相輸入端、第二十五電阻R25的另一端、第二十三電阻R23的一端、第十一電容C11的一端連接，第六運算放大器U3D的正相輸入端與第三十電阻R30的一端連接，第三十電阻R30的另一端與地相接，第六運算放大器U3D的輸出端與第二十三電阻R23的另一端、第十一電容C11的另一端、第二十九電阻R29的一端連接，第二十九電阻R29的另一端與第五運算放大器U3C的正相輸入連接，第五運算放大器U3C的負相輸入與可調電阻R19的活動端、第二十二電阻R22的一端、第十電容C10的一端連，可調電阻R19的的另一端與地連，第五運算放大器U3C的輸出端與第二十六電阻R26的一端、第二十二電阻R22的另一端、第十電容C10的另一端連接，第二十六電阻R26的另一端第二十七電阻R27的一端、第十三電容C13的一端連接，第二十七電阻R27的另一端分別與第二十八電阻R28一端、第十四電容C14的一端相接，第十三電容C13的另一端分別與第十四電容C14的另一端、第十五電容C15的一端連接后與地GND連接，第二十八電阻R28的另一端與第十五電容C15的另一端連接并作為聲壓測量信號的輸出V_DC。

本發明所述的聲壓和頻率測量電路具有的有益效果為：發射電路簡單可靠，容易實現；發射頻率可根據需要調整；通過硬件實現波形產生，無需編程，開發難度降低。接收電路模塊的待測聲壓范圍可以根據實際需要通過電位器調節；接收電路可以配合發射電路一起工作也可以單獨工作，工作方式靈活；采用的元器成本低廉，來源豐富，集成度高，使用兩片運算放大器芯片實現半波頻率測量和聲壓的準確測量，大大降低成本和功耗；擁有硬件加窗電路，測量信號經過濾波電路后，濾除有害高頻成分，改善信噪比，為A/D轉換提供良好信號。

附圖說明

圖1為本發明的發射電路模塊示意圖；

圖2為本發明的接收電路模塊示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明所述的超聲波聲壓和頻率測量電路技術方案的具體實施方式做進一步說明。

一種超聲波聲壓和頻率測量電路，包括發射電路模塊、和接收電路模塊。

如圖1所示，發射電路模塊中，由NE555時基集成芯片構成多諧振蕩電路，整個電路工作在單穩態模式。第二電容C2充電時通過第一電阻R1和可調電阻R5充電，放電時通過可調電阻R5放電，通過調節第一電阻R1、第二電容C2和可調電阻R5的數值實現20KKHz到300KHz不同頻率的信號產生，輸出信號加載到六反相器U1的一個反相器的輸入端口上，經過反相后分成兩部分，一部分通過兩個并聯反相器，另一部分先經過反相再通過兩個并聯反相器，以推挽的形式利用多個反相器，多級遞增來完成信號的放大，進而驅動超聲波信號發射傳感器LS1。

如圖2所示，接收電路模塊中，聲壓信號通過超聲波信號接收傳感器LS2接收到，送進第二運算放大器U4B部分處理，這部分電路實現原始信號的低通濾波處理功能，該電路通帶內的電壓放大倍數為第一電阻R1除以第二電阻R2，通過設置第十二電阻R12和第六電容C6的值來調節低通濾波電路的截止頻率的大小。第三運算放大器U3A部分，第十電阻R10和第十八電阻R18選取相同值，第三二極管D3和第四二極管D4實現信號的反向截至，阻止正向信號通過。當信號輸入信號經過第三運算放大器U3A部分輸出時信號保留負半周期信號。第四運算放大器U3B部分，第十一電阻R11和第七電阻R7選取相同值，第四運算放大器U3B部分輸出時，信號被反相，實現半波信號輸出。第一運算放大器U4A部分，實現的是一個多路負反饋二階有源帶通濾波器，第四電容C4和第五電容C5選取相同值，結合第九電阻R9、第十三電阻R13和第十五電阻R15可以調節截止頻率上限和截止頻率下限，具有非常很強的頻率選擇性，實現信號的加窗處理，大大減少測量信號的損失，輸出準確的頻率測量信號。第六運算放大器U3D部分，第二十五電阻R25選取第三十電阻R30的一半值，第三十電阻R30和第二十九電阻R29選取相同值，輸入信號經過第二十五電阻R25和第二十一電阻R21的輸出實現信號疊加，第二十五電阻R25和第二十三電阻R23以及第六運算放大器U3D的反相實現信號的放大和反相。第五運算放大器U3C部分，第二十九電阻R29和可調電阻R19選取相同值，第二十二電阻R22選取第二十九電阻R29的十分之一，信號由第二十九電阻R29經過放大器U1C輸出實現信號的放大，通過可調電阻R19可以調節輸出信號的放大倍數。最后第二十六電阻R26和第十三電容C13、第二十七電阻R27和第十二電容C14、第二十八電阻R28和第十五電容C15構成濾波電路，去除運算放大器產生的噪聲，改善輸出信號的信噪比，為A/D轉換提供優良信號。

測量超聲波聲壓和頻率時，傳統的測量方法只有接收電路，本發明創新性的加入發射電路。接收電路既可以配合發射電路一起工作，也可以獨立出來單獨工作。接收電路配合發射電路一起工作時，聲壓和頻率信號輸出端測量到數據中包含有已知的固定的聲壓和頻率信息；通過對比接收電路獨立出來單獨工作時聲壓和頻率信號輸出端測量到數據，以及對比接收發射電路一起工作時發射電路的不同頻率，便可以得到精確的聲壓和頻率數據。

最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制技術方案，盡管申請人參照較佳的實施例對本發明進行了詳細說明，那些對本發明的技術方案進行的修改或者同等替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。