專利名稱:用同一個晶體管發(fā)射超聲單脈沖和調制波的聲速儀的制作方法
本發(fā)明屬于聲學測量儀器的領域。
聲速是媒質的一個最基本的聲學量。超聲單脈沖和調制波是脈沖回波法聲速儀的兩種最基本的超聲波發(fā)射形式。
在本發(fā)明做出以前，發(fā)射超聲單脈沖的方法，如USP4507762所述利用一個觸發(fā)器來改變由四個晶體管所組成的橋路狀態(tài)，以使它對應于每一個時間脈沖都輸出一個單脈沖，這種電路不能同時產(chǎn)生調制波。發(fā)射超聲調制波的方法，如J·P 51-151118所述采用多個晶體管互補推挽的形式。
本發(fā)明的目的在于設計一種簡單的、只用一個晶體管就可實現(xiàn)分別發(fā)射超聲單脈沖和調制波的發(fā)射電路，并利用這種發(fā)射電路制成結構簡單、成本低，測量精度高的超聲波聲速儀。
本發(fā)明的要點是在設計思想上利用了晶體管〔21〕在兩個不同工作區(qū)域中的不同工作特性，通過切換開關〔5〕，〔7〕對電路元件的轉換，使晶體管〔21〕在發(fā)射超聲單脈沖時，處于晶體管的二次擊穿狀態(tài)，此時晶體管的導通速度加快，在同步脈沖的作用下，便可產(chǎn)生一個邊沿極陡的尖峰單脈沖(接近δ脈沖)。通過切換開關〔5〕，〔7〕對電路元件的轉換，使晶體管〔21〕在發(fā)射超聲調制波的情況下，處于晶體管的正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)了用同一個晶體管分別發(fā)射超聲單脈沖和制調波，大大簡化了電路元件。
圖1為本發(fā)明的用同一個晶體管〔21〕發(fā)射超聲單脈沖和調制波的超聲波聲速儀的結構原理圖。
圖2為本發(fā)明的超聲波發(fā)射電路〔6〕的電路原理圖。
圖3為晶體管〔21〕的輸入輸出特性曲線。
圖4為晶體管〔21〕發(fā)射超聲單脈沖的波形圖。
圖5為晶體管〔21〕發(fā)射超聲調制波的波形圖。
圖6為單脈沖形成電路〔3〕的實施例。
圖7為調制波形成電路〔4〕的實施例。
圖8為脈沖回波重合法時序邏輯控制電路〔1〕的實施例。
本發(fā)明如圖1所示，由脈沖回波重合法時序邏輯控制電路〔1〕，開關〔2〕，單脈沖形成電路〔3〕，調制波形成電路〔4〕，開關〔5〕，發(fā)射電路〔6〕，電源切換開關〔7〕，高低壓直流電源〔8〕，單脈沖輸出高頻插座〔9〕，調制波輸出高頻插座〔10〕，調諧電感〔11〕，壓電晶片〔12〕，接收放大器輸入插座〔13〕，接收放大器〔14〕，接收放大器輸出插座〔15〕，示波器〔16〕，音頻輸出插座〔17〕，頻率計〔18〕以及增輝輸出插座〔19〕所組成。
本發(fā)明的工作原理脈沖回波重合法時序邏輯控制電路〔1〕周期性地產(chǎn)生發(fā)射同步信號，經(jīng)開關〔2〕選通后，分別被送往單脈沖形成電路〔3〕或調制波形成電路〔4〕，然后再經(jīng)過開關〔5〕送往發(fā)射電路〔6〕。當電源切換開關〔7〕將高低壓直流電源〔8〕的高壓直流電壓VH送入發(fā)射電路〔6〕時，該超聲波聲速儀處于發(fā)射超聲單脈沖波的工作狀態(tài)，發(fā)射電路〔6〕輸出幅度很高的，邊沿很陡的電脈沖，經(jīng)過單脈沖輸出高頻插座〔9〕，去激勵壓電晶片〔12〕產(chǎn)生單脈沖的超聲波，壓電晶片〔12〕與電感〔11〕構成一個調諧回路。當電源切換開關〔7〕轉向另一側，將高低壓直流電源〔8〕的低壓直流VL送入發(fā)射電路〔6〕時，該超聲波聲速儀處于發(fā)射超聲調制波的工作狀態(tài)，發(fā)射電路〔6〕輸出一串串由方波調制的射頻電脈沖，經(jīng)過調制波輸出高頻插座〔10〕，去激勵壓電晶片〔12〕產(chǎn)生超聲調制波。超聲波的回波信號經(jīng)過接收放大器輸入插座〔13〕送入接收放大器〔14〕，經(jīng)過高頻放大后，再由接由接收放大器輸出插座〔15〕送往示波器〔16〕的Y軸進行顯示。脈沖沖回波重合法時序邏輯控制電路〔1〕輸出的音頻信號，經(jīng)過音頻輸出插座〔17〕后，一路被送往示波器〔16〕X軸，作為外觸發(fā)掃描信號;另一路被送往頻率計〔18〕進行頻率測量。同時，脈沖回波重合法時序邏輯控制電路〔1〕輸出兩個同步增輝信號，經(jīng)過增輝輸出插座〔19〕送往示波器〔16〕的Z軸。在測量時，可先調節(jié)增輝信號的位置，在超聲波回波序列中選擇所需觀察的兩次回波進行增輝，使這兩次回波在示波器上清楚可見，而不需要觀察的其它回波信號，由于未被增輝，便在示波器的顯示屏幕上消失。調節(jié)時序邏輯控制電路〔1〕輸出的音頻信號的頻率，使示波器中顯示的這兩次回波的每一周都對應地重合，然后讀出頻率計〔18〕中顯示的頻率值f，即示波器〔16〕的X軸外觸發(fā)掃描信號的頻率。根據(jù)超聲波在試樣中傳播的距離L，便可算出聲速C＝L·f。
圖2為本發(fā)明的用同一個晶體管分別發(fā)射超聲單脈沖和調制波的發(fā)射電路〔6〕的實施例。本電路〔6〕有兩個輸入端，一端與單脈沖形成電路〔3〕相聯(lián)，另一端與調制波形成電路〔4〕相聯(lián)。晶體管〔21〕是發(fā)射三極管。在發(fā)射超聲單脈沖時，開關〔5〕，〔7〕的狀態(tài)如圖2所示。高壓直流電壓VH(VH＝100～1500伏)經(jīng)過電阻〔22〕加到晶體管〔21〕的集電極上，晶體管〔21〕的集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓為VCEO，在晶體管〔21〕處于正常工作狀態(tài)時，其工作電壓必須小于VCEO。若工作電壓大于VCEO，同時晶體管〔21〕的集電極與發(fā)射極的回路上沒有限流保護措施，則該晶體管的PИ結就會一次性擊穿、燒毀。但是，在過電壓的情況下，對晶體管〔21〕采取限流保護措施，該晶體管就能避免擊穿、燒毀。如圖2所示，若在晶體管〔21〕的集電極與發(fā)射極之間施加一高電壓VH，且VH＞VCEO。(VH＝1.2～1.5VCEO)，這時晶體管〔21〕的CE極便被擊穿。但是，由于加了限流電阻〔22〕，使集電極電流IC被限制在晶體管〔21〕功耗允許的范圍內(如圖3所示)，則晶體管〔21〕不會被損壞。當高壓VH消除后，晶體管〔21〕CE極的電壓擊穿也隨之消除，該管的原有特性不受影響。當高壓VH再次出現(xiàn)時，晶體管〔21〕的CE極將再次被擊穿。晶體管〔21〕的這種擊穿狀態(tài)稱為二次擊穿狀態(tài)。由于晶體管〔21〕在二次擊穿時，集電極中有一股小電流流過。因此，在這種情況下，晶體管〔21〕的基極只要一出現(xiàn)高于晶體管開啟電壓的正信號，它的CE極就會立刻導通，產(chǎn)生一個邊沿很陡的尖峰δ脈沖(見圖4)，經(jīng)過耦合電容〔24〕和高頻插座〔9〕送往壓電晶片〔12〕。電阻〔20〕是晶體管〔21〕EB極的并聯(lián)電阻。把開關〔5〕，〔7〕置于另一側，直流低電壓VL(VL＝5～30伏)，便經(jīng)過電阻〔23〕加到晶體管〔21〕的集電極上，這時晶體管〔21〕處于正常工作狀態(tài)。在調制波信號到達前，晶體管〔21〕截止，二極管〔25〕，〔26〕截止，調制波信號到達后，晶體管〔21〕作周期性導通截止。當晶體管〔21〕截止時，高低壓直流電源〔8〕的直流低電壓VL，通過開關〔7〕，電阻〔23〕，二極管〔25〕，電容〔28〕和調制波輸出高頻插座〔10〕，向壓電晶片〔12〕和調諧電感〔11〕所組成的調諧回路輸出灌電流。當晶體管〔21〕導通時，通過調制波輸出高頻插座〔10〕，電容〔28〕，電阻〔27〕，二極管〔26〕和晶體管〔21〕，電路以相同的阻抗向壓電晶片〔12〕和調諧電感〔11〕組成的調諧回路輸出拉電流，從而激勵壓電晶片〔12〕作周期性的受策振動，產(chǎn)生受方波調制的超聲波(見圖5)。二極管〔25〕，〔26〕的作用不僅使拉電流和灌電流回路具有相同的阻抗，而且在發(fā)射回路與接接收回路之間起隔離作用。由于超聲波的幅值一般遠小于二極管的管壓降，所以在回路中接正反向并聯(lián)二極管〔25〕，〔26〕，可以使超聲波回波的接收信號不受前級的影響。
本發(fā)明的單脈沖形成電路〔3〕的實施例，如圖6所示。脈沖回波重合法時序邏輯控制電路〔1〕產(chǎn)生的周期性的發(fā)射同步信號〔29〕，經(jīng)開關〔2〕選通后被送入單脈沖形成電路〔3〕。電阻〔30〕，二極管〔31〕，電容〔32〕和反相器〔33〕，〔34〕構成一個單脈沖形成電路。當輸入的發(fā)射同步信號〔39〕為0電平時，二極管〔31〕導通，并將電容〔32〕兩端電荷釋放完，反相器〔33〕的輸出為1電平，送往反相器〔34〕的一個輸入端。由于反相器〔34〕的另一個輸入端為0電平，因此反相器〔34〕的輸出為1電平。當發(fā)射同步信號〔29〕由0電平變?yōu)?電平時，二極管〔31〕因承受反向電壓而截止，1電平便通過電阻〔30〕向電容〔32〕充電，當電容〔32〕兩端的電壓到達反相器〔33〕的開啟電壓之前，反相器〔33〕的輸出仍為1電平，這時反相器〔33〕的兩個輸入端都為1電平，其輸出就變?yōu)?電平。隨著電流通過電阻〔30〕向電容〔32〕充電過程的延長，電容〔32〕兩端的電壓到達反相器〔33〕的開啟電壓時，反相器〔33〕的輸出即刻由1電平變?yōu)?電平，這時反相器〔34〕的輸出也由0電平變?yōu)?電平，這樣就在反相器〔34〕的輸出端產(chǎn)生一個負脈沖。這個負脈沖經(jīng)過電阻〔35〕和電阻〔36〕的分壓，送入由三極管〔37〕和電阻〔38〕構成的反相器進行倒相放大。電容〔39〕是加速電容。電容〔40〕和電阻〔41〕組成一個微分環(huán)節(jié)，將三極管〔37〕集電極上的正脈沖信號變成尖峰δ脈沖〔44〕，經(jīng)過電阻〔42〕和加速電容〔43〕送往發(fā)射電路〔6〕。
本發(fā)明的調制波形成電路實施例，如圖7所示。脈沖回波重合法時序邏輯控制電路〔1〕產(chǎn)生的周期性的發(fā)射同步信號〔29〕，經(jīng)開關〔2〕選通后被送入調制波形成電路〔4〕。電阻〔45〕是輸入端的并聯(lián)電阻，發(fā)射同步信號〔29〕經(jīng)反相器〔46〕倒相后，送往由D觸發(fā)器〔47〕，電容〔48〕和電位器〔49〕所組成的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，該電路所產(chǎn)生的單穩(wěn)脈沖的延時寬度可以通過調節(jié)電位器〔49〕來進行變動。單穩(wěn)延時脈沖經(jīng)過反相器〔50〕倒相后去控制一個由與非門〔51〕，〔52〕，〔53〕，電容〔54〕和電位器〔55〕組成的受控環(huán)形振蕩器。該環(huán)形振蕩器在單穩(wěn)延時脈沖的作用下產(chǎn)生調制波。這個調制波由反相器〔56〕進行倒相整形，經(jīng)過電阻〔57〕和〔59〕的分壓，送入由三極管〔60〕和電阻〔61〕構成的反相器進行倒相放大。電容〔58〕是加速電容。三極管〔60〕集電極上的調制波〔62〕被送往發(fā)射電路〔6〕。
本發(fā)明的脈沖回波重合時序邏輯控制電路〔1〕的實施例，如圖8所示。反相器〔63〕，〔64〕，〔65〕，〔66〕，電容〔67〕和電位器〔68〕構成可調式音頻振蕩器。它的輸出，一路經(jīng)過反相器〔69〕倒相整形后，由音頻輸出插座〔17〕輸出;另一路送往四位二進計數(shù)器〔70〕進行分頻，然后用分頻的信號去觸發(fā)由D觸發(fā)器〔71〕，電容〔72〕，電位器〔73〕和D觸發(fā)器〔74〕，電容〔75〕，電阻〔76〕組成的雙單穩(wěn)電路，產(chǎn)生發(fā)射同步信號〔29〕。這個發(fā)射同步信號〔29〕分三路送出一路送往開關〔2〕;另二路分別送往由D觸發(fā)器〔77〕，電容〔78〕，電位器〔79〕和D觸發(fā)器〔80〕，電容〔81〕，電阻〔82〕組成的雙單穩(wěn)電路;送往由D觸發(fā)器〔83〕，電容〔84〕，電位器〔85〕和D觸發(fā)器〔86〕，電容〔87〕，電阻〔88〕組成的雙單穩(wěn)電路。這兩個雙單穩(wěn)電路分別產(chǎn)生兩個獨立的延時可調的增輝脈沖。與非門〔89〕將兩個雙單穩(wěn)的增輝脈沖組合在一起，經(jīng)由三極管〔90〕，電阻〔91〕，〔92〕組成的反相器倒相放大后，由增輝輸出插座〔19〕送入示波器〔16〕的Z軸。
接收放大器〔14〕由一般的寬帶放大器組成。示波器〔16〕和頻率計〔18〕均為普通設備。
權利要求
1.一種采用脈沖回波重合法的聲速測量原理，由壓電晶片[12]調諧電感[11]，接收放大器[14]，示波器[16]和頻率計[18]等組成的超聲波聲速儀，其特征在于利用晶體管在兩個不同工作區(qū)域中的不同特性，實現(xiàn)了用同一個晶體管分別發(fā)射超聲單脈沖和調制波的發(fā)射電路[6]，并與時序邏輯電路[1]組合在一起，精密地測量媒質的聲速。
2.根據(jù)權利要求
1所述的發(fā)射電路(6)，其特征在于由高低壓電源〔8〕和切換開關〔5〕、〔7〕，晶體管〔21〕，電阻〔20〕、〔22〕、〔23〕、〔27〕，二極管〔25〕、〔26〕，電容〔24〕、〔28〕和輸出插座〔9〕，〔10〕組成。
3.根據(jù)權利要求
1所述的發(fā)射電路〔6〕，其特征在于當發(fā)射超聲單脈沖時，晶體管〔21〕處于二次擊穿狀態(tài)，當發(fā)射超聲調制波時，晶體管〔21〕處于正常工作狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求
1所述的時序邏輯電路〔1〕，其特征在于由二塊雙D觸發(fā)器，一塊四位二進制計數(shù)器〔70〕，二塊四與非門，一只三極管〔90〕和若干阻容元件組成。
5.根據(jù)權利要求
2所述的二極管〔25〕，〔26〕和電阻〔27〕，其特征在于形成阻抗相同的拉電流和灌電流，當發(fā)射電路〔6〕在進行超聲調制波的發(fā)射時，晶體管〔21〕作周期性的截止和導通，由于二極管〔25〕，〔26〕和電阻〔27〕的作用，使發(fā)射電路(6)向由電感〔11〕和壓電晶片〔12〕組成的調諧回路周期性地輸入阻抗相同的灌電流和拉電流;同時二極管〔25〕，〔26〕還起了一個隔離作用，使超聲波的回波接收信號不受前級的影響。
專利摘要
本發(fā)明是用同一個晶體管發(fā)射超聲單脈沖和調制波的聲速儀，屬于聲學測量儀器的領域。本發(fā)明利用晶體管在兩個不同工作區(qū)域中的不同特性，使晶體管在發(fā)射超聲單脈沖的情況下，處于晶體管的二次擊穿狀態(tài)，產(chǎn)生邊沿極陡的尖峰單脈沖；又使晶體管在發(fā)射超聲調制波的情況下，處于晶體管的正常工作狀態(tài)，產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的調制波。利用這一發(fā)射電路制成的超聲波聲速儀測量精度高，結構簡單，成本低。
文檔編號G01H5/00GK86100574SQ86100574
公開日1987年11月25日 申請日期1986年5月10日
發(fā)明者王寅觀, 魏墨盦, 邵良華, 盧杰 申請人:同濟大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan