用同一个晶体管发射超声单脉冲和调制波的声速仪制造技术

本发明专利技术是用同一个晶体管发射超声单脉冲和调制波的声速仪，属于声学测量仪器的领域．本发明专利技术利用晶体管在两个不同工作区域中的不同特性，使晶体管在发射超声单脉冲的情况下，处于晶体管的二次击穿状态，产生边沿极陡的尖峰单脉冲；又使晶体管在发射超声调制波的情况下，处于晶体管的正常工作状态，产生频率稳定的调制波．利用这一发射电路制成的超声波声速仪测量精度高，结构简单，成本低．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于声学测量仪器的领域。声速是媒质的一个最基本的声学量。超声单脉冲和调制波是脉冲回波法声速仪的两种最基本的超声波发射形式。在本专利技术做出以前，发射超声单脉冲的方法，如USP4507762所述利用一个触发器来改变由四个晶体管所组成的桥路状态，以使它对应于每一个时间脉冲都输出一个单脉冲，这种电路不能同时产生调制波。发射超声调制波的方法，如J·P 51-151118所述采用多个晶体管互补推挽的形式。本专利技术的目的在于设计一种简单的、只用一个晶体管就可实现分别发射超声单脉冲和调制波的发射电路，并利用这种发射电路制成结构简单、成本低，测量精度高的超声波声速仪。本专利技术的要点是在设计思想上利用了晶体管〔21〕在两个不同工作区域中的不同工作特性，通过切换开关〔5〕，〔7〕对电路元件的转换，使晶体管〔21〕在发射超声单脉冲时，处于晶体管的二次击穿状态，此时晶体管的导通速度加快，在同步脉冲的作用下，便可产生一个边沿极陡的尖峰单脉冲(接近δ脉冲)。通过切换开关〔5〕，〔7〕对电路元件的转换，使晶体管〔21〕在发射超声调制波的情况下，处于晶体管的正常工作状态，从而实现了用同一个晶体管分别发射超声单脉冲和制调波，大大简化了电路元件。图1为本专利技术的用同一个晶体管〔21〕发射超声单脉冲和调制波的超声波声速仪的结构原理图。图2为本专利技术的超声波发射电路〔6〕的电路原理图。图3为晶体管〔21〕的输入输出特性曲线。图4为晶体管〔21〕发射超声单脉冲的波形图。图5为晶体管〔21〕发射超声调制波的波形图。图6为单脉冲形成电路〔3〕的实施例。图7为调制波形成电路〔4〕的实施例。图8为脉冲回波重合法时序逻辑控制电路〔1〕的实施例。本专利技术如图1所示，由脉冲回波重合法时序逻辑控制电路〔1〕，开关〔2〕，单脉冲形成电路〔3〕，调制波形成电路〔4〕，开关〔5〕，发射电路〔6〕，电源切换开关〔7〕，高低压直流电源〔8〕，单脉冲输出高频插座〔9〕，调制波输出高频插座〔10〕，调谐电感〔11〕，压电晶片〔12〕，接收放大器输入插座〔13〕，接收放大器〔14〕，接收放大器输出插座〔15〕，示波器〔16〕，音频输出插座〔17〕，频率计〔18〕以及增辉输出插座〔19〕所组成。本专利技术的工作原理脉冲回波重合法时序逻辑控制电路〔1〕周期性地产生发射同步信号，经开关〔2〕选通后，分别被送往单脉冲形成电路〔3〕或调制波形成电路〔4〕，然后再经过开关〔5〕送往发射电路〔6〕。当电源切换开关〔7〕将高低压直流电源〔8〕的高压直流电压VH送入发射电路〔6〕时，该超声波声速仪处于发射超声单脉冲波的工作状态，发射电路〔6〕输出幅度很高的，边沿很陡的电脉冲，经过单脉冲输出高频插座〔9〕，去激励压电晶片〔12〕产生单脉冲的超声波，压电晶片〔12〕与电感〔11〕构成一个调谐回路。当电源切换开关〔7〕转向另一侧，将高低压直流电源〔8〕的低压直流VL送入发射电路〔6〕时，该超声波声速仪处于发射超声调制波的工作状态，发射电路〔6〕输出一串串由方波调制的射频电脉冲，经过调制波输出高频插座〔10〕，去激励压电晶片〔12〕产生超声调制波。超声波的回波信号经过接收放大器输入插座〔13〕送入接收放大器〔14〕，经过高频放大后，再由接由接收放大器输出插座〔15〕送往示波器〔16〕的Y轴进行显示。脉冲冲回波重合法时序逻辑控制电路〔1〕输出的音频信号，经过音频输出插座〔17〕后，一路被送往示波器〔16〕X轴，作为外触发扫描信号;另一路被送往频率计〔18〕进行频率测量。同时，脉冲回波重合法时序逻辑控制电路〔1〕输出两个同步增辉信号，经过增辉输出插座〔19〕送往示波器〔16〕的Z轴。在测量时，可先调节增辉信号的位置，在超声波回波序列中选择所需观察的两次回波进行增辉，使这两次回波在示波器上清楚可见，而不需要观察的其它回波信号，由于未被增辉，便在示波器的显示屏幕上消失。调节时序逻辑控制电路〔1〕输出的音频信号的频率，使示波器中显示的这两次回波的每一周都对应地重合，然后读出频率计〔18〕中显示的频率值f，即示波器〔16〕的X轴外触发扫描信号的频率。根据超声波在试样中传播的距离L，便可算出声速C＝L·f。图2为本专利技术的用同一个晶体管分别发射超声单脉冲和调制波的发射电路〔6〕的实施例。本电路〔6〕有两个输入端，一端与单脉冲形成电路〔3〕相联，另一端与调制波形成电路〔4〕相联。晶体管〔21〕是发射三极管。在发射超声单脉冲时，开关〔5〕，〔7〕的状态如图2所示。高压直流电压VH(VH＝100～1500伏)经过电阻〔22〕加到晶体管〔21〕的集电极上，晶体管〔21〕的集电极与发射极之间的击穿电压为VCEO，在晶体管〔21〕处于正常工作状态时，其工作电压必须小于VCEO。若工作电压大于VCEO，同时晶体管〔21〕的集电极与发射极的回路上没有限流保护措施，则该晶体管的PИ结就会一次性击穿、烧毁。但是，在过电压的情况下，对晶体管〔21〕采取限流保护措施，该晶体管就能避免击穿、烧毁。如图2所示，若在晶体管〔21〕的集电极与发射极之间施加一高电压VH，且VH＞VCEO。(VH＝1.2～1.5VCEO)，这时晶体管〔21〕的CE极便被击穿。但是，由于加了限流电阻〔22〕，使集电极电流IC被限制在晶体管〔21〕功耗允许的范围内(如图3所示)，则晶体管〔21〕不会被损坏。当高压VH消除后，晶体管〔21〕CE极的电压击穿也随之消除，该管的原有特性不受影响。当高压VH再次出现时，晶体管〔21〕的CE极将再次被击穿。晶体管〔21〕的这种击穿状态称为二次击穿状态。由于晶体管〔21〕在二次击穿时，集电极中有一股小电流流过。因此，在这种情况下，晶体管〔21〕的基极只要一出现高于晶体管开启电压的正信号，它的CE极就会立刻导通，产生一个边沿很陡的尖峰δ脉冲(见图4)，经过耦合电容〔24〕和高频插座〔9〕送往压电晶片〔12〕。电阻〔20〕是晶体管〔21〕EB极的并联电阻。把开关〔5〕，〔7〕置于另一侧，直流低电压VL(VL＝5～30伏)，便经过电阻〔23〕加到晶体管〔21〕的集电极上，这时晶体管〔21〕处于正常工作状态。在调制波信号到达前，晶体管〔21〕截止，二极管〔25〕，〔26〕截止，调制波信号到达后，晶体管〔21〕作周期性导通截止。当晶体管〔21〕截止时，高低压直流电源〔8〕的直流低电压VL，通过开关〔7〕，电阻〔23〕，二极管〔25〕，电容〔28〕和调制波输出高频插座〔10〕，向压电晶片〔12〕和调谐电感〔11〕所组成的调谐回路输出灌电流。当晶体管〔21〕导通时，通过调制波输出高频插座〔10〕，电容〔28〕，电阻〔27〕，二极管〔26〕和晶体管〔21〕，电路以相同的阻抗向压电晶片〔12〕和调谐电感〔11〕组成的调谐回路输出拉电流，从而激励压电晶片〔12〕作周期性的受策振动，产生受方波调制的超声波(见图5)。二极管〔25〕，〔26〕的作用不仅使拉电流和灌电流回路具有相同的阻抗，而且在发射回路与接接收回路之间起隔离作用。由于超声波的幅值一般远小于二极管的管压降，所以在回路中接正反向并联二极管〔25〕，〔26〕，可以使超声波回波的接收信号不受前级的影响。本专利技术的单脉冲形成电路〔3〕的实施例，如图6所示。脉冲回波重合法时序逻辑控制电路〔1〕产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用脉冲回波重合法的声速测量原理，由压电晶片［１２］调谐电感［１１］，接收放大器［１４］，示波器［１６］和频率计［１８］等组成的超声波声速仪，其特征在于利用晶体管在两个不同工作区域中的不同特性，实现了用同一个晶体管分别发射超声单脉冲和调制波的发射电路［６］，并与时序逻辑电路［１］组合在一起，精密地测量媒质的声速。

【技术特征摘要】
1.一种采用脉冲回波重合法的声速测量原理，由压电晶片[12]调谐电感[11]，接收放大器[14]，示波器[16]和频率计[18]等组成的超声波声速仪，其特征在于利用晶体管在两个不同工作区域中的不同特性，实现了用同一个晶体管分别发射超声单脉冲和调制波的发射电路[6]，并与时序逻辑电路[1]组合在一起，精密地测量媒质的声速。2.根据权利要求1所述的发射电路(6)，其特征在于由高低压电源〔8〕和切换开关〔5〕、〔7〕，晶体管〔21〕，电阻〔20〕、〔22〕、〔23〕、〔27〕，二极管〔25〕、〔26〕，电容〔24〕、〔28〕和输出插座〔9〕，〔10〕组成。3.根据权利要求1所述的发射电路〔6〕，其特征在于当发射超声单脉冲时，晶体管〔21〕处...

【专利技术属性】
技术研发人员：王寅观，魏墨盒，邵良华，卢杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]