一种超声传感器阵列寻址激励方法及电路

1.本发明属于超声检测领域，涉及一种超声传感器阵列寻址激励方法及电路。


背景技术：

2.超声检测被广泛应用于材料缺陷检测，超声传感器阵列具有一次性扫查范围大、获取回波信息丰富，以及发射波束灵活可调的特点，在超声相控阵检测，以及超声全矩阵全聚焦检测中得到了广泛的应用。然而，这些传感器阵列中，阵元的激励方式相对单一，延时激励对延时精度和强度均有较高的要求，导致传感器阵列，以及发射和接收电路组成的检测系统复杂度高，成本高，制约了其推广和应用。再加之传统的激励方法中阵列的每个阵元分别接一根信号线和一根参考电平线，导致信号连接线多。当阵列阵元数目较多时，每个阵元都需要一套发射电路和接收电路，后端处理信号的模块也相应增加，且结构复杂，也给整体系统设计增加了难度。
3.本发明针对目前超声传感器阵列激励现状，采用行列寻址激励模式，实现对阵列中任意阵元的选通激励和接收。并提供了任意阵元选通激励的方法和实现电路系统。该发明用较少的阵元电极信号引线，实现了任意阵元的激励，激励电路和接收电路的通道数也得到了明显减少，使传感器的激励模式更加灵活，电路复杂度显著降低，检测系统成本下降，特别适合于大规模超声传感器阵列的制备。


技术实现要素：

4.本发明目的在于能够通过超声传感器阵列的行列电极灵活的激励阵元和接收超声波反射的信号，以解决现有超声传感器阵列存在的局限，降低电路复杂度和规模，提高电路的利用率，有效降低检测系统的成本。为此，提供一种超声传感器阵列寻址激励方法及电路，
5.为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：
6.步骤1，传感器阵列为n
×
m的平面阵列，其中阵列行数为n，列数为m，任意阵元编号为(i，j)，i＝1，2，...，n，j＝1，2，...，m，传感器阵列中相同行号的阵元共线连接，相同列号的阵元共线连接；
7.步骤2，将行共线电极作为地电极，将列共线电极作为信号电极，形成n条地电极引线和m条信号引线；
8.步骤3，由控制电路产生占空比可调的方波信号，经功率放大后得到g1，g2，...，gi，...gn，用于行选通控制；
9.步骤4，由控制电路产生占空比可调的方波信号，经功率放大后得到t1，t2，...，tj，...tm，用于列选通控制；
10.步骤5，将gi信号和tj信号分别接入行、列选通控制电路的输入端，作为电子开关q和u的选通控制信号；
11.步骤6，由电路产生正直流高压p1和负直流高压p2，经电阻限流后并分别接入列选
通电路和行选通电路；
12.步骤7，行选通控制信号gi为逻辑低电平使pmos管q导通，逻辑高电平使pmos管q截止。列选通控制信号tj信号为逻辑高电平使nmos管u导通，逻辑低电平使nmos管u截止。
13.步骤8，阵元编号(i，j)对应的行控制信号gi和列控制信号tj分别处于逻辑低电平和逻辑高电平时，该阵元选通；
14.步骤9，施加正直流高压p1使电容c处于充电状态，当阵元被选通后，电容c放电，激励阵元，该阵元产生超声波；
15.步骤10，阵元产生超声波，并经由被测体反射后，根据控制时序使需要接收的阵元选通，接收超声回波；
16.步骤11，超声波接收完成后，根据控制时序，进行其它阵元选通、激励，以及接收，以此类推，可实现阵列中任意阵元的选通激励与接收。
17.步骤1具体为：传感器阵列由分立阵元组成，阵元均采用压电陶瓷片切割加工而成，阵元大小相等，具备超声波收、发两种模式。每个阵元均有唯一编号(i，j)，且每个阵元有顶部电极和底部电极，阵列中处于相同行和相同列的阵元顶部电极和底部电极采用共线连接方式，形成相同行号的n条顶部行电极，以及相同列号的m条底部列电极。阵元间隙由绝缘吸声材料填充，阵元间无其它电气连接。
18.步骤2具体为：将行共线电极作为地电极，将列共线电极作为信号电极，形成n条地电极引线和m条信号引线。顶部电极和底部电极的选取可以对换，本发明只是为了描述方便，采用此种描述方式。
19.步骤3具体为：由控制电路产生占空比可调的方波信号，该方波信号由微控制器(mcu)产生，功率放大采用电荷泵实现，且经电荷泵输出的信号逻辑高低电平产生转换，得到g1，g2，...，gi，...gn，用于行选通控制。
20.步骤4具体为：由控制电路产生占空比可调的方波信号，该方波信号由微控制器(mcu)产生，功率放大采用晶体管和电容组成的电路实现，逻辑高低电平与mcu输出不同，逻辑高电平起始时刻为mcu输出方波的下降沿，且占空比变小。得到t1，t2，...，tj，...tm，用于列选通控制。
21.步骤5具体为：将gi信号和tj信号分别接入行、列选通控制电路的输入端，输入端为mos管的栅极。
22.步骤6具体为：正直流高压p1由直流高压模块产生，用于电容c充电，通过放电产生激励超声阵元的电脉冲信号。负直流高压p2由直流高压模块产生，用于阻断激励电脉冲与地之间的流通，且p1和p2应满足|p1|《|p2|。
23.步骤7具体为：列选通控制信号tj信号为逻辑高电平使nmos管u导通，导通后由激励电脉冲通过电容c放电，激励阵元产生超声波，放电完成后u处于截止状态，此时电路给电容充电，作为下次激励电脉冲，用于阵元产生超声波。放电完成后管q处于导通状态，保持到对应阵元接收回波信号完成。
24.步骤8具体为：阵元编号(i，j)选通后阵元激励电脉冲放电产生超声波，该步骤为激励阵元选通激励。接收阵元按控制时序导通后方可开始接收回波信号，控制时序由实测物体声程对应的时间确定。
25.步骤9具体为：接收超声回波时，接收阵元一直处于选通状态，时间窗口不得小于
超声波在物体中传输时间的2倍。
26.本发明所述的超声传感器阵列寻址激励电路，主要包括方波产生电路、功率放大电路、选通控制电路和激励电脉冲产生电路。
27.所述的方波产生电路由微控制器(mcu)组成，通过mcu的i/o口的定时器功能产生方波信号。其中，用于行、列选通控制的方波信号频率由超声传感器重复频率确定，mcu先产生列选通控制对应的方波信号，而行选通方波信号的起始点由列选通方波信号的下降沿确定，持续时间转闸门由实际的超声波测量声程确定。
28.所述的功率放大电路主要用于对mcu产生的方波进行功率放大，以达到有效驱动q管和u管的目的。其中，列控制方波信号的功率放大电路由晶体管和电容组成，其中晶体管主要用于功率放大，电容主要用于捕捉功率放大前的方波信号的上升沿和下降沿，以确定列选通信号的起始点和方波高电平持续时间；行控制方波信号的功率放大电路由电荷泵芯片实现，主要用于方波信号的功率放大和高低电平翻转。
29.所述的选通控制电路主要由nmos和pmos管组成，其中nmos管用于控制列选通，然后激励电脉冲作用于阵元上产生超声波。pmos管用于控制行选通，然后结合p2实现截止和导通。
30.所述的激励电脉冲产生电路主要由直流高压模块和电容组成，其中直流高压模块提供激励阵元所需的电脉冲能量，电容用于充放电，以实现对阵元的激励，从而产生超声波。
31.本发明具有以下有益效果：超声传感器阵列寻址激励方法，不同于传统的超声传感器阵列寻址激励方法，本发明的优点在于使用三个一定时序的控制信号实现激励阵列任意阵元并接收其反射回波，硬件电路结构简单且易于实现，使用高占空比控制信号得到低占空比控制信号，在保证灵活激励阵元的同时可以灵活使用不同阵元接收回波数据。
附图说明
32.图1为本发明超声传感器阵列寻址激励系统组成及原理图；
33.图2为本发明示例超声传感器阵列结构示意图；
34.图3为本发明示例未激励时行列电极默认的开关配置；
35.图3a为本发明示例激励脉冲发射电路；
36.图3b为本发明示例地回路选通电路；
37.图4为本发明示例任意单阵元激励时行列电极的开关配置；
38.图5为本发明示例任意单阵元接收时行列电极的开关配置；
39.图6为本发明示例任意单阵元激励及接收开关配置时序图；
40.图7为本发明示例激励脉冲波形图；
41.图8(a)为本发明示例行电极配置为高阻态时行电极偏置电压波形图；图8(b)为配置接地状态时行电极的波形图；
42.图9为本发明示例单阵元激励模式下实测超声回波信号波形图；
具体实施方式
43.以下结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步描述。需要说明的是，本发明
还可以通过其他等效实施方式加以应用，以下实施例中所提供的实施方式和附图说明仅以示例方式说明本发明的基本技术构想，实施例中相关元件的型号、数目、尺寸、材料等参数在具体实施环境中可进行改变。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.本发明中采用8行和8列的阵列结构主要是考虑其可以完成所述功能，可由该寻址激励方法及电路扩展至不同规模阵列。
45.为便于对本寻址激励方法进行理解，首先对本发明示例的寻址方法进行说明，图1图示了本发明系统组成和原理，传感器阵列局部图如图1所示，101为传感器背衬层，102为行电极，103为传感器阵元，104为匹配层，105为列电极。传感器阵列为n
×
m的平面阵列，其中阵列行数为n，列数为m，任意阵元编号为(i，j)，i＝1，2，...，n，j＝1，2，...，m，传感器阵列中相同行号的阵元共线连接，相同列号的阵元共线连接；将行共线电极作为地电极，将列共线电极作为信号电极，形成n条地电极引线和m条信号引线；通过微控制器(mcu)产生两路占空比可调的方波信号，经过功率放大后得到g1，g2，...，gi，...gn和t1，t2，...，tj，...tm，分别用于行选通控制和列选通控制，将gi信号和tj信号分别接入行、列选通控制电路的输入端，作为电子开关q和u的选通控制信号；由高压模块产生正直流高压p1和负直流高压p2，经电阻限流后并分别接入列选通电路和行选通电路；行选通控制信号gi为逻辑低电平使pmos管q导通，逻辑高电平使pmos管q截止。列选通控制信号tj信号为逻辑高电平使nmos管u导通，逻辑低电平使nmos管u截止。阵元编号(i，j)对应的行控制信号gi和列控制信号tj分别处于逻辑低电平和逻辑高电平时，该阵元选通；正直流高压p1使电容c处于充电状态，当阵元被选通后，电容c放电，激励阵元，该阵元产生超声波；阵元产生超声波，并经由被测体反射后，根据控制时序使需要接收的阵元选通，接收超声回波；超声波接收完成后，根据控制时序，进行其它阵元选通、激励，以及接收，以此类推，可实现阵列中任意阵元的选通激励与接收。
46.图2为本发明激励的目标超声传感器阵列结构，包括超声传感器阵列整体结构201，传感器阵列背衬层202、传感器阵列行电极203、传感器阵列204、传感器阵列列电极205和传感器阵列匹配层206。可以使用多种耦接技术将以上所述部分结合。例如在阵元上下表面涂抹导电银浆，将行电极203和列电极205压印在阵元上下表面。其中阵元均采用压电陶瓷片切割加工而成，阵元大小相等，阵元间隙由绝缘吸声材料填充，阵元间无其它电气连接。为减小列电极对超声信号的衰减，列电极采用镂空设计。图2为传感器阵列处于休眠状态时，行列电极选通状态，列电极选通为接收状态且不对回波信号进行采样，行电极选通为高阻态，不选通激励及接收任意阵元。图3a为列激励选通电路，包括功率放大电路、选通控制电路和激励电脉冲产生电路。通过mcu的i/o口定时器功能产生控制信号t。当控制信号t为下降沿时，经过由晶体管和电容组成功率放大电路后产生tj信号，tj信号为高电平驱动nmos管，使电容c1放电产生激励脉冲；当控制信号t为其他状态时，tj信号为低电平截止nmos管，c1电容充电。其中vcc_ph_power连接正高压电源。图3b为控制地回路选通电路，包括功率放大电路和选通控制电路，使用电荷泵芯片对控制信号g进行功率放大，用于控制pmos管导通和截止。当控制信号g为高电平时，pmos管导通，行电极与参考地相连即配置为gnd；当控制信号g为低电平时，pmos管截止，即配置为高阻态。其中控制信号g起始点由列选
通方波信号的下降沿确定，持续时间由实际的超声波测量声程确定。用于行、列选通控制的方波信号频率由超声传感器重复频率确定。vcc_nh_power连接负高压电源且幅值大于等于vcc_ph_power幅值。s
ij
表示阵元(i，j)的状态，其计算公式如下，
[0047][0048]
其中，li表示第i行状态，高阻态时li＝0，接地状态时li＝1；cj表示第j列状态，接收状态时cj＝0，发射状态时cj＝1。
[0049]
下面结合图4至图6详细描述本发明的选通时序：
[0050]
图4图示了激励(4，4)阵元时电极配置，c4列配置为t4模式，l4行配置为gnd状态。图5图示了接收(4，4)阵元超声反射信号时电极配置，c4列配置为r4模式并对信号进行采样，l4行配置为gnd状态。图6为阵元激励和接收回波信号模式下，控制信号t、r和g的时序图。其中t0为起始时刻，t1时刻向c4列脉冲发射电路施加控制信号t4；t2时刻，控制信号t4为下降沿时产生激励脉冲，控制信号gnd为高，s
44
＝1为激励状态；同时控制信号r4切换至高电平，开始采样c4列超声反射信号。t3时刻，结束采样，将l4行配置为高阻态。t0～t3时刻为一个激励周期，该激励方法可实现任意单阵元激励及单阵元接收超声回波数据。其中t1～t3时刻时间不得小于超声波在物体中传输时间的2倍。
[0051]
以激励(1，1)阵元为例，当列阵元配置为发射状态，图7为激励电脉冲产生电路施加在所述列电极的激励脉冲波形图，该激励脉冲幅值为96v，脉冲宽度为1us，当选通所述行电极时，所述行电极信号如图8(a)至图8(b)所示，偏置电压由-100v降低到0v，(1，1)阵元即被选通激励；将所述传感器阵列放置在表面平整，厚度为3.6cm的端面，测试收到的第一次底面回波信号。根据超声波在铝中的传播速度v＝6300m/s，以及被测试块厚度为3.6cm，可以计算出接收到第一次底面回波信号的时刻如图9所示，在相应时刻处可以观察到第一次底面回波信号。
[0052]
本发明所述寻址激励方法及电路有以下特点：
[0053]
s1.该寻址激励方法在任意一列电极发射激励脉冲，在任意一行选通地回路，仅激励行列交汇阵元，可以激励传感器阵列任意阵元。
[0054]
s2.激励脉冲和超声传感器阵列列电极之间放置二极管，在行电极施加偏置电压，使用二极管单向导电性的特性实现对激励脉冲的地选通。
[0055]
s3.指定阵元被激励后，所述列电极配置为接收状态，所述行电极继续配置为接地状态，可以实现阵元的双向收发模式。
[0056]
实施例中的说明仅是针对本发明可行性实施方式的具体展示，并非用以限制本发明的保护范围。凡是未脱离本发明技艺精神的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，主要包括以下步骤：步骤1，传感器阵列为n
×
m的平面阵列，其中阵列行数为n，列数为m，任意阵元编号为(i,j),i＝1,2,
…
,n，j＝1,2,
…
,m，传感器阵列中相同行号的阵元共线连接，相同列号的阵元共线连接；步骤2，将行共线电极作为地电极，将列共线电极作为信号电极，形成n条地电极引线和m条信号引线，顶部电极和底部电极的选取可以对换；步骤3，由控制电路产生占空比可调的方波信号，经功率放大后得到g1,g2,
…
,gi,
…
gn，用于行选通控制；g1,g2,
…
,gi,
…
gn为功率放大后的行选通信号，1、2,
…
,n表示行序号；步骤4，由控制电路产生占空比可调的方波信号，经功率放大后得到t1,t2,
…
,tj,
…
tm，用于列选通控制；t1,t2,
…
,tj,
…
tm为功率放大后的列选通信号；步骤5，将gi信号和tj信号分别接入行、列选通控制电路的输入端，作为电子开关q和u的选通控制信号；步骤6，由电路产生正直流高压p1和负直流高压p2，经电阻限流后并分别接入列选通电路和行选通电路；步骤7，行选通控制信号gi为逻辑低电平使pmos管q导通，逻辑高电平使pmos管q截止；列选通控制信号tj信号为逻辑高电平使nmos管u导通，逻辑低电平使nmos管u截止；步骤8，阵元编号(i,j)对应的行控制信号gi和列控制信号tj分别处于逻辑低电平和逻辑高电平时，该阵元选通；步骤9，正直流高压p1使电容c处于充电状态，当阵元被选通后，电容c放电，激励阵元，该阵元产生超声波；步骤10，阵元产生超声波，并经由被测体反射后，根据控制时序使需要接收的阵元选通，接收超声回波；步骤11，超声波接收完成后，根据控制时序，进行其它阵元选通、激励和接收，以此类推，可实现阵列中任意阵元的选通激励与接收。2.根据权利要求1所述的一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，所述步骤1中传感器阵列由分立阵元组成，阵元均采用压电陶瓷片切割加工而成，阵元大小相等，具备超声波收、发两种模式。3.根据权利要求1所述的一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，所述步骤1中每个阵元均有唯一编号(i,j)，且每个阵元有顶部电极和底部电极，阵列中处于相同行和相同列的阵元顶部电极和底部电极采用共线连接方式，形成相同行号的n条顶部行电极，以及相同列号的m条底部列电极；阵元间隙由绝缘吸声材料填充，阵元间无其它电气连接。4.根据权利要求1所述的一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，所述步骤3中由控制电路产生占空比可调的方波信号，该方波信号由微控制器mcu产生，功率放大采用电荷泵实现，且经电荷泵输出的信号逻辑高低电平产生转换，得到g1,g2,
…
,gi,
…
gn，用于行选通控制。5.根据权利要求1所述的一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，所述步骤4中由控制电路产生占空比可调的方波信号，该方波信号由微控制器产生，功率放大采用晶体管和电容组成的电路实现，逻辑高低电平与mcu输出不同，逻辑高电平起始时刻为mcu输
出方波的下降沿，且占空比变小；得到t1,t2,
…
,tj,
…
tm，用于列选通控制。6.根据权利要求1所述的一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，所述步骤6中正直流高压p1由直流高压模块产生，用于电容c充电，通过放电产生激励超声阵元的电脉冲信号；负直流高压p2由直流高压模块产生，用于阻断激励电脉冲与地之间的流通，且p1和p2应满足|p1|<|p2|。7.根据权利要求1所述的一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，所述步骤7中列选通控制信号tj信号为逻辑高电平使nmos管u导通，导通后由激励电脉冲通过电容c放电，激励阵元产生超声波，放电完成后u处于截止状态，此时电路给电容充电，作为下次激励电脉冲，用于阵元产生超声波；放电完成后管q处于导通状态，保持到对应阵元接收回波信号完成。8.根据权利要求1所述的一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，所述步骤8中阵元编号(i,j)选通后阵元激励电脉冲放电产生超声波，该步骤为激励阵元选通激励；接收阵元按控制时序导通后方可开始接收回波信号，控制时序由实测物体声程对应的时间确定。9.根据权利要求1所述的一种超声传感器阵列寻址激励方法，其特征在于，所述步骤9中接收超声回波时，接收阵元一直处于选通状态，时间窗口不得小于超声波在物体中传输时间的2倍。10.一种超声传感器阵列寻址激励电路，其特征在于，包括相连接的方波产生电路、功率放大电路、选通控制电路和激励电脉冲产生电路；所述方波产生电路由微控制器(mcu)组成，通过mcu的i/o口的定时器功能产生方波信号，其中，用于行、列选通控制的方波信号频率由超声传感器重复频率确定，mcu先产生列选通控制对应的方波信号，而行选通方波信号的起始点由列选通方波信号的下降沿确定，持续时间转闸门由实际的超声波测量声程确定；所述功率放大电路主要用于对mcu产生的方波进行功率放大，以达到有效驱动q管和u管的目的，其中，列控制方波信号的功率放大电路由晶体管和电容组成，其中晶体管主要用于功率放大，电容主要用于捕捉功率放大前的方波信号的上升沿和下降沿，以确定列选通信号的起始点和方波高电平持续时间；行控制方波信号的功率放大电路由电荷泵芯片实现，主要用于方波信号的功率放大和高低电平翻转；所述选通控制电路主要由nmos和pmos管组成，其中nmos管用于控制列选通，然后激励电脉冲作用于阵元上产生超声波，pmos管用于控制行选通，然后结合p2实现截止和导通；所述激励电脉冲产生电路主要由直流高压模块和电容组成，其中直流高压模块提供激励阵元所需的电脉冲能量，电容用于充放电，以实现对阵元的激励，从而产生超声波。

技术总结
本发明公开了一种超声传感器阵列寻址激励方法及电路，该方法通过对传感器阵列中任意阵元进行控制选通，再实现对选通阵元的激励。该发明中寻址激励方法及电路主要用于行-列电极共线的超声传感器阵列，传感器阵列中各阵元均为双向收发工作模式。寻址激励时首先将阵元(i,j)对应的行和列进行电气选通，阵元选通后，激励电脉冲通过电路回路作用在阵元上产生超声波。寻址激励电路主要包括行、列选通控制电路，以及激励电脉冲产生电路。传感器阵列中阵元信号连线复杂度从传统的N


技术研发人员：宋寿鹏 邵文津 张云鹏 贾惠 郝然
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20