一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法、裝置及系統(tǒng)，該超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法包括：步驟a：向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動該超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號；步驟b：從超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過該待測介質(zhì)后的超聲波信號；步驟c：根據(jù)接收的超聲波信號的幅值確定該超聲波換能器的中心頻率；步驟d：根據(jù)該中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵信號的頻率，向超聲波換能器發(fā)送經(jīng)調(diào)整后的超聲波頻率激勵信號，重復(fù)執(zhí)行步驟a～步驟d。通過本發(fā)明，自動識別和匹配超聲激勵信號的頻率與超聲波換能器中心頻率，并可動態(tài)改變超聲激勵信號的頻率，使超聲波換能器系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。
【專利說明】一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法、裝置及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種超聲波檢測技術(shù)，具體地，是關(guān)于一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法、裝置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波檢測技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，利用超聲波檢測檢測液體管路中氣泡的技術(shù)普遍應(yīng)用于諸如注射泵、輸液泵、血液透析機、自體血液回收機、輸液系統(tǒng)或心肺機以及制藥和工業(yè)中的計量和移液滴定裝置等。
[0003]在進行超聲波氣泡檢測的過程中，外部施加于超聲波換能器的驅(qū)動信號的頻率越接近換能器固有的中心頻率，則發(fā)射的超聲波信號越強。當驅(qū)動信號的頻率偏離換能器固有的中心頻率時，發(fā)射效率會降低，輸出信號幅度減小。目前的超聲波檢測流程如下:夕卜部施加的驅(qū)動脈沖信號往往通過阻容器件構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生超聲波頻率激勵信號，超聲波換能器發(fā)生端根據(jù)該超聲波頻率激勵信號產(chǎn)生超聲波信號，該超聲波信號經(jīng)過待測介質(zhì)(如管路、液體、空氣等介質(zhì))后，由超聲波換能器接收端接收,并經(jīng)過信號處理對接收的超聲波信號進行處理和識別，從而通過檢測接收的超聲波信號的強弱來識別管路中液體或氣體。
[0004]但由于阻容器件的分散性、一致性無法保證，直接導(dǎo)致輸出效率的降低。另一方面，超聲波換能器自身固有的中心頻率存在差異，無法確保其一致性，同樣會導(dǎo)致外部驅(qū)動信號的頻率與超聲波換能器自身固有的中心頻率不能很好的匹配，導(dǎo)致發(fā)射效率的降低。同時在應(yīng)用中同樣存在發(fā)射信號過強的問題，發(fā)射信號過強，容易造成信號的失真，會影響檢測結(jié)果，甚至造成誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例的主要目的在于提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法、裝置及系統(tǒng)，針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，實現(xiàn)外接驅(qū)動信號的頻率與換能器自身固有中心頻率的自動匹配及調(diào)整，達到最佳的檢測效果。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，該超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法包括:步驟a:向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號；步驟b:從超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過所述待測介質(zhì)后的超聲波信號；步驟c:根據(jù)接收的超聲波信號的幅值確定所述超聲波換能器的中心頻率；步驟d:根據(jù)所述中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵信號的頻率，向超聲波換能器發(fā)送經(jīng)調(diào)整后的超聲波頻率激勵信號，重復(fù)執(zhí)行步驟a?步驟d。
[0007]在一實施例中，上述超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法還包括:根據(jù)接收的超聲波信號判斷所述待測介質(zhì)的狀態(tài)。
[0008]在一實施例中，上述根據(jù)接收的超聲波信號判斷所述待測介質(zhì)的狀態(tài)，包括:根據(jù)所述幅值的大小，檢測所述待測介質(zhì)中是否存在氣體。[0009]在一實施例中，在向超聲波換能器發(fā)送經(jīng)調(diào)整后的超聲波頻率激勵信號之前，上述步驟d還包括:判斷接收到的超聲波信號是否存在失真，如果是，則調(diào)整所述超聲波頻率激勵信號的頻率。
[0010]具體地，上述的向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號，包括:向功率驅(qū)動器發(fā)送超聲波頻率激勵信號；控制所述功率驅(qū)動器將所述超聲波頻率激勵信號進行功率放大后發(fā)送給所述超聲波換能器；驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置根據(jù)放大后的超聲波頻率激勵信號向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號。
[0011]本發(fā)明實施例還提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，該超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)包括:信號發(fā)送單元，用于向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號；超聲波信號接收單元，用于從超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過所述待測介質(zhì)后的超聲波信號；中心頻率確定單元，用于根據(jù)接收的超聲波信號的幅值確定所述超聲波換能器的中心頻率；頻率調(diào)整單元，用于根據(jù)所述中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵信號的頻率。
[0012]在一實施例中，上述超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)還包括:介質(zhì)狀態(tài)檢測單元，用于根據(jù)接收的超聲波信號判斷所述待測介質(zhì)的狀態(tài)。
[0013]在一實施例中，上述的介質(zhì)狀態(tài)檢測單元具體用于根據(jù)所述幅值的大小，檢測所述待測介質(zhì)中是否存在氣體。
[0014]具體地，上述信號發(fā)送單元包括:信號發(fā)送模塊，用于向功率驅(qū)動器發(fā)送超聲波頻率激勵信號；控制模塊，用于控制所述功率驅(qū)動器將所述超聲波頻率激勵信號進行功率放大后發(fā)送給所述超聲波換能器；驅(qū)動模塊，用于驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置根據(jù)放大后的超聲波頻率激勵信號向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號。
[0015]本發(fā)明實施例還提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置，該超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置包括:控制器、超聲波換能器、功率驅(qū)動器、信號放大電路及信號變換電路，其中，所述控制器產(chǎn)生并向所述功率驅(qū)動器發(fā)送一超聲波頻率激勵信號；所述功率驅(qū)動器將所述超聲波頻率激勵信號進行功率放大后發(fā)送給所述超聲波換能器；所述超聲波換能器包括:發(fā)射裝置及接收裝置，所述發(fā)射裝置根據(jù)放大后的超聲波頻率激勵信號生成超聲波信號，并將所述超聲波信號發(fā)送至待測介質(zhì)；所述接收裝置接收經(jīng)過所述待測介質(zhì)后的超聲波信號，并將經(jīng)過所述待測介質(zhì)后的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送給所述信號放大電路；所述信號放大電路將所述電信號放大后發(fā)送至所述信號變換電路；所述信號變換電路將放大后的電信號轉(zhuǎn)換為直流信號后發(fā)送至所述控制器；所述控制器根據(jù)所述直流信號的幅值設(shè)置所述超聲波換能器的中心頻率，并根據(jù)所述中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵信號的頻率。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于，優(yōu)化超聲激勵信號的頻率與超聲波換能器中心頻率的匹配，自動識別超聲超聲波換能器最佳工作頻率；為避免信號失真，動態(tài)改變超聲激勵信號的頻率，使超聲波換能器系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法的流程圖；
[0019]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的MEGA88P芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的MEGA88P芯片的管腳1、2輸出波形示意圖；
[0021]圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的NE5532高性能放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例的信號發(fā)送單元I的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波氣泡檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0027]本發(fā)明實施例提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法、裝置及系統(tǒng)。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
[0028]本發(fā)明實施例提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，如圖1所示，該超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法包括:
[0029]步驟101:向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號；
[0030]步驟102:從超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過待測介質(zhì)后的超聲波信號；
[0031]步驟103:根據(jù)接收的超聲波信號的幅值確定超聲波換能器的中心頻率；
[0032]步驟104:根據(jù)中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵信號的頻率，向超聲波換能器發(fā)送經(jīng)調(diào)整后的超聲波頻率激勵信號，重復(fù)執(zhí)行上述步驟101?步驟104。
[0033]通過以上描述可知，利用本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，可動態(tài)地調(diào)整超聲波換能器的中心頻率，并可根據(jù)該中心頻率自動匹配和調(diào)整超聲波激勵信號的頻率，從而使超聲波換能器系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。
[0034]具體實施時，本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法可應(yīng)用于通過超聲波信號檢測傳輸介質(zhì)中是否存在氣泡或泡沫等雜質(zhì)的技術(shù)中，以下對上述各步驟進行詳細描述。
[0035]上述步驟101中，向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號。實際應(yīng)用中，可由一控制部分通過內(nèi)部定時器及中斷控制功能產(chǎn)生超聲波換能器所需的超聲波頻率激勵信號(例如是200KHz)。該控制部分通常采用單片微型控制器(即單片機)實現(xiàn)整體控制功能。單片機具有較強的集成度，涵蓋了中央處理單元(CPU)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、非易失性存儲器、定時計數(shù)單元、中斷控制器、外部事件捕捉單元(ICP)、AD/DA變換器等功能，即簡化系統(tǒng)的設(shè)計、降低體積和成本，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)綜合比較，在本發(fā)明實施例中選取了 ATmel的MEGA88P芯片(如圖2所示)，以實現(xiàn)總體功能，也可根據(jù)實際需要采用不同型號的芯片，本發(fā)明并不以此為限。該MEGA88P芯片的管腳12的一端與ICPl連接，用于脈沖輸入捕捉，另一端與管腳23連接，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換；管腳9與LED燈連接，用于狀態(tài)指示。上述的超聲波頻率激勵信號可為MEGA88P芯片的管腳1、2輸出的脈沖信號，如圖3所示，該MEGA88P芯片的管腳I輸出的超聲波信號波形與管腳2輸出的超聲波信號波形反相，相差為180度。
[0036]控制部分將產(chǎn)生的超聲波頻率激勵信號發(fā)送給超聲波換能器，該超聲波換能器的發(fā)射裝置根據(jù)該超聲波頻率激勵信號產(chǎn)生相應(yīng)的超聲波信號，并將該超聲波信號發(fā)送至待測介質(zhì)進行超聲波檢測。
[0037]上述步驟102中，從超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過待測介質(zhì)后的超聲波信號。在此之前，超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射超聲波信號，用以檢測該待測介質(zhì)中是否存在氣泡或泡沫，由該超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過了該待測介質(zhì)后的超聲波信號，并將接收到的超聲波信號再傳送給上述的控制部分，通過該控制部分對接收的超聲波信號進行分析，可以檢測該待測介質(zhì)中是否存在氣泡或泡沫。
[0038]超聲波換能器的接收裝置能夠?qū)⒊暡ㄐ盘栟D(zhuǎn)換為電信號，其向控制部分輸出的電信號為毫伏級，本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法還可包括:通過一放大電路實現(xiàn)信號放大過程。放大電路必須考慮信號帶寬問題，以避免信號失真。在本發(fā)明實施例中采用AD公司NE5532高性能放大器作為放大元件(如圖4所示)，輔助其它器件完成信號放大功能。
[0039]經(jīng)過上述放大電路放大后的信號為交流信號，其幅度與待測介質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)(液體、氣體或氣液比例)，為更為有效的識別判斷，需要將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。因此，本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法還可包括采用整流濾波電路完成信號由交流到直流的變換過程。而單片機中的中央處理單元(CPU)只能處理數(shù)字信號，無法識別直流模擬信號，因此需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對直流模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在本發(fā)明實施例中，直接利用MEGA88P單片機自身的10位模數(shù)變換單元完成信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換。
[0040]在上述步驟103中，控制部分接收到由超聲波換能器的接收裝置反饋的超聲波信號，并對該超聲波信號進行識別和分析，在具體的氣泡檢測過程中，由控制部分連續(xù)產(chǎn)生不同頻率的超聲波頻率激勵信號，并對由超聲波換能器的接收裝置反饋的超聲波信號進行幅值檢測，將幅值為最大時的超聲波頻率激勵信號的頻率設(shè)定為超聲波換能器固有的中心頻率，并將此頻率存儲于MEGA88P內(nèi)部的非易失性存儲單元(EEPROM)中，作為換能器特性參數(shù)進行保存。
[0041]在根據(jù)反饋的超聲波信號的幅值設(shè)定了超聲波換能器的中心頻率后，即可執(zhí)行上述的步驟104，根據(jù)該中心頻率調(diào)整控制部分產(chǎn)生的超聲波頻率激勵信號的頻率，并向超聲波換能器發(fā)送經(jīng)頻率調(diào)整后的超聲波頻率激勵信號，并循環(huán)執(zhí)行上述步驟101?步驟104，由于超聲波換能器自身固有的中心頻率存在差異，通過上述各步驟可以即時動態(tài)調(diào)整超聲波換能器的中心頻率。
[0042]由以上描述可知，通過本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，優(yōu)化超聲波頻率激勵信號的頻率與超聲波換能器固有頻率(中心頻率)的匹配。由于超聲波換能器都具有其固有的中心頻率，當提供的外接激勵信號頻率與換能器中心頻率一致時，其發(fā)射強度最大；當偏離其固有中心頻率時，換能器發(fā)射強度降低，容易造成系統(tǒng)不能正常工作。因此，通過自動識別并匹配超聲波換能器最佳工作頻率，能夠使超聲波換能器工作在最佳狀態(tài)。
[0043]在實際的應(yīng)用過程中，上述步驟104還包括:檢測超聲波換能器反饋的超聲波信號是否失真。如果檢測到反饋的超聲波信號幅度過高，則很容易產(chǎn)生信號失真。此時可適當改變超聲波頻率激勵信號的頻率，以改變超聲波換能器的中心頻率，適當降低發(fā)射和轉(zhuǎn)換效率，可以有效減少號失真，避免造成誤判。
[0044]如上文所述，本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法可應(yīng)用于通過超聲波信號檢測傳輸介質(zhì)中是否存在氣泡或泡沫等雜質(zhì)的技術(shù)中，由控制部分對該超聲波信號進行識另O，并做進一步判斷和處理，根據(jù)超聲波換能器反饋的超聲波信號判斷待測介質(zhì)的狀態(tài)，具體地，是根據(jù)該超聲波信號的幅值、波形、頻率等特征，識別管路中該待測介質(zhì)的狀態(tài)，即判斷該待測介質(zhì)中是否存在氣體，并可通過設(shè)置輸出指示燈和輸出信號端子指示該待測介質(zhì)的狀態(tài)。
[0045]由于單片機輸出管腳驅(qū)動能力較弱，只有毫安級，其輸出的超聲波頻率激勵信號可能無法驅(qū)動超聲波換能器產(chǎn)生較強的超聲波信號，因此需要對該超聲波頻率激勵信號進行功率放大。具體步驟如下:由控制部分向一功率驅(qū)動器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，該功率驅(qū)動器將超聲波頻率激勵信號進行功率放大并發(fā)送給超聲波換能器，放大后的超聲波頻率激勵信號驅(qū)動超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號。實際應(yīng)用中，可采用高頻三極管1815 (V1、V2)通過上述方法對超聲波頻率激勵信號進行功率放大，其帶寬為80MHz ο
[0046]綜上所述，利用本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，對超聲激勵信號的頻率與超聲波換能器中心頻率的匹配進行優(yōu)化，實現(xiàn)自動識別并調(diào)整超聲超聲波換能器的最佳工作頻率，同時，為避免信號失真，可動態(tài)改變超聲激勵信號的頻率，使超聲波換能器系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。
[0047]本發(fā)明實施例還提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。如圖5所示，該超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)包括:信號發(fā)送單元1、超聲波信號接收單元2、中心頻率確定單元3及頻率調(diào)整單元4，以下對該超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)中各部分的結(jié)構(gòu)及功能進行詳細說明。
[0048]信號發(fā)送單元I用于向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號。在實際應(yīng)用中，可由控制部分通過內(nèi)部定時器及中斷控制功能產(chǎn)生超聲波換能器所需的超聲波頻率激勵信號(例如是200KHz)。該控制部分通常可采用單片微型控制器(即單片機)實現(xiàn)整體控制功能。單片機具有較強的集成度，涵蓋了中央處理單元(CPU)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、非易失性存儲器、定時計數(shù)單元、中斷控制器、外部事件捕捉單元(ICP)、AD/DA變換器等功能，即簡化系統(tǒng)的設(shè)計、降低體積和成本，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)綜合比較，在本發(fā)明實施例中選取了 ATmel的MEGA88P芯片(如圖2所示)，以實現(xiàn)總體功能，也可根據(jù)實際需要采用不同型號的芯片，本發(fā)明并不以此為限。該MEGA88P芯片的管腳12的一端與ICPl連接，用于脈沖輸入捕捉，另一端與管腳23連接，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換；管腳9與LED燈連接，用于狀態(tài)指示。上述的超聲波頻率激勵信號可為MEGA88P芯片的管腳1、2輸出的脈沖信號，如圖3所示，該MEGA88P芯片的管腳I輸出的超聲波信號波形與管腳2輸出的超聲波信號波形反相，相差為180 度。
[0049]信號發(fā)送單元I將超聲波頻率激勵信號發(fā)送給超聲波換能器，該超聲波換能器的發(fā)射裝置根據(jù)該超聲波頻率激勵信號產(chǎn)生相應(yīng)的超聲波信號，并將該超聲波信號發(fā)送至待測介質(zhì)進行超聲波檢測。
[0050]超聲波信號接收單元2用于從超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過待測介質(zhì)后的超聲波信號。在此之前，超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射超聲波信號，用以檢測該待測介質(zhì)中是否存在氣泡或泡沫，由該超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過了該待測介質(zhì)后的超聲波信號，并將接收到的超聲波信號再傳送給上述的超聲波信號接收單元2，再由上述控制部分對接收的超聲波信號進行分析，可以檢測該待測介質(zhì)中是否存在氣泡或泡沫。
[0051]超聲波換能器的接收裝置能夠?qū)⒊暡ㄐ盘栟D(zhuǎn)換為電信號，其向控制部分輸出的電信號為毫伏級，本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)還可包括一放大電路，以對該電信號進行放大。放大電路必須考慮信號帶寬問題，以避免信號失真。在本發(fā)明實施例中采用AD公司NE5532高性能放大器作為放大元件(如圖4所示)，輔助其它器件完成信號放大功能。
[0052]經(jīng)過上述放大電路放大后的信號為交流信號，其幅度與待測介質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)(液體、氣體或氣液比例)，為更為有效的識別判斷，需要將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。因此，本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)還可包括整流濾波電路，以將信號由交流信號變換為直流信號。而單片機中的中央處理單元(CPU)只能處理數(shù)字信號，無法識別直流模擬信號，因此需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對直流模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在本發(fā)明實施例中，是直接利用MEGA88P單片機自身的10位模數(shù)變換單元完成信號的模數(shù)變換。
[0053]中心頻率確定單元3用于根據(jù)接收的超聲波信號的幅值確定超聲波換能器的中心頻率。在具體的氣泡檢測過程中，由控制部分連續(xù)產(chǎn)生不同頻率的超聲波頻率激勵信號，并對由超聲波換能器的接收裝置反饋的超聲波信號進行幅值檢測，中心頻率確定單元3將幅值為最大時的超聲波頻率激勵信號的頻率設(shè)定為超聲波換能器固有的中心頻率，并將此頻率存儲于MEGA88P內(nèi)部的非易失性存儲單元(EEPROM)中，作為換能器特性參數(shù)進行保存。
[0054]在根據(jù)反饋的超聲波信號的幅值設(shè)定了超聲波換能器的中心頻率后，即可通過頻率調(diào)整單元4根據(jù)該中心頻率調(diào)整控制部分產(chǎn)生的超聲波頻率激勵信號的頻率，并由信號發(fā)送單元I向超聲波換能器發(fā)送經(jīng)頻率調(diào)整后的超聲波頻率激勵信號。
[0055]由以上描述可知，通過本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，優(yōu)化超聲波頻率激勵信號的頻率與超聲波換能器固有頻率(中心頻率)的匹配。由于超聲波換能器都具有其固有的中心頻率，當提供的外接激勵信號頻率與換能器中心頻率一致時，其發(fā)射強度最大；當偏離其固有中心頻率時，換能器發(fā)射強度降低，容易造成系統(tǒng)不能正常工作。因此，通過自動識別并匹配超聲波換能器最佳工作頻率，能夠使超聲波換能器工作在最佳狀態(tài)。
[0056]上述超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)還可包括失真檢測單元，用于檢測超聲波換能器反饋的超聲波信號是否失真。如果檢測到反饋的超聲波信號幅度過高，則很容易產(chǎn)生信號失真。此時可適當改變超聲波頻率激勵信號的頻率，以改變超聲波換能器的中心頻率，適當降低發(fā)射和轉(zhuǎn)換效率，可以有效減少信號失真，避免造成誤判。
[0057]具體實施時，本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)可應(yīng)用于通過超聲波信號檢測傳輸介質(zhì)中是否存在氣泡或泡沫等雜質(zhì)的技術(shù)中，該超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)還可包括:介質(zhì)狀態(tài)檢測單元，用于根據(jù)超聲波換能器反饋的超聲波信號判斷待測介質(zhì)的狀態(tài)，具體地，是根據(jù)該超聲波信號的幅值、波形、頻率等特征，識別管路中該待測介質(zhì)的狀態(tài)，即判斷該待測介質(zhì)中是否存在氣體，并可通過設(shè)置輸出指示燈和輸出信號端子指示該待測介質(zhì)的狀態(tài)。
[0058]由于單片機輸出管腳驅(qū)動能力較弱，只有毫安級，其輸出的超聲波頻率激勵信號可能無法驅(qū)動超聲波換能器產(chǎn)生較強的超聲波信號，在本發(fā)明實施例中，可通過信號發(fā)送單元I實現(xiàn)控制功率驅(qū)動器對超聲波頻率激勵信號進行功率放大的功能。如圖6所示，該信號發(fā)送單元I包括:信號發(fā)送模塊11，用于向功率驅(qū)動器發(fā)送超聲波頻率激勵信號；控制模塊12，用于控制功率驅(qū)動器將超聲波頻率激勵信號進行功率放大后發(fā)送給超聲波換能器；驅(qū)動模塊13，用于驅(qū)動超聲波換能器的發(fā)射裝置根據(jù)放大后的超聲波頻率激勵信號向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號。實際應(yīng)用中，可采用高頻三極管1815 (V1、V2)對超聲波頻率激勵信號進行功率放大，其帶寬為80MHz。
[0059]綜上所述，利用本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，對超聲激勵信號的頻率與超聲波換能器中心頻率的匹配進行優(yōu)化，實現(xiàn)自動識別并調(diào)整超聲超聲波換能器的最佳工作頻率，同時，為避免信號失真，可動態(tài)改變超聲激勵信號的頻率，使超聲波換能器系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。
[0060]本發(fā)明實施例還提供一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置，如圖7所示，該超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置10包括:控制器101、超聲波換能器102、功率驅(qū)動器103、信號放大電路104及信號變換電路105，以下對該超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置中各部分的結(jié)構(gòu)及功能進行詳細說明。
[0061]控制器101產(chǎn)生一超聲波頻率激勵信號，并將該超聲波頻率激勵信號發(fā)送至功率驅(qū)動器103。該控制器101通過內(nèi)部定時器及中斷控制功能產(chǎn)生超聲波換能器所需的超聲波頻率激勵信號(例如是200KHZ)。該控制器101通?？刹捎脝纹⑿涂刂破?即單片機)實現(xiàn)整體控制功能。單片機具有較強的集成度，涵蓋了中央處理單元(CPU)、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、非易失性存儲器、定時計數(shù)單元、中斷控制器、外部事件捕捉單元(ICP)、AD/DA變換器等功能，即簡化系統(tǒng)的設(shè)計、降低體積和成本，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)綜合比較，在本發(fā)明實施例中選取了 ATmel的MEGA88P芯片(如圖2所示)，以實現(xiàn)總體功能，也可根據(jù)實際需要采用不同型號的芯片，本發(fā)明并不以此為限。該MEGA88P芯片的管腳12的一端與ICPl連接，用于脈沖輸入捕捉，另一端與管腳23連接，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換；管腳9與LED燈連接，用于狀態(tài)指示。上述的超聲波頻率激勵信號可為MEGA88P芯片的管腳1、2輸出的脈沖信號，如圖3所示，該MEGA88P芯片的管腳I輸出的超聲波信號波形與管腳2輸出的超聲波信號波形反相，相差為180度。
[0062]由于控制器101輸出管腳驅(qū)動能力較弱，只有毫安級，其輸出的超聲波頻率激勵信號可能無法驅(qū)動超聲波換能器產(chǎn)生較強的超聲波信號，因此，在本發(fā)明實施例中，通過上述功率驅(qū)動器103對超聲波頻率激勵信號進行功率放大，并發(fā)送給超聲波換能器102。實際應(yīng)用中，可采用高頻三極管1815 (V1、V2)作為功率驅(qū)動器103，對超聲波頻率激勵信號進行功率放大，其帶寬為80MHz。
[0063]超聲波換能器102包括:發(fā)射裝置及接收裝置，該發(fā)射裝置根據(jù)放大后的超聲波頻率激勵信號生成超聲波信號，并將該超聲波信號發(fā)送至待測介質(zhì)；超聲波換能器102的接收裝置接收經(jīng)過待測介質(zhì)后的超聲波信號，并將經(jīng)過待測介質(zhì)后的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送給信號放大電路104。
[0064]由于超聲波換能器102的接收裝置輸出的電信號為毫伏級，因此，需要對通過放大電路104進行信號放大，放大電路104必須考慮信號帶寬問題，以避免信號失真。在本發(fā)明實施例中采用AD公司NE5532高性能放大器作為放大元件(如圖4所示)，輔助其它器件完成信號放大功能。信號放大電路104將電信號放大后發(fā)送至信號變換電路105。
[0065]經(jīng)過上述放大電路104放大后的信號為交流信號，其幅度與待測介質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)(液體、氣體或氣液比例)，為更為有效的識別判斷，需要將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。本發(fā)明實施例的信號變換電路105為整流濾波電路，以將上述放大電路104放大后的信號由交流信號變換為直流信號，并將該直流信號發(fā)送給上述控制器101。而控制器101中的中央處理單元(CPU)只能處理數(shù)字信號，無法識別直流模擬信號，因此需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對直流模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在本發(fā)明實施例中，是直接利用控制器101自身的10位模數(shù)變換單元完成信號的模數(shù)變換。
[0066]在接收到信號變換電路105傳送的直流信號，并將其轉(zhuǎn)換為可識別的數(shù)字信號后，控制器101根據(jù)該直流信號的幅值設(shè)置超聲波換能器102的中心頻率，并根據(jù)該中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵信號的頻率。在具體的氣泡檢測過程中，由控制器101連續(xù)產(chǎn)生不同頻率的超聲波頻率激勵信號，并對由超聲波換能器102的接收裝置反饋的超聲波信號進行幅值檢測，控制器101將幅值為最大時的超聲波頻率激勵信號的頻率設(shè)定為超聲波換能器固有的中心頻率，并將此頻率存儲于MEGA88P內(nèi)部的非易失性存儲單元(EEPROM)中，作為換能器特性參數(shù)進行保存。
[0067]由以上描述可知，通過本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置，優(yōu)化超聲波頻率激勵信號的頻率與超聲波換能器固有頻率(中心頻率)的匹配。由于超聲波換能器都具有其固有的中心頻率，當提供的外接激勵信號頻率與換能器中心頻率一致時，其發(fā)射強度最大；當偏離其固有中心頻率時，換能器發(fā)射強度降低，容易造成系統(tǒng)不能正常工作。因此，通過本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，自動識別并匹配超聲波換能器最佳工作頻率，能夠使超聲波換能器工作在最佳狀態(tài)。
[0068]以下結(jié)合一應(yīng)用實例對本發(fā)明實施例的超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置進行說明。
[0069]在醫(yī)療器械領(lǐng)域，利用超聲波檢測檢測液體管路中氣泡的技術(shù)普遍應(yīng)用于諸如注射泵、輸液泵、血液透析機、自體血液回收機、輸液系統(tǒng)或心肺機以及制藥和工業(yè)中的計量和移液滴定裝置等。如圖8所示，應(yīng)用于上述各醫(yī)療器械的超聲波氣泡檢測系統(tǒng)主要包括:主控板，變頻器與離心電機、LCD顯示觸摸屏，電源裝置，步進電機及驅(qū)動器，超聲波換能器及打印機。
[0070]其中，該主控板的中央處理單元為W77E516，通過該主控板實現(xiàn)對上述變頻器與離心電機、LCD顯示觸摸屏，電源裝置，步進電機及驅(qū)動器，超聲波換能器及打印機的控制功能，并接收由LCD顯示觸摸屏反饋回的指令。
[0071]超聲波氣泡檢測及信號動態(tài)調(diào)整功能則由位于主控板上的單片機MEGA88實現(xiàn)，將檢測結(jié)果通過LEDl腳傳送給中央處理單元W77E516，同時指示LED顯示檢測狀態(tài)。
[0072]上述電源裝置包括變壓器及整流濾波電路，用以給系統(tǒng)提供5V、12V、-12V和41V的直流電壓。[0073]在臨床應(yīng)用中，通過上述的超聲波氣泡檢測系統(tǒng)對醫(yī)療器械管路中是否存在氣泡進行檢測，并通過超聲波信號動態(tài)調(diào)整技術(shù)優(yōu)化超聲波頻率激勵信號的頻率與超聲波換能器固有頻率(中心頻率)的匹配，自動識別并匹配超聲波換能器最佳工作頻率，以使超聲波換能器工作在最佳狀態(tài)。
[0074]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分步驟可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，比如R0M/RAM、磁碟、光盤等。
[0075]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，所述超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法包括: 步驟a:向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號； 步驟b:從超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過所述待測介質(zhì)后的超聲波信號； 步驟c:根據(jù)接收的超聲波信號的幅值確定所述超聲波換能器的中心頻率； 步驟d:根據(jù)所述中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵信號的頻率，向超聲波換能器發(fā)送經(jīng)調(diào)整后的超聲波頻率激勵信號，重復(fù)執(zhí)行步驟a~步驟d。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，所述超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法還包括:根據(jù)接收的超聲波信號判斷所述待測介質(zhì)的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，所述根據(jù)接收的超聲波信號判斷所述待測介質(zhì)的狀態(tài)，包括:根據(jù)所述幅值的大小，檢測所述待測介質(zhì)中是否存在氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，在向超聲波換能器發(fā)送經(jīng)調(diào)整后的超聲波頻率激勵信號之前，所述步驟d還包括: 判斷接收到的超聲波信號是否存在失真，如果是，則調(diào)整所述超聲波頻率激勵信號的頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波信號動態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號，包括: 向功率驅(qū)動器發(fā)送超聲波頻率激勵信號； 控制所述功率驅(qū)動器將所述超聲波頻率激勵信號進行功率放大后發(fā)送給所述超聲波換能器； 驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置根據(jù)放大后的超聲波頻率激勵信號向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號。
6.一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)包括: 信號發(fā)送單元，用于向超聲波換能器發(fā)送超聲波頻率激勵信號，以驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號； 超聲波信號接收單元，用于從超聲波換能器的接收裝置接收經(jīng)過所述待測介質(zhì)后的超聲波信號； 中心頻率確定單元，用于根據(jù)接收的超聲波信號的幅值確定所述超聲波換能器的中心頻率； 頻率調(diào)整單元，用于根據(jù)所述中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵信號的頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)還包括:介質(zhì)狀態(tài)檢測單元，用于根據(jù)接收的超聲波信號判斷所述待測介質(zhì)的狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，其特征在于，所述的介質(zhì)狀態(tài)檢測單元具體用于根據(jù)所述幅值的大小，檢測所述待測介質(zhì)中是否存在氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波信號動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，其特征在于，所述信號發(fā)送單元包括:信號發(fā)送模塊，用于向功率驅(qū)動器發(fā)送超聲波頻率激勵信號； 控制模塊，用于控制所述功率驅(qū)動器將所述超聲波頻率激勵信號進行功率放大后發(fā)送給所述超聲波換能器； 驅(qū)動模塊，用于驅(qū)動所述超聲波換能器的發(fā)射裝置根據(jù)放大后的超聲波頻率激勵信號向待測介質(zhì)發(fā)射一超聲波信號。
10.一種超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置，其特征在于，所述超聲波信號動態(tài)調(diào)整裝置包括:控制器、超聲波換能器、功率驅(qū)動器、信號放大電路及信號變換電路，其中， 所述控制器產(chǎn)生并向所述功率驅(qū)動器發(fā)送一超聲波頻率激勵信號； 所述功率驅(qū)動器將所述超聲波頻率激勵信號進行功率放大后發(fā)送給所述超聲波換能器； 所述超聲波換能器包括:發(fā)射裝置及接收裝置，所述發(fā)射裝置根據(jù)放大后的超聲波頻率激勵信號生成超聲波信號，并將所述超聲波信號發(fā)送至待測介質(zhì)；所述接收裝置接收經(jīng)過所述待測介質(zhì)后的超聲波信號，并將經(jīng)過所述待測介質(zhì)后的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送給所述信號放大電路； 所述信號放大電路將所述電信號放大后發(fā)送至所述信號變換電路； 所述信號變換電路將放大后的電信號轉(zhuǎn)換為直流信號后發(fā)送至所述控制器； 所述控制器根據(jù)所述直流信號的幅值設(shè)置所述超聲波換能器的中心頻率，并根據(jù)所述中心頻率調(diào)整超聲波頻率激勵·信號的頻率。
【文檔編號】G01N29/34GK103822972SQ201410057404
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】付長義 申請人:北京萬東康源科技開發(fā)有限公司