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电容式超声传感器信号提取电路设计

廉德钦  
【摘要】:超声成像技术在医学、无损检测及海底地形探测等领域中应用广泛,而超声传感器作为其主要部件,已成为一大研究热点。其中电容式超声传感器(CMUT)由于有无需匹配层,且带宽较高、易集成易阵列化、稳定性好等众多优点,成为高频超声传感器的主要发展方向。但是由于CMUT的静态电容值都在0.1-1pF量级左右,电容变化量在0.1-1fF量级,甚至更低,且工作频率非常高。因此设计一款可检测高频动态微弱电容信号的检测电路成为亟需解决的问题。 本文针对以上问题展开了研究。首先,对CMUT的基本结构与工作原理进行了系统的分析,创建了其对应的电路模型,并推导了传感器受到单位压力时振动薄膜的位移及振速公式、产生的电流公式等,使用ANSYS软件对CMUT的性能进行仿真分析,得出了单位压力下传感器振动薄膜的位移图与各阶模态图,并确定了其谐振频率及电容变化量等,为后续设计检测电路提供依据。然后,设计了两款适用于本课题组设计的CMUT的微弱动态电容检测电路:基于电容-电压转换原理的交流电桥电容检测电路与基于电容-电流转换原理的跨阻放大电容检测电路,并用Multisim软件对电路进行了仿真分析。此外,由于在超声成像系统中CMUT需要发射超声波探测前方目标并接收反射声波使电容值发生变化,所以设计了线性调频脉冲信号发生电路,使CMUT发射脉冲信号的时间间隔以及脉冲信号的频率及占空比都能很方便地进行调节。由于CMUT发射状态与接收状态之间需要切换,因此分析了整个电容检测系统中各模块的时序问题并编写了时序控制程序。最后,搭建了测试平台,对电容检测电路以及线性调频脉冲发射电路进行了测试。测试了电容检测电路的灵敏度、线性度以及稳定性等相关指数;测试了脉冲发射电路发射信号的幅值、带宽等。 实验表明,线性调频脉冲发生电路产生的脉冲信号波形较好,信号的频率与占空比及发射间隔都能方便的进行控制,脉冲压缩电路能使脉冲信号的脉冲宽度得到相当大的压缩,从而提高系统在距离向的分辨率,并增大声信号的强度。而电容检测电路的灵敏度为0.908mv/fF;电路的线性度良好,理论线性曲线与实际曲线的相关系数达到了0.9895;稳定性良好,在1小时的实验过程中,电路输出值能稳定在0.7mv以内。


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