電容式超聲傳感器信號(hào)提取電路設(shè)計(jì).pdf

1、超聲成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)、無(wú)損檢測(cè)及海底地形探測(cè)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，而超聲傳感器作為其主要部件，已成為一大研究熱點(diǎn)。其中電容式超聲傳感器(CMUT)由于有無(wú)需匹配層，且?guī)捿^高、易集成易陣列化、穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為高頻超聲傳感器的主要發(fā)展方向。但是由于CMUT的靜態(tài)電容值都在0.1-1pF量級(jí)左右，電容變化量在0.1-1fF量級(jí)，甚至更低，且工作頻率非常高。因此設(shè)計(jì)一款可檢測(cè)高頻動(dòng)態(tài)微弱電容信號(hào)的檢測(cè)電路成為亟需解決的問(wèn)題。
　　本文

2、針對(duì)以上問(wèn)題展開(kāi)了研究。首先，對(duì)CMUT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，創(chuàng)建了其對(duì)應(yīng)的電路模型，并推導(dǎo)了傳感器受到單位壓力時(shí)振動(dòng)薄膜的位移及振速公式、產(chǎn)生的電流公式等，使用ANSYS軟件對(duì)CMUT的性能進(jìn)行仿真分析，得出了單位壓力下傳感器振動(dòng)薄膜的位移圖與各階模態(tài)圖，并確定了其諧振頻率及電容變化量等，為后續(xù)設(shè)計(jì)檢測(cè)電路提供依據(jù)。然后，設(shè)計(jì)了兩款適用于本課題組設(shè)計(jì)的CMUT的微弱動(dòng)態(tài)電容檢測(cè)電路：基于電容-電壓轉(zhuǎn)換原理的交流電橋電容

3、檢測(cè)電路與基于電容-電流轉(zhuǎn)換原理的跨阻放大電容檢測(cè)電路，并用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真分析。此外，由于在超聲成像系統(tǒng)中CMUT需要發(fā)射超聲波探測(cè)前方目標(biāo)并接收反射聲波使電容值發(fā)生變化，所以設(shè)計(jì)了線性調(diào)頻脈沖信號(hào)發(fā)生電路，使CMUT發(fā)射脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔以及脈沖信號(hào)的頻率及占空比都能很方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于CMUT發(fā)射狀態(tài)與接收狀態(tài)之間需要切換，因此分析了整個(gè)電容檢測(cè)系統(tǒng)中各模塊的時(shí)序問(wèn)題并編寫(xiě)了時(shí)序控制程序。最后，搭建了測(cè)試平臺(tái)

4、，對(duì)電容檢測(cè)電路以及線性調(diào)頻脈沖發(fā)射電路進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試了電容檢測(cè)電路的靈敏度、線性度以及穩(wěn)定性等相關(guān)指數(shù)；測(cè)試了脈沖發(fā)射電路發(fā)射信號(hào)的幅值、帶寬等。
　　實(shí)驗(yàn)表明，線性調(diào)頻脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)波形較好，信號(hào)的頻率與占空比及發(fā)射間隔都能方便的進(jìn)行控制，脈沖壓縮電路能使脈沖信號(hào)的脈沖寬度得到相當(dāng)大的壓縮，從而提高系統(tǒng)在距離向的分辨率，并增大聲信號(hào)的強(qiáng)度。而電容檢測(cè)電路的靈敏度為0.908mv/fF；電路的線性度良好，理論線性曲