電容式超聲傳感器信號提取電路設(shè)計.pdf

1、超聲成像技術(shù)在醫(yī)學、無損檢測及海底地形探測等領(lǐng)域中應用廣泛，而超聲傳感器作為其主要部件，已成為一大研究熱點。其中電容式超聲傳感器(CMUT)由于有無需匹配層，且?guī)捿^高、易集成易陣列化、穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點，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量級左右，電容變化量在0.1-1fF量級，甚至更低，且工作頻率非常高。因此設(shè)計一款可檢測高頻動態(tài)微弱電容信號的檢測電路成為亟需解決的問題。
　　本文

2、針對以上問題展開了研究。首先，對CMUT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理進行了系統(tǒng)的分析，創(chuàng)建了其對應的電路模型，并推導了傳感器受到單位壓力時振動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CMUT的性能進行仿真分析，得出了單位壓力下傳感器振動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)計檢測電路提供依據(jù)。然后，設(shè)計了兩款適用于本課題組設(shè)計的CMUT的微弱動態(tài)電容檢測電路：基于電容-電壓轉(zhuǎn)換原理的交流電橋電容

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

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