电压放大器在电容式超声传感器声学测试中的应用
实验名称：传感器声学特性测试
研究方向：本章设计了用于声频定向技术的超声传感器，对所设计传感器的工作参数进行了仿真分析，验证了设计的合理性。制作了电容式超声传感器实验样品。利用激光多普勒测振系统对传感器进行机械特性测试，利用阻抗分析仪对传感器的电输入阻抗进行测试，构建了传感器的声学特性测试实验系统，利用研制的电容式超声波传感器发射超声波，商用超声波传感器作为接收器进行了验证实验。
测试设备：电压放大器、函数发生器、超声波传感器、示波器、传感器等。
实验过程：
图1：传感器声学特性测试系统
图1所示为微型超声传感器的声学特性测试系统。函数发生器输出的直流偏置和交流激励电压经电压放大器放大后，施加到电容式超声波传感器上，使其发射超声波。利用超声波传感器作为接收器，将电容超声传感器和传感器相对放置，形成一发一收状态。超声波传感器接收到的超声波信号经放大电路后输出至示波器。
图2：超声传感器接收到的波形
对直径为2.5mm的传感器施加频率为30kHz，20Vp-p，10个周期的正弦交流激励，直流偏置电压为100V。将发射和接收传感器距离5mm放置，利用传感器接收到的信号原始波形如图2所示。
实验结果：
图3：收发传感器间距为5mm、3mm和2mm时接收到的波形
图3所示是收发传感器分别以5mm，3mm，和2mm的距离放置时，传感器接收到的信号经滤波处理后的结果。接收到的信号峰峰值约为0.071V、0.122V和0.129V，测试电路中传感器接收的信号放大后输出至示波器，因此实际接收信号的峰峰值约为0.35mV、0.61mV和0.64mV。
图4：40kHz平膜与非平膜传感器发射信号波形
将40kHz的平膜和非平膜传感器作为发射器，传感器作为接收器，两传感器相对5mm距离放置。对传感器施加频率为40kHz，20Vp-p，10个周期的正弦交流激励，平膜传感器偏置电压为100V，非平膜传感器偏置电压为200V。图4所示是接收到的信号波形，上图为平膜传感器发射的信号，下图为凸台非平膜传感器发射的信号。接收到的信号峰峰值约为0.074V和0.088V，实际接收信号的峰峰值约为0.37mV和0.44mV。从测试结果可看出，非平膜传感器的输出声压值高于平膜传感器。由于施加到传感器上的偏置电压较��，因此接收到的信号幅值较小。
图5：平膜和非平膜传感器发射声波波形
利用制作的频率相同的平膜和非平膜传感器进行发射实验，施加的偏置电压分别为100V和200V，交流激励为40kHz，25Vp-p，1个周期的正弦波信号，传感器接收到的信号原始波形如图5所示。接收到平膜传感器发射的声波信号幅值约为0.082V，接收到的非平膜传感器发射声波信号的幅值约为0.113V。
图6：平膜传感器滤波后的波形与频谱图
图6是平膜传感器发射信号经滤波后的波形与频谱分析结果，传感器中心频率约为35kHz，带宽约为90%。图7为凸台非平膜传感器发射信号经滤波后的波形与频谱分析结果，中心频率约为34kHz，带宽约为100%。从传感器的声学特性测试结果可以知道，非平膜传感器的发射能力高于平膜传感器，而且非平膜传感器的带宽大于平膜传感器，与仿真分析的结果一致。
图7：非平膜传感器滤波后的波形与频谱图
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图：ATA-2042高压放大器指标参数
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