一種簡單、可靠、實(shí)用的超聲波發(fā)射電路

引言

目前，超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)方法眾多，其供電直流電壓一般較高，以產(chǎn)生幾十到幾百伏的超聲脈沖激發(fā)電信號。利用低的直流電壓產(chǎn)生高的電壓激發(fā)脈沖，不僅可以提高檢測靈敏度，增加檢測有效范圍，提高檢測信號的抗干擾能力，同時(shí)可以使得發(fā)射電路的體積減小，成本降低，便于儀器小型化。

超聲波檢測就是利用超聲波在金屬構(gòu)件中傳播和反射的原理，以探測構(gòu)件內(nèi)部缺陷的大小、性質(zhì)、位置以及材質(zhì)的某些物理性能的方法。超聲波檢測也叫超聲檢測、超聲波探傷，是無損檢測的一種。無損檢測是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，對被檢驗(yàn)不見的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種檢測手段，Nondestrucve Tesng(縮寫NDT)。

超聲波的特點(diǎn)：

1、超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質(zhì)中沿直線傳播，具有良好的指向性。

2、超聲波在介質(zhì)中傳播過程中，會發(fā)生衰減和散射。

3、超聲波在異種介質(zhì)的界面上將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而達(dá)到探測缺陷的目的。

4、超聲波的能量比聲波大得多。

5、超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測深度大，由于超聲波在異質(zhì)界面上會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，尤其是不能通過氣體固體界面。

本文通過對現(xiàn)有超聲波檢測發(fā)射電路的研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種簡單、可靠、實(shí)用的發(fā)射電路。該電路以5V低壓電源供電，RLC串聯(lián)諧振產(chǎn)生高壓脈沖信號，滿足電路便攜和安全性要求，改善了檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力，取得了良好的效果。

1 超聲波檢測發(fā)射電路基本結(jié)構(gòu)

檢測電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制信號、隔離環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路、RLC電路和直流高壓等部分組成。控制信號實(shí)現(xiàn)脈沖超聲波發(fā)射控制的功能。隔離電路用來防止發(fā)射電路可能對其它電路造成電磁干擾，防止其它電路被燒壞。脈沖信號通過功率絕緣柵場效應(yīng)管的高速關(guān)斷來產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)功率絕緣柵場效應(yīng)管相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)帶容性負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)，在高頻工作時(shí)電子開關(guān)的電氣特性對系統(tǒng)的性能有很大影響，絕緣柵場效應(yīng)管電容的充、放電造成的損耗十分顯著，為提高脈沖幅值需增強(qiáng)絕緣柵場效應(yīng)管的開關(guān)特性，需要合理的驅(qū)動(dòng)電路，常用的場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路有CMOS緩沖器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、場效應(yīng)管對管驅(qū)動(dòng)和雙極性三極管功率驅(qū)動(dòng)3種形式[1]。RLC電路通過諧振產(chǎn)生高頻信號，通過匹配網(wǎng)絡(luò)來調(diào)諧使電路工作在換能器的諧振頻率。直流高壓電源由直流逆變器或其它電源模塊來實(shí)現(xiàn)。

一般的直流高壓脈沖發(fā)射電路工作過程，其電路如圖2所示。當(dāng)控制電平V為低電平，開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，電容C充電，高壓電源通過漏極電阻R1對電容C充電，由于充電過程在短時(shí)間內(nèi)完成，故R1、C不可取值過大，且C耐高壓。當(dāng)控制電平V為高電平時(shí)導(dǎo)通，電容C通過R2和D2放電，在探頭上產(chǎn)生負(fù)脈沖電壓，激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號[1-3]。

2 低壓電源的RLC串聯(lián)諧振超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

高壓窄帶脈沖的產(chǎn)生有兩種方案：第一種是用預(yù)先充電到高壓的電容迅速向換能器放電產(chǎn)生;另一種是由儲能電感瞬時(shí)放電產(chǎn)生。測試表明，要使裝置中換能器發(fā)射超聲波，需要在其兩端加上百伏的瞬時(shí)高壓脈沖。第一種方案中，需要外加幾百伏的直流高壓電源。而第二種方案是利用儲能電感瞬時(shí)放電產(chǎn)生瞬時(shí)高壓脈沖，只需要直流低壓供電就能達(dá)到要求?；诖讼敕ǎ覀冞x用儲能電感瞬時(shí)放電產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，R1用電感L取代，電源換為5V低壓電源。其諧振電路如圖3所示。

此電路以功率開關(guān)管Q為開關(guān)元件，電感L儲能形成觸發(fā)脈沖，不需要提供直流高壓，經(jīng)過光電偶合器作為隔離器，來減少電磁干擾，防止燒壞其它電路。當(dāng)輸入到Q的脈沖為正時(shí)，Q導(dǎo)通，Q相當(dāng)于一個(gè)小電阻，與電阻R1、電感L串聯(lián)，和低壓電源一起構(gòu)成回路，L中的電流快速上升進(jìn)行儲能。當(dāng)輸入到Q的脈沖為負(fù)時(shí)，Q的柵極置低，Q迅速關(guān)斷，L，C， R2組成諧振電路快速放電，在電阻R2上形成高壓脈沖，可達(dá)到百伏電壓，如圖4所示，D1，D2起單向開關(guān)作用，匹配網(wǎng)絡(luò)由可調(diào)電阻和電感并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電阻來改變脈沖的幅度，調(diào)諧匹配電感使其電路工作在諧振頻率上。經(jīng)過調(diào)諧匹配后測得加在探頭上的高壓窄帶脈沖如圖5所示。

3 模型分析

場效應(yīng)管的導(dǎo)通，關(guān)斷對應(yīng)于發(fā)射電路的充電和放電狀態(tài)，使發(fā)射電路重復(fù)交替工作在這兩種模式。

充電狀態(tài)原理分析：控制信號為高電平，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，將Q視為理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻R0 ，低壓電源V1與L、R1、Q構(gòu)成回路，L電阻為RL，且流過電感L中的電流可以近似由下式表示：

此時(shí)電感L上的儲能與換路時(shí)的電流平方成正比。

放電狀態(tài)原理分析：控制信號為低電平，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，L、C、R2組成串聯(lián)諧振電路，RLC零輸入響應(yīng)， 等效電路如圖6所示，初始狀態(tài)如(2)，且電流不發(fā)生躍變，據(jù)圖6得到方程(3)。

式(3)以為未知量的RLC串聯(lián)電路放電的微分方程，特征方程是

從電流表達(dá)式可以看出，在整個(gè)過程中，波形將呈現(xiàn)衰減振蕩的狀態(tài)。根據(jù)(6)式可以得出：即為電流的極值點(diǎn)。綜合上述分析要使電路產(chǎn)生高頻尖脈沖在電路參數(shù)選擇上，要合理選擇參數(shù)，晶體管的開啟和響應(yīng)時(shí)間要短，阻尼比盡可能小，衰減因子要大，振蕩頻率要高。當(dāng)頻率匹配時(shí)探頭工作在最佳狀態(tài)[4-6]。

4 總結(jié)

超聲檢測發(fā)射電路以5V低壓電源供電。RLC串聯(lián)諧振，電感儲能產(chǎn)生高頻觸發(fā)脈沖，電路不需要高壓直流電源供電，就能獲得理想的觸發(fā)信號。并闡述了電路參數(shù)對脈沖信號的影響。所設(shè)計(jì)的電路簡單、安全、實(shí)用，對檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力有所改善。