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一种简单、可靠、实用的超声波发射电路

文章出处:电子市场 发布时间: 2017/11/30 14:06:10 | 232 次阅读 | 0次推荐 | 0条留言

  引言
  目前,超声波发射电路设计方法众多,其供电直流电压一般较高,以产生几十到几百伏的超声脉冲激发电信号。利用低的直流电压产生高的电压激发脉冲,不仅可以提高检测灵敏度,增加检测有效范围,提高检测信号的抗干扰能力,同时可以使得发射电路的体积减小,成本降低,便于仪器小型化。
  超声波检测就是利用超声波在金属构件中传播和反射的原理,以探测构件内部缺陷的大小、性质、位置以及材质的某些物理性能的方法。超声波检测也叫超声检测、超声波探伤,是无损检测的一种。无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下,对被检验不见的表面和内部质量进行检查的一种检测手段,Nondestrucve Tesng(缩写NDT)。
  超声波的特点:
  1、超声波声束能集中在特定的方向上,在介质中沿直线传播,具有良好的指向性。
  2、超声波在介质中传播过程中,会发生衰减和散射。
  3、超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性,可以获得从缺陷界面反射回来的反射波,从而达到探测缺陷的目的。
  4、超声波的能量比声波大得多。
  5、超声波在固体中的传输损失很小,探测深度大,由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象,尤其是不能通过气体固体界面。
  本文通过对现有超声波检测发射电路的研究的基础上,设计了一种简单、可靠、实用的发射电路。该电路以5V低压电源供电,RLC串联谐振产生高压脉冲信号,满足电路便携和安全性要求,改善了检测装置的灵敏度和抗干扰能力,取得了良好的效果。
  1 超声波检测发射电路基本结构
  检测电路的基本结构如图1所示,主要由控制信号、隔离环节、驱动电路、RLC电路和直流高压等部分组成。控制信号实现脉冲超声波发射控制的功能。隔离电路用来防止发射电路可能对其它电路造成电磁干扰,防止其它电路被烧坏。脉冲信号通过功率绝缘栅场效应管的高速关断来产生,驱动功率绝缘栅场效应管相当于驱动带容性负载的网络,在高频工作时电子开关的电气特性对系统的性能有很大影响,绝缘栅场效应管电容的充、放电造成的损耗十分显着,为提高脉冲幅值需增强绝缘栅场效应管的开关特性,需要合理的驱动电路,常用的场效应管驱动电路有CMOS缓冲器并联驱动、场效应管对管驱动和双极性三极管功率驱动3种形式[1]。RLC电路通过谐振产生高频信号,通过匹配网络来调谐使电路工作在换能器的谐振频率。直流高压电源由直流逆变器或其它电源模块来实现。


  一般的直流高压脉冲发射电路工作过程,其电路如图2所示。当控制电平V为低电平,开关管Q关断时,电容C充电,高压电源通过漏极电阻R1对电容C充电,由于充电过程在短时间内完成,故R1、C不可取值过大,且C耐高压。当控制电平V为高电平时导通,电容C通过R2和D2放电,在探头上产生负脉冲电压,激励产生超声信号[1-3]。


  2 低压电源的RLC串联谐振超声波发射电路设计
  高压窄带脉冲的产生有两种方案:第一种是用预先充电到高压的电容迅速向换能器放电产生;另一种是由储能电感瞬时放电产生。测试表明,要使装置中换能器发射超声波,需要在其两端加上百伏的瞬时高压脉冲。第一种方案中,需要外加几百伏的直流高压电源。而第二种方案是利用储能电感瞬时放电产生瞬时高压脉冲,只需要直流低压供电就能达到要求。基于此想法,我们选用储能电感瞬时放电产生瞬时高压,R1用电感L取代,电源换为5V低压电源。其谐振电路如图3所示。


  此电路以功率开关管Q为开关元件,电感L储能形成触发脉冲,不需要提供直流高压,经过光电偶合器作为隔离器,来减少电磁干扰,防止烧坏其它电路。当输入到Q的脉冲为正时,Q导通,Q相当于一个小电阻,与电阻R1、电感L串联,和低压电源一起构成回路,L中的电流快速上升进行储能。当输入到Q的脉冲为负时,Q的栅极置低,Q迅速关断,L,C, R2组成谐振电路快速放电,在电阻R2上形成高压脉冲,可达到百伏电压,如图4所示,D1,D2起单向开关作用,匹配网络由可调电阻和电感并联实现,通过调节匹配网络中的可调电阻来改变脉冲的幅度,调谐匹配电感使其电路工作在谐振频率上。经过调谐匹配后测得加在探头上的高压窄带脉冲如图5所示。


  3 模型分析
  场效应管的导通,关断对应于发射电路的充电和放电状态,使发射电路重复交替工作在这两种模式。
  充电状态原理分析:控制信号为高电平,开关管导通时,将Q视为理想开关,其导通电阻R0 ,低压电源V1与L、R1、Q构成回路,L电阻为RL,且流过电感L中的电流可以近似由下式表示:
  此时电感L上的储能与换路时的电流平方成正比。
  放电状态原理分析:控制信号为低电平,开关管关断时,L、C、R2组成串联谐振电路,RLC零输入响应, 等效电路如图6所示,初始状态如(2),且电流不发生跃变,据图6得到方程(3)。


  式(3)以为未知量的RLC串联电路放电的微分方程,特征方程是


  从电流表达式可以看出,在整个过程中,波形将呈现衰减振荡的状态。根据(6)式可以得出:即为电流的极值点。综合上述分析要使电路产生高频尖脉冲在电路参数选择上,要合理选择参数,晶体管的开启和响应时间要短,阻尼比尽可能小,衰减因子要大,振荡频率要高。当频率匹配时探头工作在最佳状态[4-6]。
  4 总结
  超声检测发射电路以5V低压电源供电。RLC串联谐振,电感储能产生高频触发脉冲,电路不需要高压直流电源供电,就能获得理想的触发信号。并阐述了电路参数对脉冲信号的影响。所设计的电路简单、安全、实用,对检测装置的灵敏度和抗干扰能力有所改善。

 

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