设计了一种简单、可靠、实用的超声波发射电路 - 全文

0 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，Nondestructive Testing（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。