CN101834523A - 获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统及其工作方法，其中高压脉冲发生系统包括：1)用于产生激励被测结构信号和同步触发信号的高压脉冲产生电路；2)用于提供电源的PXI接口结构；3)用于获得直流高电压的DC/DC升压电路。本发明的发生系统及其工作方法具有如下技术效果：1)提高了无损检测的效率，降低了设备成本；2)只需一次激励可获得多种任意波形的等效响应，可以更加灵活的对检测信号进行数据处理，提高了数据使用的有效性；3)通过PXI接口处取电升压，便于与其他计算机系统和虚拟仪器兼容使用，系统构成简单。

Description

获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统及其工作方法，属于超声无损检测领域。

背景技术

超声无损检测术(UT)是物体无损检测的一种重要方法，几乎应用到所有工业部门。与其它常规无损检测技术相比，它具有检测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，灵敏度高；成本低，工作方便；速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点。

利用超声波进行无损发生时，一般采用阶跃脉冲宽带激励和特定波形窄带激励两种形式。特定波形窄带激励有助于提高超声成像系统分辨力和便于信号特征的提取，在复合材料结构Lamb波发生和混凝土结构成像发生等领域，这一技术有着广阔的应用前景。在公开号为CN1355081，发明名称为一种用电弧激发超声波的方法的专利中，公开了一种产生超声波的方法，利用常规电弧的负载特性，在具备良好动特性电源的驱动下，对自由电弧或等离子电弧施加高频调制，使作为加工热源的电弧，同时成为一种可控的超声波发射源；该超声波发射源作用对象只是金属结构，不适用于混凝土结构；且结构比较复杂。在日本专利G01N 29/22.UDAGAWA，Yoshio.ULTRASONIC PROBE EXCITATION CIRCUIT.中公开了一种超声波探头的激励电路，其中产生超声波虽然具有尖脉冲特性，但其作用是补偿金属裂缝中的回波；且该电路不能与虚拟仪器兼容使用。

在目前现有的技术下，如需产生特定的激励波形，需要采用函数信号产生电路加功率放大器的方法。采用这一方法构成的发生系统，所需硬件多，体积较大。有的发生系统采用变压器来升压，变压器不但体积大，而且有一定的频率限制。此类方法，对于大面积的检测会带来很多不便，仪器不易移动，并且要求供应市电，影响检测效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种体积小、激励电压高、便于虚拟仪器系统使用、能够通过一次激励高效获得任意波形信号等效激励响应的高压脉冲发生系统及其工作方法。

本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统，包括：

1)用于产生激励被测结构信号和同步触发信号的高压脉冲产生电路；

2)用于提供电源的PXI接口结构；

3)用于获得直流高电压的DC/DC升压电路；

其中上述所有的电路和结构都基于PXI总线，所说的高压脉冲产生电路包括用于产生脉宽可调的高压脉冲信号和同步触发信号的电容充放电电路，用于控制开关动作的放电开关和用于控制充放电周期的多谐触发电路。

优选地，本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统中，所说的放电开关为合理选用耐压值足够大并能快速动作的水银继电器，所说的水银继电器为50Ω匹配电阻类型，最大切换电压为1000V，最大切换电流为1A。其动作时间为2ms，由于发生系统的连续脉冲产生时间间隔比较长为50ms，故其动作时间也满足要求，同时其体积也非常小。其驱动电路是采用555定时器实现的，其可产生脉宽可调的脉冲信号来调节高压脉冲产生的周期。

更加优选地，本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统中，所说的多谐触发电路的触发脉冲宽度为100ms～1μs；触发脉冲宽度可以调节；触发脉冲的上升沿陡直，上升时间不大于20ns；触发脉冲控制水银继电器的工作，触发脉冲有一定的负载能力，保证水银继电器的正常工作；同步周期在100Hz～500Hz范围内可调。

本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统的工作方法，包括以下步骤：

1)高压脉冲发生：通过多谐触发电路控制水银继电器和充放电电路产生周期可控的高压脉冲信号；通过DC/DC升压电路产生直流高电压，调节信号电压；

2)激励被测试块：将上一步骤中产生的高压脉冲信号，通过BNC接口输出至超声激励换能器，对被测试块施加阶跃信号进行激励；

3)接受响应信号：由超声检测换能器获得被测试块的阶跃响应s(t)；将被测试块的阶跃响应s(t)微分获得单位脉冲响应h(t)，该单位脉冲响应可多次使用，如下式所示：

$h\left(t\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}s\left(t\right)$ 式(1)

式(1)中，h(t)为单位脉冲响应，s(t)为阶跃响应，d为s(t)对t的微分，dt为单位时间变量；

4)任意激励相应变换，用计算机软件生成如下形式的任意波形信号g(t)：

g(t)＝Acos(2πft)exp(-(t/a)²)式(2)

式(2)中，g(t)为任意波形信号，A为信号幅度，f为信号频率，a为信号包络宽度，t为时间变量，可以通过改变激励信号的A、f、a可任意变换波形信号；

5)等效信号响应：通过任意波形信号g(t)与单位脉冲响应h(t)的卷积来获得任意波形等效信号响应y(t)，可由下列积分形式来定义：

$y\left(t\right)=g\left(t\right)*h\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}h\left(\mathrm{\τ}\right)g(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$ 式(3)，

式(3)中，*代表卷积，y(t)为任意波形等效激励响应，g(t)为任意波形信号，h(t)为单位脉冲响应，t为时间变量，τ为参数变量，h(τ)为自变量为τ的单位脉冲响应函数，g(t-τ)为任意波形信号反转移位后函数，dτ为单位参数变量；

6)结束。

任意波形激励等效响应，指由一组脉冲激励获得被测结构响应后，对其进行数据处理，通过算法获得被测结构对其他任意波形的响应。其原理是：(1)采用高压双指数波脉冲产生电路激励超声换能器和被测结构，获得结构的超声响应信号，对该信号进行变换获得系统的单位脉冲响应，利用线性系统对任意输入的响应等于该输入与单位脉冲响应卷积的原理，获得对任意激励信号的等效响应。(2)通过PXI接口提供电源，利用DC-DC升压获得直流高电压，利用水银继电器控制无感电容充放电而产生可控的高压脉冲。

本发明提供了一种高效的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统及其工作方法，相对于现有技术，具有如下技术效果：

1)提高了无损检测的效率，不必采用任意信号发生器和功率放大器，系统构成简单，降低了设备成本；

2)只需一次激励可获得多种任意波形的等效响应，可以更加灵活的对检测信号进行数据处理，提高了数据使用的有效性；

3)通过PXI接口处取电升压，便于与其他计算机系统和虚拟仪器兼容使用，系统构成简单。

附图说明

图1是本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统的结构示意图；

图2是本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统的工作流程图；

图3是本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统工作过程的算法；

图4是本发明与现有技术的效果对照图。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2、图3所示，本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统，包括：1)用于激励高压脉冲产生的高压脉冲产生电路；2)用于提供电源的PXI接口结构；3)用于获得直流高电压的DC/DC升压电路；其中上述的所有电路和结构都基于PXI总线，所说的高压脉冲产生电路包括用于产生脉宽可调的高压脉冲的电容充放电电路，用于控制开关动作的放电开关和用于控制充放电周期的多谐触发电路。本实施例中，所用的放电开关为合理选用耐压值足够大并能快速动作的水银继电器，该水银继电器为50Ω匹配电阻类型，最大切换电压为1000V，最大切换电流为1A。其动作时间为2ms，由于发生系统的连续脉冲产生时间间隔比较长为50ms，故其动作时间也满足要求，同时其体积也非常小。其驱动电路是采用555定时器实现的，其可产生脉宽可调的脉冲信号来调节高压脉冲产生的周期。

所用的多谐触发电路的触发脉冲宽度为100ms～1μs；触发脉冲宽度可以调节；触发脉冲的上升沿陡直，上升时间不大于20ns；触发脉冲控制水银继电器的工作，触发脉冲有一定的负载能力，保证水银继电器的正常工作；同步周期在100Hz～500Hz范围内可调。

本发明的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统的工作方法，包括以下步骤：

1)高压脉冲发生：通过多谐触发电路控制水银继电器和充放电电路产生周期可控的高压脉冲信号，脉冲高压源产生快前沿(约20ns)和慢后沿(100ms～1μs)的脉冲信号，通过BNC接口输出至超声激励换能器，电容充放电电路产生高压脉冲的主电路，其一直处于充电状态，当水银继电器动作时，电路开始放电产生需要的高压脉冲，其中水银继电器的动作时间由多谐触发电路控制。使用时，可以通过手动控制实施单次激励，也可以通过多谐触发电路周期性控制放电开关产生周期高压脉冲，其放电周期可以通过控制触发电路调节其周期的长短。当需要调节信号电压时，可以通过升压模块电路调节信号电压；对高压衰减产生TTL电平同步脉冲，可以接入高速采集卡触发采集通道使用。

2)激励被测试块：将上一步骤中产生的高压脉冲信号，通过BNC接口输出至超声激励换能器，对被测试块施加阶跃信号进行激励；

3)接受响应信号：由超声检测换能器获得被测试块的阶跃响应s(t)；将被测试块的阶跃响应s(t)微分获得单位脉冲响应h(t)，该单位脉冲响应可多次使用，如下式所示：

$h\left(t\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}s\left(t\right)$ 式(1)

式(1)中，h(t)为单位脉冲响应，s(t)为阶跃响应，d为s(t)对t的微分，dt为单位时间变量；

4)任意激励相应变换，用计算机软件生成如下形式的任意波形信号g(t)：

g(t)＝A□cos(2πft)□exp(-(t/a)²)式(2)

式(2)中，g(t)为任意波形信号，A为信号幅度，f为信号频率，a为信号包络宽度，t为时间变量，可以通过改变激励信号的A、f、a可任意变换波形信号；

5)等效信号响应：通过任意波形信号g(t)与单位脉冲响应h(t)的卷积来获得任意波形等效信号响应y(t)，可由下列积分形式来定义：

$y\left(t\right)=g\left(t\right)*h\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}h\left(\mathrm{\τ}\right)g(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$       式(3)，

式(3)中，*代表卷积，y(t)为任意波形等效激励响应，g(t)为任意波形信号，h(t)为单位脉冲响应，t为时间变量，τ为参数变量，h(τ)为自变量为τ的单位脉冲响应函数，g(t-τ)为任意波形信号反转移位后函数，dτ为单位参数变量；

6)结束。

实施例2

将实施例1的系统和方法与现有技术的进行效果对照，如图4所示，实线表示实际调制波响应曲线，即由函数发生器与功率放大器产生的脉冲对被测结构的激励响应。虚线表示等效调制波响应曲线，即由本发明的系统和方法产生的脉冲对被测结构激励响应。其中，横坐标表示采样点数，纵坐标表示曲线的相对幅值。由图上可以看出，实际调制波响应曲线与用本系统和方法产生的响应曲线基本重合。即本系统和方法可完全替代现有函数发生器与功率放大器等其他复杂结构。

Claims (4)

1.获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统，其特征在于，包括：

1)用于产生激励被测结构信号和同步触发信号的高压脉冲产生电路；

2)用于提供电源的PXI接口结构；

3)用于获得直流高电压的DC/DC升压电路；

其中上述所有的电路和结构都基于PXI总线，所说的高压脉冲产生电路包括用于产生脉宽可调的高压脉冲信号和同步触发信号的电容充放电电路，用于控制开关动作的放电开关和用于控制充放电周期的多谐触发电路。

2.根据权利要求1所述的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统，其特征在于，所说的放电开关为水银继电器，所说的水银继电器为50Ω匹配电阻类型。

3.根据权利要求2所述的获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统，其特征在于，所说的多谐触发电路的触发脉冲宽度为100ms～1μs；触发脉冲宽度可以调节；触发脉冲的上升沿陡直，上升时间不大于20ns；同步周期在100Hz～500Hz范围内可调。

4.获得任意波形激励响应的高压脉冲发生系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)高压脉冲发生：通过多谐触发电路控制水银继电器和充放电电路产生周期可控的高压脉冲信号；通过DC/DC升压电路产生直流高电压，调节信号电压；

2)激励被测试块：将上一步骤中产生的高压脉冲信号，通过BNC接口输出至超声激励换能器，对被测试块施加阶跃信号进行激励；

3)接受响应信号：由超声检测换能器获得被测试块的阶跃响应s(t)；将被测试块的阶跃响应s(t)微分获得单位脉冲响应h(t)，该单位脉冲响应可多次使用，如下式所示：

$h\left(t\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}s\left(t\right)$ 式(1)

式(1)中，h(t)为单位脉冲响应，s(t)为阶跃响应，d为s(t)对t的微分，dt为单位时间变量；

4)任意激励相应变换，用计算机软件生成如下形式的任意波形信号g(t)：

g(t)＝A□cos(2πft)□exp(-(t/a)²)  式(2)

式(2)中，g(t)为任意波形信号，A为信号幅度，f为信号频率，a为信号包络宽度，t为时间变量，可以通过改变激励信号的A、f、a可任意变换波形信号；

5)等效信号响应：通过任意波形信号g(t)与单位脉冲响应h(t)的卷积来获得任意波形等效信号响应y(t)，可由下列积分形式来定义：

$y\left(t\right)=g\left(t\right)*h\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}h\left(\mathrm{\τ}\right)g(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$ 式(3)，

式(3)中，*代表卷积，y(t)为任意波形等效激励响应，g(t)为任意波形信号，h(t)为单位脉冲响应，t为时间变量，τ为参数变量，h(τ)为自变量为τ的单位脉冲响应函数，g(t-τ)为任意波形信号反转移位后函数，dτ为单位参数变量；

6)结束。

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