CN101943683B - 一种差分输出超声波探头及由其组成的信号处理装置 - Google Patents

Abstract

一种差分输出超声波探头，包括探头外壳、发射晶片与接收晶片，发射晶片与接收晶片均设置在探头外壳内部的契块上，且发射晶片与接收晶片之间设置有声隔离层及契块，与发射晶片、接收晶片对应设置的发射晶片外部引线、发射晶片内部引线与接收晶片外部引线、接收晶片内部引线相互分隔绝缘设置，该差分输出超声波探头与差分放大集成电路、发射控制电路及发射电路、模拟信号放大处理电路、A/D转换及数字处理电路与数字化控制及结果输出组成信号处理装置。因此本发明不仅结构简单、抗干扰能力较强，而且适用范围较广。

Description

一种差分输出超声波探头及由其组成的信号处理装置

技术领域

本发明涉及一种超声波探头，尤其涉及一种差分输出超声波探头及由其组成的信号处理装置，具体适用于轧辊检测、金属材料的无损探伤检测设备及仪器。

背景技术

目前，超声波设备和仪器使用的超声波探头是发射、接收晶片共地的信号输出方式，普遍遇到的问题是在信号输出、传输和放大过程中，对干扰信号的抵抗能力较差。

中国专利授权公告号为CN201110843Y，授权公告日为2008年9月3日的实用新型专利公开了一种涉及检测螺栓疲劳裂纹时所用的检测装置，特别涉及一种不解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹超声波检测专用超声波探头，该探头在探头外壳内有晶片，所述晶片包括发射晶片与接收晶片，并且在发射晶片与接收晶片间利用隔离层相互隔离，在探头外壳上设置接头，发射晶片与接收晶片分别利用导线与接头连接，在探头外壳的开口端有延迟块，其特征在于：隔离层、发射晶片与接收晶片相对于保护膜倾斜布置，在发射晶片与接收晶片的对称中心线与垂直于保护膜的平面之间有夹角α，当超声波探头置于螺栓端面上时，探头发射晶片发射的超声波以小于10°的入射角β进入保护膜。虽然该实用新型可以有效地对解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹进行低成本检测，但其对干扰信号的抵抗能力较差，容易在系统中被引入信号噪声，从而影响到整个系统的信噪比和输出结果，尤其是在应用到超声波在线自动探伤设备时，受安装配套设备，如磨床的影响较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的抗干扰能力较差缺陷与问题，提供一种抗干扰能力较强的差分输出超声波探头及由其组成的信号处理装置。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种差分输出超声波探头，包括探头外壳、发射晶片与接收晶片，且发射晶片与接收晶片均设置在探头外壳的内部，所述发射晶片与接收晶片均设置在探头外壳内部的底部，且发射晶片与接收晶片之间设置有声隔离层及契块。

所述探头外壳的顶部贯穿设置有相互分隔绝缘的发射晶片外部引线与接收晶片外部引线，且发射晶片外部引线、接收晶片外部引线分别与发射晶片、接收晶片对应设置；所述探头外壳的外型为正方体、长方体、圆柱体或椭圆柱体。

所述发射晶片外部引线的内部设置有发射晶片内部引线，接收晶片外部引线的内部设置有接收晶片内部引线，且发射晶片内部引线与接收晶片内部引线相互分隔绝缘设置。

所述发射晶片外部引线与发射晶片内部引线为同轴电缆、双绞线或两根单引线，接收晶片外部引线与接收晶片内部引线为同轴电缆、双绞线或两根单引线。

所述信号处理装置包括差分输出超声波探头与差分放大集成电路，差分输出超声波探头的一端与发射触发电路相连接，另一端与差分放大集成电路输入端相连接，差分放大集成电路的输出端与信号处理电路相连接。

所述差分放大集成电路与差分输出超声波探头之间设置有一号阻抗匹配电阻、二号阻抗匹配电阻与三号阻抗匹配电阻，且一号阻抗匹配电阻与串联后的二号阻抗匹配电阻、三号阻抗匹配电阻相并联。

所述差分放大集成电路与差分输出超声波探头之间设置有四号阻抗匹配电阻，且四号阻抗匹配电阻设置在差分放大集成电路的同反相输入端。

所述差分放大集成电路的型号为AD521、AD8129、AD8130或AD8132。

所述发射触发电路包括发射控制电路与发射电路，该发射电路包括五号阻抗匹配电阻、六号阻抗匹配电阻、七号阻抗匹配电阻、高压电容与二极管；

所述信号处理电路依次包括相互串联的模拟信号放大处理电路、A/D转换及数字处理电路、数字化控制及结果输出。

所述发射控制电路与发射电路的电源为高压输出电源，所述模拟信号放大处理电路的电源为模拟电路电源，所述A/D转换及数字处理电路与数字化控制及结果输出的电源为数字电路电源，且高压输出电源、模拟电路电源与数字电路电源之间相互独立。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.由于本发明一种差分输出超声波探头及由其组成的信号处理装置中的差分输出超声波探头中的发射晶片与接收晶片均设置在探头外壳内部的底部，且发射晶片与接收晶片之间设置有声隔离层及契块，可以防止发射晶片与接收晶片之间的相互干扰，而且与发射晶片、接收晶片相对应的发射晶片外部引线、发射晶片内部引线和接收晶片内部引线、接收晶片外部引线之间是相互分隔绝缘的，进一步避免了发射与接收之间交叉干扰情况的发生。因此本发明的抗干扰性较强。

2.由于本发明一种差分输出超声波探头及由其组成的信号处理装置中的信号处理装置包括差分输出超声波探头与差分放大集成电路，利用了差分放大集成电路共模抑制能力很强的特点，其差分输入端对干扰信号，通常为共模信号，有非常出色的抑制能力，同时由于差分放大集成电路输入阻抗较高，一般在几MΩ以上，因此通过阻抗匹配电阻的设计很容易实现与超声波探头的阻抗匹配，从而在确保信号的优良传输的前提下提高整个信号处理装置的抗干扰能力，此外，在差分输出超声波探头、差分放大集成电路的两端连接的发射控制电路及发射电路、模拟信号放大处理电路、A/D转换及数字处理电路与数字化控制及结果输出的电源分别为相互独立的高压输出电源、模拟电路电源与数字电路电源，这三种电源输入可以共用，但输出完全是独立的，输入与输出之间完全隔离，能够承受不大于1500V的耐压，可以有效解决来自于电源传导的干扰，同时有效解决各部分之间工作时的相互干扰，进一步提高了整个处理装置的抗干扰性，其抑制能力大于100dB，可提高探伤设备和仪器整个系统的信噪比，可提高探伤结果的准确性和重复性。因此本发明的抗干扰性较强。

3.由于本发明一种差分输出超声波探头及由其组成的信号处理装置中的信号处理装置主要包括差分输出超声波探头、差分放大集成电路、发射控制电路及发射电路、模拟信号放大处理电路、A/D转换及数字处理电路与数字化控制及结果输出，整体结构简单，可以有效简化设备调试过程，使得技术参数更易于调整和控制、信号的有效传输距离更长，对集成化在线配套探伤设备的安装要求和安装难度均进行了大幅下降，从而可广泛应用于各类超声波探伤的无损检测和测量设备，尤其适用于超声波自动化检测设备在连续化生产中动态无损检测使用，不仅检测信噪比提升明显，检测准确率、检测一致性也较高。因此本发明的适用范围较广。

附图说明

图1是本发明中差分输出超声波探头的结构示意图。

图2是本发明中差分输出超声波探头与差分放大集成电路的连接示意图。

图3是本发明中的信号处理装置的连接示意图。

图中：发射晶片外部引线1，探头外壳2，发射晶片内部引线3，发射晶片4，声隔离层及契块5，接收晶片6，接收晶片内部引线7，接收晶片外部引线8，发射控制电路A，高压输出电源B，模拟信号放大处理电路C，A/D转换及数字处理电路D，数字化控制及结果输出E，模拟电路电源F，与数字电路电源G，差分输出超声波探头H，差分放大集成电路IC1，发射电路J，发射触发电路M，信号处理电路N，一号阻抗匹配电阻R1，二号阻抗匹配电阻R2，三号阻抗匹配电阻R3，四号阻抗匹配电阻R4，五号阻抗匹配电阻R5，六号阻抗匹配电阻R6，七号阻抗匹配电阻R7，高压电容C1，二极管D1。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明

参见图1，一种差分输出超声波探头，包括探头外壳2、发射晶片4与接收晶片6，发射晶片4与接收晶片6均设置在探头外壳2的内部的底部，且发射晶片4与接收晶片6之间设置有声隔离层及契块5。

优选探头外壳2的顶部贯穿设置有相互分隔绝缘的发射晶片外部引线1与接收晶片外部引线8，且发射晶片外部引线1、接收晶片外部引线8分别与发射晶片4、接收晶片6对应设置。

优选探头外壳2的外型为正方体、长方体、圆柱体或椭圆柱体。

优选发射晶片外部引线1的内部设置有发射晶片内部引线3，接收晶片外部引线8的内部设置有接收晶片内部引线7，且发射晶片内部引线3与接收晶片内部引线7相互分隔绝缘设置，进一步优选发射晶片外部引线1与发射晶片内部引线3为同轴电缆、双绞线或两根单引线，接收晶片外部引线8与接收晶片内部引线7为同轴电缆、双绞线或两根单引线。

参见图2，本发明中的信号处理装置包括差分输出超声波探头H与差分放大集成电路IC1，差分输出超声波探头H的一端与发射触发电路M相连接，另一端与差分放大集成电路IC1相连接，差分放大集成电路IC1的另一端与信号处理电路N相连接。

优选差分放大集成电路IC1与差分输出超声波探头H之间设置有一号阻抗匹配电阻R1、二号阻抗匹配电阻R2与三号阻抗匹配电阻R3，且一号阻抗匹配电阻R1与串联后的二号阻抗匹配电阻R2、三号阻抗匹配电阻R3相并联。

优选差分放大集成电路IC1与差分输出超声波探头H之间设置有四号阻抗匹配电阻R4，且四号阻抗匹配电阻R4设置在差分放大集成电路IC1的同反相输入端之间。

优选差分放大集成电路IC1的型号为AD521、AD8129、AD8130或AD8132。

参见图3，发射触发电路M包括发射控制电路A与发射电路J，该发射电路J包括五号阻抗匹配电阻R5、六号阻抗匹配电阻R6、七号阻抗匹配电阻R7、高压电容C1与二极管D1；

优选信号处理电路N依次包括相互串联的模拟信号放大处理电路C、A/D转换及数字处理电路D、数字化控制及结果输出E。

进一步优选发射控制电路A与发射电路J的电源为高压输出电源B，模拟信号放大处理电路C的电源为模拟电路电源F，A/D转换及数字处理电路D与数字化控制及结果输出E的电源为数字电路电源G，且高压输出电源B、模拟电路电源F与数字电路电源G之间相互独立。

本发明不仅结构简单、抗干扰能力较强，而且适用范围较广。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种由差分输出超声波探头组成的信号处理装置，其特征在于：所述信号处理装置包括差分输出超声波探头(H)与差分放大集成电路(ICI)，差分输出超声波探头(H)的一端与发射触发电路(M)相连接，另一端与差分放大集成电路(ICI)相连接，差分放大集成电路(ICI)的另一端与信号处理电路(N)相连接；

所述差分输出超声波探头(H)包括探头外壳(2)、发射晶片(4)与接受晶片(6)，且发射晶片(4)与接受晶片(6)均设置在探头外壳(2)的内部，所述发射晶片(4)与接受晶片(6)均设置在探头外壳(2)的底部，且发射晶片(4)与接受晶片(6)之间设置有声隔离层及契块(5)；

所述发射触发电路(M)包括发射控制电路(A)与发射电路(J)，该发射电路(J)包括五号阻抗匹配电阻(R5)、六号阻抗匹配电阻(R6)、七号阻抗匹配电阻(R7)、高压电容(C1)与二极管(D1)；

所述信号处理电路(N)依次包括相互串联的模拟信号放大处理电路(C)、A/D转换及数字处理电路(D)、数字化控制及结果输出(E)；

所述发射控制电路(A)与发射电路(J)的电源为高压输出电源(B)，所述模拟信号放大处理电路(C)的电源为模拟电路电源(F)，所述A/D转换及数字处理电路(D)与数字化控制及结果输出(E)的电源为数字电路电源(G)，且高压输出电源(B)、模拟电路电源(F)与数字电路电源(G)之间相互独立。

2.根据权利要求1所述的一种由差分输出超声波探头组成的信号处理装置，其特征在于：所述差分放大集成电路(ICI)与差分输出超声波探头(H)之间设置有一号阻抗匹配电阻(R1)、二号阻抗匹配电阻(R2)与三号阻抗匹配电阻(R3)，且一号阻抗匹配电阻(R1)与串联后的二号阻抗匹配电阻(R2)、三号阻抗匹配电阻(R3)相并联。

3.根据权利要求1所述的一种由差分输出超声波探头组成的信号处理装置，其特征在于：所述差分放大集成电路(ICI)与差分输出超声波探头(H)之间设置有四号阻抗匹配电阻(R4)，且四号阻抗匹配电阻(R4)设置在差分放大集成电路(ICI)的输入端与输出端之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种由差分输出超声波探头组成的信号处理装置，其特征在于：所述差分放大集成电路(ICI)的型号为AD521、AD8129、AD8130或AD8132。

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