CN102401895A - 测深仪大功率声波发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测深仪声波发射装置，属于利用声波进行水下测量的声纳测量设备技术领域，尤其涉及测深仪专用的大功率声波发射装置，主要包括发射脉冲分频模块、发射回路驱动模块、发射波功率主回路模块、保护模块以及换能器；其中，发射脉冲分频模块接收测深仪控制电路送来的发射脉冲信号，并将其二分频后分别形成的发射波正半周和负半周发射脉冲信号送到左、右发射回路驱动模块；左、右发射回路驱动模块驱动发射波功率主回路模块的全桥电路的各个开关管；发射波功率主回路模块通过四个开关管形成的全桥电路将高压直流电加载到换能器上，形成测深仪发射声波；保护模块采集功率主回路模块的信号，当电路出现短路等异常情况时输出控制信号，关闭全部发射以保护发射电路。通过这种无变压器大功率发射电路，可以大大提高测深仪声波发射的质量，具有广泛的应用前景。

Description

测深仪大功率声波发射装置

 

技术领域

本发明涉及一种测深仪声波发射装置，尤其涉及测深仪专用的大功率声波发射装置，属于利用声波进行水下测量的声纳测量设备技术领域。

 

背景技术

水声信号作为水下探测最有效的手段，已经广泛应用于水下目标探测的各种声纳设备之中。回声测深仪是应用水声信号进行测距的常规水深测量设备，也是当今应用最普遍的探测设备。它的工作原理是通过换能器发射一定频率的声波，利用声波在水中传播时，遇到密度不同的介质（如水底或其他物体）会产生反射信号，根据声波往返的时间及其在所测区域水中的传播速度，求得换能器至反射目标的直线距离,即测得水深。

对于相同测量环境，测深仪的声波发射装置发出的发射声波幅度越大，发射波形越完整则发射波能量越大，回波越强，测量效果越好。传统的测深仪发射电路中为了实现较高能量的发射波，一般采用一个低的直流电压驱动开关管形成发射波，然后采用升压变压器提升发射波的电压幅度达到提高发射功率的目的。但是其通常具有如下缺陷：首先，由于升压变压器中需要先后实现电-磁、磁-电转换，信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输，发射波形容易失真；其次，信号的最小宽度受磁化电流所限；再次，在采用频率较低的发射声波（例如10kHz），为实现大功率发射就必须选择升压变比较大的变压器，而为抑制磁饱和特性，变压器必然体积大，笨重，并且加工复杂，即便这样，发射功率也只能达到2000W左右，仍然不够理想；最后，传统的测深仪的发射保护电路通过地线侧的采样电阻采集功率主回路的电流数据，以模拟方式送到测深仪控制电路，当电路出现短路等异常情况时输出控制信号，关闭全部发射以保护发射电路，由于考虑电路共地，采样电阻的存在有可能造成电路损坏，导致保护电路的反应尚不够迅速。

因此，能否开发出一种新型的测深仪专用大功率声波发射装置，使其能够克服上述缺点，成为本领域技术人员函待解决的技术难题。

 

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种测深仪专用大功率声波发射装置，亦即一种无变压器大功率发射电路，采用的技术方案如下：

该测深仪大功率声波发射装置包括：发射脉冲分频模块、发射回路驱动模块、发射波功率主回路模块以及换能器；其中，所述发射脉冲分频模块连接到发射回路驱动模块，所述发射回路驱动模块和换能器分别连接到所述发射波功率主回路模块。

优选地，还包括保护模块，其一端与所述发射波功率主回路模块连接，另一端与所述发射脉冲分频模块连接，其采集所述功率主回路模块的信号，当电路出现异常情况时输出控制信号，关闭全部发射以保护包括所述发射脉冲分频模块在内的发射电路。

优选地，所述发射脉冲分频模块接收测深仪控制电路送来的发射脉冲信号，并将其二分频后分别形成的正半周、负半周发射波脉冲信号发送到所述发射回路驱动模块中。

优选地，所述发射回路驱动模块包括左发射回路驱动模块和右发射回路驱动模块，两模块的电路完全相同，用于驱动所述发射波功率主回路模块的全桥电路的不同开关管。

优选地，所述发射回路驱动模块包括自举电路，其由二极管正端连接电源、负端连接到并联电容的一端而形成，所述并联电容中既包括等效串联电阻阻值较低的电容，又包括容量较大的电解电容。

优选地，所述发射回路驱动模块中包括驱动芯片，以及用于保护所述驱动芯片的压敏二极管和压敏电阻，所述压敏二极管与压敏电阻并联连接。

优选地，所述发射回路驱动模块中具有串联电阻以及与其中一个电阻并联的二极管，用于共同控制开关管的导通和关断时间。

优选地，所述发射波功率主回路模块具有四个开关管形成的全桥电路，用于将高压直流电加载到所述换能器上，形成测深仪发射声波。

优选地，所述发射波功率主回路模块中具有储能电容和保护采样电阻，所述保护采样电阻连接到所述储能电容的电源端。

优选地，所述发射波功率主回路模块中具有开关管，以及由压敏电阻、保护电阻、保护电容形成的开关管保护电路，其中，所述压敏电阻与所述开关管并联，所述保护电阻和保护电容串联后的组合与所述开关管并联。

 

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.采用高压直流电驱动开关管，开关管采用全桥模式。桥路两侧开关管分别导通加载到换能器两极，形成发射波的正负半周信号，即完整的测量发射声波。通过驱动电路和开关管的选择，在已实现的发射电路中经实际测量单向发射电压为380V，在换能器负载为15欧姆时，电路能长期、稳定工作，即发射功率可达9000W以上。并且由于发射电路为直接加载到换能器两端，电路中不存在电-磁、磁-电转换，发射波形未失真，基本为驱动波形；

2.发射回路驱动模块中的电容C7、C8作为驱动电路的储能元件需要有一定的容量要求，并且由于电路特性需要有良好的瞬态性能，要求较低的ESR值，在本设计中选用两只电容并联：C7选用低ESR的陶瓷电容，C8选用容量较大的电解电容，既降低了成本，缩小了体积，同时实现了容量和低ESR的要求。

3.发射回路驱动模块中的电阻R14、R15、R18、R19作为启动、关闭电阻参与了开关管的启动和关闭。由于功率回路采用全桥模式，为了工作性能需要开关管以较慢速度打开，以形成一个较缓的发射波上升沿；但是又为了电路安全性在下管打开前需要迅速关闭桥路同一侧的上管。启动关闭时间取决于电路的RC常数，C由开关管特性决定，采用一般的电路形式无法解决上述问题。本设计中采取了电阻与二极管的组合电路，在启动时V6、V8由于启动电流方向原因处于截止状态，R14、R15、R18、R19作为启动电阻参与了开关管的启动，启动电阻R较大，开关管以较慢速度开启，电路中尖峰突变被抑制；在关闭开关管时，与启动电流反向的关断电流经V6、V8短路了R15、R18，关断电阻较小，开关管迅速关闭，保护了电路。本设计同时达到了延缓开启和加速关断的功能。

4.本设计方案使用高压直流电作为发射用电源，高压电的引入要求增加对电路的各项保护措施。在防止高压损坏驱动电路方面，由于在发射电路工作回路上管导通时GH端的电压为发射用的直流高电压加开关管的驱动电压的总和；VsH端的电压为发射用的直流高电压，这些电压通过启动电阻直接连接到驱动芯片上。由于换能器为含有感抗、容抗的复杂负载，并且当采用大功率发射声波时流过换能器的电流很大，当发射波由正半周转为负半周时，由于换能器中电感、电容的作用，在电路中会出现为2倍于发射电压的电压尖峰，很容易超过驱动芯片额定电压，击穿芯片。在驱动电路中V7、R17为并联的压敏二极管和压敏电阻：V7反应较快但负载电流较小，为快速消减电压尖峰（瞬态）；R17反应较慢但负载电流大，可稳态消减过高电压；这些措施可以有效防止高压损害驱动芯片。开关管作为电路中的功率元件，对其的保护也很重要。开关管直接工作于测深仪发射的高压主功率回路中，由于换能器中电感、电容的存在，当发射波的方向改变瞬间，电路中会出现尖峰电压，可能会超过开关管耐压值击穿开关管。本方案在每个开关管的两端设计了一组由压敏电阻、保护电阻、保护电容组成的对保护电路。压敏电阻起消减尖峰电压功能，保护电阻、保护电容组成的RC回路能有效吸收尖峰电压。由于功率回路采取全桥模式，同一侧桥臂的上、下两只开关管在任何时间均不可同时导通，否则将产生灾难性后果。虽然开关管的导通受驱动电路控制在逻辑上不可能出现这种现象，但是在功率回路通过电流较大时，由于导线间的电流相互感应，可能在开关管G端出现感应电压尖峰，从而出现误导通。为了防止出现这种状况，本设计在开关管G端管脚上套上合适的磁环。由于感应电压尖峰为尖脉冲形式，启动脉冲含有一定的宽度，由于磁环的电磁效应，套上磁环后能有效抑制尖脉冲干扰，同时也不影响正常工作。在电路连接方面，驱动电路与开关管的电气连接采用双绞线方式，能有效抑制开关管驱动（G）端导线上的共模干扰。

5.在传统方式设计中采样电阻安装于电源地端，控制电路通过分压电路直接读取采样电阻上的电压模拟量，然后对该电压进行积分处理，当积分后的电压值达到警告值时切断电路。但是当使用大功率发射时尽管采样电阻值很小，流过该电阻的电流很大，将抬高开关管（下管）E端的电压。由于开关管（下管）的驱动电压以地为参考点，将造成开关管（下管）导通不充分出现发热，甚至有可能使开关管工作于放大状态造成开关管烧毁。积分电路的电容需要有一定的容量，以便能驱动控制电路中的报警管脚。但是大电容的选择将造成控制电路对电路出现的异常情况反应迟钝，不能很好起到保护作用。本设计中保护采样电阻安装于电源端，在大功率发射时开关管（下管）工作不受采样电阻影响。保护电路的采样电路与检测电路通过光耦隔离，保护电路的报警信号输出为数字信号，方便控制电路迅速处理电路出现的异常情况。

 

附图说明

图1：本发明的测深仪大功率声波发射装置的系统结构图；

图2：图1中的发射脉冲分频模块的电路图；

图3：图1中的发射回路驱动模块的电路图；

图4：图1中的发射波功率主回路模块的电路图；

图5：图1中的保护模块的电路图。

 

符号说明

1 发射脉冲分频模块

2 发射回路驱动模块

2A 左发射回路驱动模块

2B 右发射回路驱动模块

3 发射波功率主回路模块

4 保护模块

5 换能器

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

如图1所示，该测深仪声波发射装置主要包括：发射脉冲分频模块1、发射回路驱动模块2、发射波功率主回路模块3以及换能器5；其中，发射脉冲分频模块1连接到发射回路驱动模块2，发射回路驱动模块2和换能器5分别连接到发射波功率主回路模块3。

发射脉冲分频模块1用于接收测深仪控制电路送来的发射脉冲信号，并将其二分频后分别形成的正半周和负半周发射波脉冲信号发送到发射回路驱动模块2中。

其详细电路图如图2所示，发射脉冲分频模块1通过输入端子X1的1脚接收来自测深仪主控制电路（例如DSP电路）送来的发射脉冲CLK，经第一高速光耦V1隔离后送入分频芯片N1；通过输入端子X1的2脚接收来自测深仪主控制电路送来的发射使能信号EN，经第二高速光耦V2隔离后送入分频芯片N1，分频芯片N1对送入的信号进行二分频处理，形成发射波正半周信号HCLK、负半周信号LCLK；正半周信号HCLK通过输出端子X2的1脚输出，负半周信号LCLK通过输出端子X2的2脚输出，加载到后级的发射回路驱动模块2。

同时，在该测深仪声波发射装置具有保护模块4时，发射脉冲分频模块1还通过输入端子接收保护模块4送来的数字报警信号HERR（即高电平有效的ERR信号），在报警信号的高电平时关断分频N1，以停止输出发射脉冲。

发射回路驱动模块2包括左发射回路驱动模块2A和右发射回路驱动模块2B，其是两套完全相同的驱动电路，用于驱动发射波功率主回路模块3的全桥电路的各个开关管。

其详细电路图如图3所示，左、右发射回路驱动模块接收来自发射脉冲分频模块1传来的发射波正半周信号HCLK、负半周信号LCLK，再根据左、右回路的区别输出发射波功率主回路模块3的开关管的驱动信号。其中HCLK信号有效时，左回路上管GH信号、右回路下管GL信号驱动有效；LCLK信号有效时，左回路下管GL信号、右回路上管GH信号驱动有效。

二极管V5的正端连接电源（+15V），负端连接到并联电容C7、C8的一端，从而形成自举电路。其工作过程为：电源首先对通过二极管V5对电容C7和C8充电，当图3中的HCLK信号有效时，电容C7、C8起到电压源作用开启驱动芯片N2内部电路，使得电源加到GH端，GH端输出高电平以启动功率电路开关管；当HCLK信号为低电平时，电源通过二极管V5对电容C7、C8充电。

为保证电路正常工作电容需要有一定的容量要求，并且为了开关管能迅速动作，需要尽量减小电容上的压降就需要电容有较低的ESR值（等效串联电阻阻值）；同时，电容C7、C8作为驱动芯片N2的储能元件，需要有一定的容量要求，并且由于电路特性还需要有良好的瞬态性能。为了满足上述要求，电容C7优选低ESR的陶瓷电容，C8优选容量较大的电解电容。

电路中V7为压敏二极管，与之并联的R17为压敏电阻，二者通过电阻R16连接到VsH端，对电路起保护作用；其工作原理为：在发射电路工作回路上管导通时，GH端的电压为发射用的直流高电压加开关管的驱动电压的总和，VsH端的电压为发射用的直流高电压，这些电压通过几个小电阻直接连接到驱动芯片N2上。由于与发射波功率主回路模块3连接的换能器5为含有感抗、容抗的复杂负载，并且当采用大功率发射声波时流过换能器5的电流很大，当发射波由正半周转为负半周时，由于换能器5中电感、电容的作用，在电路中会出现为2倍于发射电压的电压尖峰，很容易超过驱动芯片2的额定电压，从而损伤乃至击穿驱动芯片2。电路中V7、R17为并联的压敏二极管和压敏电阻，V7反应较快但负载电流较小，为快速消减电压尖峰（瞬态）；R17反应较慢但负载电流大，可稳态消减过高电压，从而实现对电路的保护。

由于功率回路采用全桥模式，为了工作性能需要开关管以较慢速度打开，以形成一个较缓的发射波上升沿；但是为了电路安全性，在下管打开前又需要迅速关闭桥路同一侧的上管。串联电阻R14、R15以及与电阻R15并联的二极管V6用于共同控制开关管中的上管的导通和关断的时间，串联电阻R18、R19以及与电阻R19并联的二极管V8用于共同用于控制开关管中的下管的导通和关断的时间，且阻值越大，作用时间越长。其中，R14、R15（R18、R19）作为启动电阻参与了开关管的启动；当开关管关闭时，与启动电流反向的关断电流经二极管V6（V8）实现了对电阻R15（R18）的短路，从而起到了加速关断的功能。

发射波功率主回路模块3通过四个开关管形成的全桥电路将高压直流电加载到换能器4上，形成测深仪发射声波。其详细电路图如图3所示，高压直流电源（30V-380V）通过二极管V13以及并联电阻R28、R29对发射储能电容C11-C19充电；在一时刻，两个发射回路驱动模块驱动导通开关管V14、V17，关闭开关管V15、V16形成回路，将高压直流电加载到换能器5上，形成发射波正半周；下一时刻，两个发射回路驱动模块驱动导通开关管V15、V16，关闭开关管V14、V17形成回路，将高压直流电加载到换能器5另一侧，形成发射波负半周。

由于直接采用高压直流电驱动开关管，开关管采用全桥模式，桥路两侧开关管分别导通加载到换能器两极，形成发射波的正负半周信号（即完整的测量发射声波），从而通过驱动电路和开关管的选择，在已实现的发射电路中经实际测量单向发射电压为380V，在换能器负载为15欧姆时，电路能长期、稳定工作，即发射功率可达9000W以上。并且由于发射电路为直接加载到换能器两端，电路中不存在电-磁、磁-电转换，发射波形未失真，基本为驱动波形。

发射全桥电路通过保护采样电阻R31连接到储能电容C11-C19的电源端。保护采样电阻R31未采用传统方式设计在电源地端。由于传统电路中需要考虑电路的共地性，只能将保护采样电阻布局在电源地端；保护采样电阻尽管很小，但是当使用大功率发射时，流过该电阻的电流很大，将抬高开关管（下管）E端的电压，造成开关管（下管）导通不充分出现发热，甚至有可能使开关管工作于放大状态造成开关管烧毁。本设计中由于不用考虑电路共地，保护采样电阻安装于电源端，在大功率发射时开关管（下管）工作不受采样电阻影响。

二极管V18、V19、V20、V21为收发转换开关，其具体连接关系如图4所示。

压敏电阻R32、保护电阻R33、保护电容C21形成了对开关管V14的保护电路，其中，压敏电阻R32与开关管V14并联，保护电阻R33和保护电容C21串联后的组合与开关管V14并联；其工作原理为：开关管V14直接工作于测深仪发射的高压主功率回路中，由于换能器5中电感、电容的存在，当发射波的方向改变瞬间，电路中会出现尖峰电压，可能会超过开关管V14的耐压值而损坏乃至击穿开关管。压敏电阻R32起消减尖峰电压功能，保护电阻R33、保护电容C21组成的RC回路能有效吸收尖峰电压。

同理，压敏电阻R34、保护电阻R35、保护电容C22形成了对开关管V15的保护电路；压敏电阻R37、保护电阻R36、保护电容C23形成了对开关管V16的保护电路；压敏电阻R39、保护电阻R38、保护电容C24形成了对开关管V17的保护电路；各组的电路连接方式也与V14的保护电路相类似。

该测深仪声波发射装置还可以包括保护模块4，其一端与发射波功率主回路模块3连接，另一端与发射脉冲分频模块1连接，用于采集功率主回路模块3的信号，当电路出现短路等异常情况时输出控制信号，关闭全部发射以保护包括发射脉冲分频模块1在内的发射电路。

其详细电路图如图4所示，保护模块4通过发射波功率主回路模块3中的采样电阻R31（图3中示出）检测主回路的工作电流，由分压电阻R40、R41分压选择需要报警的电流参数。当发射电路出现异常情况，导致采样电阻输出的电压在光耦V22上的电压分量达到足以导通光耦V22，则光耦V22导通后经运放芯片N4输出高电平有效的报警信号ERR，并送到发射脉冲分频模块1以关闭测深仪的发射。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.测深仪大功率声波发射装置，其特征在于包括：发射脉冲分频模块（1）、发射回路驱动模块（2）、发射波功率主回路模块（3）以及换能器（5）；其中，所述发射脉冲分频模块（1）连接到发射回路驱动模块（2），所述发射回路驱动模块（2）和换能器（5）分别连接到所述发射波功率主回路模块（3）。

2.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，还包括保护模块（4），其一端与所述发射波功率主回路模块（3）连接，另一端与所述发射脉冲分频模块（1）连接，其采集所述功率主回路模块（3）的信号，当电路出现异常情况时输出控制信号，关闭全部发射以保护包括所述发射脉冲分频模块（1）在内的发射电路。

3.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，所述发射脉冲分频模块（1）接收测深仪控制电路送来的发射脉冲信号，并将其二分频后分别形成的正半周、负半周发射波脉冲信号发送到所述发射回路驱动模块（2）中。

4.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，所述发射回路驱动模块（2）包括左发射回路驱动模块（2A）和右发射回路驱动模块（2B），两模块的电路完全相同，用于驱动所述发射波功率主回路模块（3）的全桥电路的不同开关管。

5.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，所述发射回路驱动模块（2）包括自举电路，其由二极管（V5）正端连接电源（+15V）、负端连接到并联电容（C7、C8）的一端而形成，所述并联电容中既包括等效串联电阻阻值较低的电容（C7），又包括容量较大的电解电容（C8）。

6.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，所述发射回路驱动模块（2）中包括驱动芯片（N2），以及用于保护所述驱动芯片（N2）的压敏二极管（V7）和压敏电阻（R17），所述压敏二极管（V7）与压敏电阻（R17）并联连接。

7.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，所述发射回路驱动模块（2）中具有串联电阻（R14、R15）以及与其中一个电阻（R15）并联的二极管（V6），用于共同控制开关管的导通和关断时间。

8.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，所述发射波功率主回路模块（3）具有四个开关管形成的全桥电路，用于将高压直流电加载到所述换能器（4）上，形成测深仪发射声波。

9.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，所述发射波功率主回路模块（3）中具有储能电容（C11-C19）和保护采样电阻（R31），所述保护采样电阻（R31）连接到所述储能电容（C11-C19）的电源端。

10.根据权利要求1所述的测深仪大功率声波发射装置，其特征在于，所述发射波功率主回路模块（3）中具有开关管（V14-V17），以及由压敏电阻（R32）、保护电阻（R33）、保护电容（C21）形成的开关管保护电路，其中，所述压敏电阻（R32）与所述开关管（V14）并联，所述保护电阻（R33）和保护电容（C21）串联后的组合与所述开关管（V14）并联。

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