CN102621237A - 大功率单脉冲超声信号发生器及其无损探伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基于超声理论及高频电子技术所研制的一种用于激发超声的高频大功率单脉冲信号发生器及其无损探伤的方法，可大大提高探伤深度与精确度，主要用于混凝土大坝、核电关键压力容器等散射比较强介质的超声检测。其中单片机(MicroComputerUnit,MCU)产生PWM波作为控制信号，经过缓冲放大电路对电流进行放大，以达到驱动功率开关管的通断，控制电容充放电的目的，从而控制脉冲激发电路输出所需脉宽的单脉冲信号，定时将脉冲幅度反馈给MCU，对设备空载及过热现象及时采取保护措施，最终经过单脉冲变压器使脉冲幅度大大提升。本发明与现有的单脉冲信号发生器相比，探伤深度与精确度有很大提高。

Description

大功率单脉冲超声信号发生器及其无损探伤的方法

技术领域

本发明属于超声检测及高频技术领域，涉及一种大功率的单脉冲超声信号发生器。

背景技术

超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，当波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发出反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷的大小和位置。

目前超声探伤所使用的单脉冲信号源都是小功率的，而大坝的混凝土结构以及核电站压力容器的奥氏钢体结构对声波的散射衰减很大，如信号功率不强，将无法检测到回波信号，就不能很好地完成深度探伤检测。

传统的超声检测方法很多，其中主要有谐振法、穿透法、脉冲反射法和液浸法。

(1)共振法

利用频率连续可变的单一频率的超声波在物体的相对表面上反射，从而发生同相位叠加的共振现象进行检测的方法，称为共振法。它是两个相干的声波在同一直线上沿向反方向传播时，互相叠加产生驻波主播的结果。共振法设备简单，测量精确，常用于壁厚测量，然而，当工件中存在较大缺陷或当工件厚度改变时，将导致共振现象消失或共振点偏移。

(2)穿透法

将两个探头分别置于试件的两个相对面，一个探头发射超声波，另一个探头接收透射波，根据接收探头接收到的超声能量大小，来评定缺陷量值大小的检测方法，称为穿透法。若试件内存在缺陷，声波被缺陷挡住后会形成阴影，称为声影。

设缺陷后声影截面不变的距离为L₁，它可近似下式计算，

$L_1=\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{4\mathrm{\λ}}$

式中，φ为缺陷直径，λ为超声波长。在距离L₁之后，声束将按一定角度θ′绕射，根据理论推算：

${\sin \mathrm{\θ}}^{\′}=1.22\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\φ}}$

当缺陷声影截面为零时，即是穿透法的有效探测距离L_H，表示为：

$L_H=L_1+\frac{\mathrm{\φ}}{2{\tan \mathrm{\θ}}^{\′}}$

由此可知，缺陷距接收探头越远声影越小，缺陷越不易被发现，当距离大于L_H后，则探测不到缺陷。

(3)脉冲反射法

脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同的介质交界面上发生反射的原理进行检测，采用同一个换能器兼作发射和接收，接收信号显示在检测仪的荧光屏上。根据缺陷反射波的大小、有无及其在时基轴上的位置来判断缺陷的大小、有无及缺陷深度。该方法的缺陷定位精确度较高，但是存在一定盲区，对近表面缺陷工件不适用，且容易漏检，材料衰减太大。

(4)液浸法

液浸法是指在探头与工件之间填充一定厚度的液体耦合剂，使探头发射的声波经过液体耦合层后，再入射到工件中去进行检测的方法。液浸法在耦合层较厚时，声能损失较大，另外还需要相应的辅助设备，并且机械安装复杂。在使用液浸法检测时，还应遵循探头灵敏度高、探头至工件的距离选择等原则。

上述的测量方法在一定程度上都能实现对建筑基础设施存在的缺陷进行检测，但声波信号在遇到混凝土或钢体结构时，接收仪器所得到的回波信号都在一定程度上被大大削弱，无法达到测量的精确度与深度。

申请号为“201120198403”名称为“一种大功率超声波发生机”的专利申请，公开的是一种大功率超声波发生机，包括380V的电源、整流器、功放I、功放II、合成器和换能器，其特征在于：还包括电压调节器、单片机、信号源、匹配网络，以及电缆，所述电源经过电压调节器微调后进入整流器，整流后的电源经过功放I和功放II输送到合成器，所述单片机通过信号源对功放I、功放II进行控制，所述合成器通过传感器与匹配网络连通，所述匹配网络通过电缆与换能器连通。该实用新型采用了先进的元器件，电路设计为脉冲功率转换多单元一次合成技术，结构简化，性能可靠，具有频率，脉宽和功率协调功能，电流冲击小，输出功率大而稳定，但是输出的是正弦波信号，无法用于超声探伤。

申请号为“200980144195”名称为“脉冲信号发生装置”的专利申请，公开的是一种脉冲信号发生装置，其特征在于：为了在谐振腔发生负阻使三电极高频放大元件集成化，并且为了共用向空间放射电磁波的天线功能构成放射型振荡器，通过使上述三电极高频放大元件短时间进行动作而获得短时间的负阻，发生基于该负阻和上述谐振腔之构造所决定的振荡频率/频率带宽的高频脉冲信号，并同时将其向空间放射。该发明具有构造单纯化、高性能化、小型集成化、设计容易化、低耗电化、低成本化的特点，但是属于微波/毫米波段的高频脉冲信号发生装置，功率小，不能达到所需的探伤深度及精确度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计一种大功率的单脉冲超声信号发生器及其无损探伤的方法，该大功率超声信号发生器与已有的脉冲信号相比功率得到很大提升，并且用于大型建筑物的无损探伤也可以得到明显的回波信号。

为解决上述技术问题，本发明在方案的制定、元器件的选取上都以达到大功率为目的。为验证大功率单脉冲超生信号发生器及其使用方法的有效性，必须搭建一个合理有效的平台，平台包括大功率单脉冲超声信号发生器，可作对照实验的待测混凝土石块组，有效的接收显示装置，以及用于数据分析处理的电脑软件。按所述方法利用所述装置作为信号源对待测混凝土石块组进行无损探伤实验，对所得数据进行分析得到测量石块情况并将其与实际情况对比，确认所述装置及方法的有效性。

为实现大功率的目的，所述装置应在增大单脉冲信号占空比的基础上，尽可能大的提高信号幅度，为此数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)，直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，简称DDS)复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，简称CPLD)等方案均不能满足要求。所以采用控制电容充放电产生高压信号，再经过脉冲变压器大幅度增大信号幅值来激发脉冲信号的方案。

一种大功率单脉冲超声信号发生器装置，其特征是，包括

以单片机为核心的控制模块，所述控制模块产生控制信号输入脉宽宽度调节电路，

所述脉宽宽度调节电路输出的信号经电平转换装置放大后驱动功率开关管的通断，

还包含由所述功率开关管控制进行充放电的电容，

所述电容产生的单脉冲信号经一脉冲变压器进行脉冲升压后激发发射换能器产生超声信号，

还包含一用于接收所述发射换能器发射的单脉冲超声信号的接收换能器。

所述接收换能器与一数字示波器连接，由所述的数字示波器采集显示接收到的回波信号。

还包含一电阻，所述的电阻用于控制所述电容充放电时间。

所述的电容为油浸电容，所述的油浸电容充放电时产生单脉冲信号。

所述的脉冲变压器对所述电容产生的单脉冲信号进行幅值放大。

所述数字示波器连接至电脑上。

还包含一保护电路，所述的保护电路对所述控制模块进行空载及过热保护。

所述的脉宽宽度调节电路物理调节脉冲宽度。

一种基于权利要求1所述装置进行无损探伤的方法，其特征是，包含以下测量步骤：

(1)将耦合液均匀涂抹在发射换能器上，使发射换能器与被测物体利用耦合液耦合；

(2)在发射换能器所在的轴线上等距划分，设置接收点；

(3)将耦合液均匀涂抹在接收换能器上，使接收换能器与被测物体在接收点处利用耦合液耦合；

(4)在被测物的中心轴线上移动接收换能器，每到一个接收点便利用数字示波器采集相应波形及相关数据；

(5)将采集到的所有数据与波形上传给电脑；

(6)使用Matlab软件对所得的多组数据进行数据处理与分析，还原完整的回波信号，从而判断出超声波在被测物体内的速度、缺陷所在位置。

本设计使用AT89S52作为控制模块MCU。它的主要任务便是负责产生控制信号以及对设备反馈信息进行处理，判断装置是否工作异常从而采取保护措施。

脉宽宽度调节电路选用的是由双可重触发单稳态触发器74HC123为核心的单稳态触发电路。74HC123的输出脉冲宽度有三种控制方式。一是通过选择外部元件电容C_EXT和电阻R_T值来确定脉冲的宽度，二是通过正触发输入端或负触发输入端的重触发延长输出脉冲宽度t_wq，三是通过清除端的清除来缩短t_wq。本设计采用第一种方式，通过调节两个电位器改变R_T的值从而实现对脉冲宽度进行细调和粗调。

由于74HC123产生的单稳态信号，电流值很小，无法驱动功率开关管正常工作，所以又设计了放大电路。放大电路采用NE5532对电流进行缓冲放大，NE5532是一种双运放、高性能、低噪声运算放大器，可以提高输出驱动能力，以达到驱动功率开关管的目的。

本发明利用电容的充放电来产生高压脉冲，故设计了一个脉冲震荡产生电路。RC电路的时间常数：τ＝RC，通过74HC123构成的触发电路控制功率开关管的通断时间，从而控制电容放电时间，产生相应脉宽的脉冲信号。信号再经过脉冲变压器对单脉冲信号的幅值进行放大。在电容选择上已经知道容抗和电容成反比，和频率也成反比。如果容抗用XC表示，电容用C表示，频率用f表示，那么

XC＝1/(2πfC)

为了使等效感抗尽量小，所以电容要尽量大且耐压值要高。电容两端电压

Uc＝VH×[1-e^-t/τ]

其中VH是电源电压，t为时间变量。放电时

Uc＝Uo×e^-t/τ

Uo是放电前电容上电压。RC电路的时间常数τ决定了电容器上的电量变化率；时间常数τ较大者，电量变化较慢，要经过较长的时间才会达到稳定值；反之，时间常数τ较小者，电量变化较快，较快达到稳定值。在本发明中要求有较大的功率，又τ＝RC不可过大，较佳地，选择电容为20uF，耐压值为630V，而电阻为阻值500Ω、10W的功率水泥电阻。

由于在本发明中，需要以很快速度改变电路的通断来实现电容连续的充放电，所以需要设计一个特殊的开关，功率开关管的选择显得尤为重要。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT融和了MOSFET和双极型晶体管这两种器件的优点：驱动功率小而饱和压降低，可以采用低成本的驱动电路；开关速度快；导通状态低损耗。所以本发明选择IGBT用作快速开关。

要想本装置正常工作，脉冲变压器的设计至关重要。饶制变压器在设计铁心的尺寸规格时，输出功率与磁性材料的性质，几何形状和尺寸的关系公式可表示为：

$A_c\×A_e=\frac{P_t\×{10}^4}{42f{B}_m{K}_o{K}_j}\×1.16$

式中的B_m-工作磁通密度

Ac-铁心的有效截面积，单位cm²

Ae-铁心窗口面积，单位cm²

P_t-变压器计算功率，单位W(瓦)

表达式P_t＝P_o(1/η+1)，其中P_o为输出功率，η为变压器效率

f-工作频率

K_o-窗口占空系数

K_j-绕组的电流密度系数

由此可以计算出变压器的尺寸规格。一次侧的匝数根据一次侧的匝数可以确定二次侧的匝数，若本发明所用脉冲变压器匝比为1∶10，由此可推知二次侧的匝数。

本发明所达到的有益效果：本发明是基于超声理论及高频电子技术所研制的一种用于激发超声的高频大功率单脉冲信号发生器装置，设备简单，易于实现，成本较低且功率大。由单片机(Micro Computer Unit，MCU)产生PWM波作为控制信号，经过缓冲放大电路对电流进行放大，以达到驱动功率开关管的通断，控制电容充放电的目的，从而控制脉冲激发电路输出所需脉宽的单脉冲信号，定时将脉冲幅度反馈给MCU，对设备空载及过热现象及时采取保护措施，最终经过单脉冲变压器使脉冲幅度大大提升。可用于混凝土结构的建筑物、核电关键压力容器等散射比较强介质的超声检测，在进行无损探伤测量时可以得到明显的回波信号，与现有的单脉冲信号发生器相比，大大提高了探伤的深度与精确度，并对产生大功率脉冲提供了新思路。

附图说明

图1为大功率单脉冲超声信号发生器装置示意图；

图2是控制信号波形图；

图3是图1的装置测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的大功率单脉冲超声信号发生器装置包括空载及过热保护装置7，控制模块MCU 8，脉宽宽度调节器9，电平转换装置10，脉冲功率变换发射电路1，接收换能器11。其中，脉冲功率变换发射电路1包括功率开关2，大功率电阻3，油浸电容4，脉冲变压器5，发射换能器6。数字示波器12用于接收数据的采集。

通过控制模块MCU 8产生如图2所示的控制信号，经过脉宽宽度调节器9实现对输出信号脉宽的物理调节，再经过电平转换装置10，使输出信号足以驱动脉冲功率变换发射电路1中的功率开关2的通断，从而控制油浸电容4充放电，输出所需的单脉冲信号，并经过脉冲变压器5产生所需的大功率脉冲信号激发发射换能器6，发射换能器6产生的超声波通过被测物体由接收换能器11接收并显示在数字示波器12上，通过分析处理数字示波器12上的数据信息即可知道被测物体的内部结构情况以及超声在被测物体的传播速度等信息。

下面以一具体实施例为例，详细说明使用本发明的装置的工作步骤与方法：

如图3，发射换能器6、接收换能器11设在被测物体混凝土石块14的两侧。耦合液13用于让换能器与混凝土石块14耦合。

(1)将发射换能器6均匀的涂抹上耦合液13。

(2)将发射换能器6与被测物体混凝土石块14利用耦合液13耦合好，耦合液13要涂抹均匀。

(3)在发射换能器6所在的轴线上等距划分，设置接收点，与步骤(1)(2)同理，将接收换能器11均匀的涂抹上耦合液13，接收换能器11与被测混凝土石块14在接收点处耦合好。

(4)调节与接收换能器11连接的数字示波器，将接收换能器11在接收点采集到的波形记录保存到电脑上。

(5)在被测物的中心轴线上移动接收换能器，每到一个接收点便重复步骤(4)，将所有的记录点的波形都存储到电脑上。

(6)使用Matlab软件对所得的多组数据进行数据处理与分析，还原完整的回波信号，从而可以判断出超声波在被测物体混凝土石块14内的速度，缺陷所在位置等信息。

以上所述仅是本发明的一种验证性实验的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1. 一种大功率单脉冲超声信号发生器，其特征是，包括

以单片机为核心的控制模块，所述控制模块产生控制信号输入脉宽宽度调节电路，

所述脉宽宽度调节电路输出的信号经电平转换装置放大后驱动功率开关管的通断，

还包含由所述功率开关管控制进行充放电的电容，

所述电容产生的单脉冲信号经一脉冲变压器进行脉冲升压后激发发射换能器产生超声信号，

还包含一用于接收所述发射换能器发射的单脉冲超声信号的接收换能器。

2.根据权利要求1所述的大功率单脉冲超声信号发生器，其特征是，所述接收换能器与一数字示波器连接，由所述的数字示波器采集显示接收到的回波信号。

3.根据权利要求1所述的大功率单脉冲超声信号发生器，其特征是，还包含一电阻，所述的电阻用于控制所述电容充放电时间。

4.根据权利要求1所述的大功率单脉冲超声信号发生器，其特征是，所述的电容为油浸电容，所述的油浸电容充放电时产生单脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的大功率单脉冲超声信号发生器，其特征是，所述的脉冲变压器对所述电容产生的单脉冲信号进行幅值放大。

6.根据权利要求2所述的大功率单脉冲超声信号发生器，其特征是，所述数字示波器连接至电脑上。

7.根据权利要求1所述的大功率单脉冲超声信号发生器，其特征是，还包含一保护电路，所述的保护电路对所述控制模块进行空载及过热保护。

8.根据权利要求1所述的大功率单脉冲超声信号发生器，其特征是，所述的脉宽宽度调节电路物理调节脉冲宽度。

9.一种基于权利要求1所述装置进行无损探伤的方法，其特征是，包含以下测量步骤：

（1）将耦合液均匀涂抹在发射换能器上，使发射换能器与被测物体利用耦合液耦合；

（2）在发射换能器所在的轴线上等距划分，设置接收点；

（3）将耦合液均匀涂抹在接收换能器上，使接收换能器与被测物体在接收点处利用耦合液耦合；

（4）在被测物的中心轴线上移动接收换能器，每到一个接收点便利用数字示波器采集相应波形及相关数据；

（5）将采集到的所有数据与波形上传给电脑；

（6）使用Matlab软件对所得的多组数据进行数据处理与分析，还原完整的回波信号，从而判断出超声波在被测物体内的速度、缺陷所在位置。

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