CN102629838A - 便携式高压多脉冲超声波发射装置 - Google Patents

便携式高压多脉冲超声波发射装置 Download PDF

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李晓伟
吴斌
周进节
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便携式高压多脉冲超声波发射装置涉及一种高能量超声波发射装置,能够产生高压连续脉冲激励超声换能器,产生高能量超声波。该装置包括高压升压电路、脉冲激励电路、单片机电路和超声换能器。高压升压电路采用反激式开关升压原理产生高电压,通过调整输入PWM信号的占空比可以调整升压模块的输出电压,输出电压同时反馈到单片机的内部AD输入,实现电压的闭环控制。脉冲激励电路采用两个MOS管组成的推挽电路驱动超声换能器,其中的MOS管驱动采用自举升压电路。本装置通过外接按键和液晶显示屏,能够设置激励电压、激励脉冲周期数、激励频率和激励间隔周期四个参数。整个装置体积小、重量轻,适用于野外作业。

Description

便携式高压多脉冲超声波发射装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高压多脉冲参数可调超声波发射装置,属于工业超声无损检测技术领域,用于低压直流电产生脉冲超声波的场合。
背景技术
[0002] 超声无损检测技术已经广泛应用在工业中,便携超声检测设备中常见的超声波发射电路采用Boost升压电路产生高压尖脉冲激励超声换能器产生超声波,利用尖脉冲频谱宽的特性来适应不同频率的超声换能器,脉冲电压越高则激励的超声波能量越大,但是超声换能器都有最高耐压值,激励电压超过最高耐压值就容易损坏换能器,这种激励方式可以用来测厚或对超声波能量要求不高的场合。对于高能量超声波的激励方式常用信号发生器配合大功率模拟功放实现,但是因为功放电路处于模拟放大状态,功耗大,所以一般这种功放体积大,对于野外检测非常不方便。所以就需要一种新型的便携的能够发射高能量超声波的超声波发射装置。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种便携的能够发射高能量超声波的超声波发射装置。该装置采用反激式开关方式升压和推挽式输出激励,可由低压直流电产生高压连续脉冲,激励超声换能器产生超声波。本装置能够发射连续高压脉冲激励超声换能器产生超声波,激励电压越高、激励脉冲周期数越多,发射的超声波能量越大。本装置可以根据需要对激励电压、激励脉冲周期数、激励频率和激励间隔周期四个参数进行调整。
[0004] 本发明的技术方案如下:
[0005] 一种便携式高压多脉冲超声波发射装置,包括高压升压电路(I)、脉冲激励电路
(2)、单片机电路(3)和超声换能器(4),其特征在于:单片机电路(3)连接高压升压电路(1),控制高压升压电路(I)的输出电压,高压升压电路(I)的输出电压再反馈给单片机电路(3)实现输出电压的闭环控制;单片机电路(3)与脉冲激励电路(2)连接,控制脉冲激励电路(2)产生高压脉冲;高压升压电路(I)连接脉冲激励电路(2),为脉冲激励电路(2)提供高压电源;脉冲激励电路(2)与超声换能器(4)连接,激励超声换能器(4)产生超声波。
[0006] 单片机电路(3)包括单片机STM32F103C8T6,以及典型复位电路、典型晶振电路和典型JTAG仿真接口电路;单片机STM32F103C8T6的PAl端口输出PWM信号到高压升压电路(I)的PWM-IN端口,PWM信号的产生由单片机STM32F103C8T6采用HMER2定时器的PWM功能实现,单片机的PAO端口作为单片机电路(3)的FEEDBACK端口用来接收高压升压电路
(I)的反馈电压;单片机的PA2和PA3端口用于向脉冲激励电路⑵发送脉冲控制信号。 [0007] 高压升压电路(I)由MOS管、高频变压器、储能电容、DCR尖峰吸收电路、低通滤波电路和电压反馈电路组成;单片机PAl 口连接MOS管的G极,控制MOS管的导通与截止,MOS管S极接地;高频变压器初级绕组连接在MOS管D极和电源之间,DCR尖峰吸收电路并接在高频变压器初级绕组两端用于吸收MOS管关断瞬间初级绕组产生的高压尖脉冲,高频变压器的次级绕组一端接地,一端通过二极管连接储能电容,当MOS管导通时,电源向变压器初级绕组充入能量,当MOS管截止时,高频变压器次级绕组通过二极管向储能电容放电实现升压;储能电容通过并接低通滤波电路滤波后输出稳定的高压直流信号;电压反馈电路并接在储能电容两端,输出反馈电压到单片机的PAO 口 ;电压反馈电路由分压电阻和电容组成,电容与电阻并联后一端接地,另一端串联电阻,然后并联在储能电容两端。[0008] 低通滤波电路由一个π型低通滤波电路并联一个一阶阻容低通滤波电路构成,所述的η型低通滤波电路由两个电容和一个电阻构成。
[0009] 脉冲激励电路⑵由MOS管驱动电路、延时电路、推挽电路和隔离电路组成;M0S管驱动电路是由MOS管驱动芯片IR2110及其外围器件构成的典型悬浮自举升压电路组成,MOS管驱动芯片的输入端HIN和LIN分别连接单片机的PA3 口和PA2 口,MOS管驱动芯片的高端输出端(HO)通过延时电路连接推挽电路的高端MOS管的G极,控制高端MOS管的导通与截止,低端输出端(LO)通过延时电路连接推挽电路的低端MOS管的G极,控制低端MOS管的导通与截止,推挽电路中高端MOS管的漏极经限流电阻与高压升压电路(I)的输出端相连;推挽电路的输出通过隔离电路连接超声换能器(4);延时电路由电阻和二极管并接组成,能够缩短MOS管关断延时,避免推挽电路的高/低端MOS管同时导通;当单片机PA3口和PA2 口输出高频方波信号时(PA2 口信号与PA3 口信号反相),推挽电路输出高频高压方波脉冲信号,激励超声换能器(4)产生超声波。
[0010] 延时电路由电阻和二极管并联组成,二极管正极接MOS管的G极。
[0011] 推挽电路由高端MOS管和低端MOS管连接组成,高端MOS管的源极和低端MOS管的漏极相连,低端MOS管的源极接地。
[0012] 隔离电路由电阻、电容和二极管组成,两个二极管极性相反并联后一端通过电容与推挽电路的输出相连,另一端经电阻接地。
[0013] 本装置通过配合使用按键用于设置激励电压、激励脉冲周期数、激励频率和激励间隔周期四个参数,通过液晶显示屏显示设置的上述参数。按键与本装置的连接,以及液晶显示屏与本装置的连接属于现有技术,详见图7、8。
[0014] 单片机一方面根据高压升压电路(I)的反馈电压与设置的激励电压比较,经过PID运算后输出特定占空比的PWM信号到高压升压电路(1),实现输出电压的控制。另一方面根据设置的激励脉冲周期数、激励频率和激励间隔周期三个参数输出连续脉冲到脉冲激励电路(2),控制其激励超声换能器(4)。高压升压电路(I)为脉冲激励电路(2)提供高压电源,高压电源的电压决定了脉冲激励电路(2)激励超声换能器(4)的脉冲的电压,电压越高激励出的超声波能量越大。
[0015] 有益效果
[0016] 本装置的优点在于,脉冲激励电压可调,脉冲激励频率最高可达2MHz,激励脉冲周期数可任意调整,适用于各种电压驱动型超声换能器。由于采用多脉冲发射方式,所以在低压情况下能够发射高能量超声波,可以应用在对超声波能量要求高的场合。由于电路简单,元器件少,所以整个装置体积小、重量轻,适用于野外作业。
附图说明
[0017] 图I :为本发明便携式高压多脉冲超声波发射装置的系统原理图[0018] 图2 :为本发明便携式高压多脉冲超声波发射装置的单片机电路电路图
[0019] 图3 :为本发明便携式高压多脉冲超声波发射装置的电源电路图
[0020] 图4 :为本发明便携式高压多脉冲超声波发射装置的脉冲激励电路电路图
[0021] 图5 :为本发明便携式高压多脉冲超声波发射装置的高压升压电路电路图
[0022] 图6 :为本发明便携式高压多脉冲超声波发射装置的脉冲激励电路的输出波形
[0023] 图7 :为本发明便携式高压多脉冲超声波发射装置的按键电路图
[0024] 图8 :为本发明便携式高压多脉冲超声波发射装置的液晶显示屏电路图
具体实施方式 [0025] 下面结合图介绍本发明的实施例。
[0026] 一种便携式高压多脉冲超声波发射装置,如图I所示,包括高压升压电路(I)、脉冲激励电路(2)、单片机电路(3)和超声换能器(4)。单片机电路(3)通过PWM信号线连接高压升压电路(I),通过脉冲线与脉冲激励电路(2)连接;高压升压电路(I)通过电压反馈线与单片机电路(3)连接,通过高压电源线与脉冲激励电路(2)连接,超声换能器(4)连接到脉冲激励电路⑵上。单片机电路⑶输出PWM信号控制高压升压电路⑴的输出电压,高压升压电路(I)的输出电压再反馈给单片机电路(3)实现输出电压的闭环控制;高压升压电路(I)通过高压电源线为脉冲激励电路(2)提供高压电源;单片机电路(3)通过脉冲线控制脉冲激励电路(2)产生高压脉冲,高压脉冲激励超声换能器(4)产生超声波。
[0027] 所述单片机电路(3)如图2所示,包括单片机STM32F103C8T6,以及典型复位电路、典型晶振电路和典型JTAG仿真接口电路。单片机STM32F103C8T6的PAl输出PWM信号到高压升压电路⑴的PWM-IN端口,PWM信号的产生由单片机STM32F103C8T6采用HMER2定时器的PWM功能实现,本实施例中产生的PWM信号频率为40kHz。单片机的PAO端口作为单片机电路⑶的FEEDBACK端口用来接收高压升压电路(I)FEEDBACK端的反馈电压。单片机的PA2和PA3端口用于向脉冲激励电路⑵发送脉冲控制信号。
[0028] 所述脉冲激励电路⑵如图4所示,由MOS管驱动电路、延时电路、推挽电路和隔离电路组成。MOS管驱动电路是由MOS管驱动芯片IR2110及其外围R12、D8、C6和C7构成的典型悬浮自举升压电路(具体详见IR2110芯片手册)构成,IR2110包含14个引脚,其中VDD(引脚9):逻辑电路电源电压、VSS(引脚13):逻辑电路接地端、HIN(引脚10):逻辑高端输入、LIN(引脚12):逻辑低端输入、LO(引脚I):低端输出、H0(引脚7):高端输出、VS(引脚5):高端浮置电源公共端、VB(引脚6):高端浮置电源电压、COM(引脚2):低端电源公共端、VCC(引脚3):低端电源电压,IR2110的LIN端连接单片机的PA2 口,HIN端连接单片机的PA3 口,C6连接在IR2110的VB和VS之间做为自举电容,其为HO输出提供能量,C6接VB的一端连接D8的负极,D8的正极通过电阻R12连接+15V电源,用于为C6进行充电,C7连接在IR2110的VCC和COM端,用于为LO输出提供能量,C7接VCC的一端通过电阻R12连接+15V,用来为C7进行充电;延时电路由电阻和二极管并联组成;推挽电路由MOS管Ql和Q2连接组成,Ql的源极和Q2漏极相连,Q2的源极接地,R7和D5并联在Ql的G极和S极之间,且D5正极接Ql的S极,用于钳位Ql的G极和S极之间的电压,R8和D4并联在Q2的G极和S极之间,且D4正极接Q2的S极,用于钳位Q2的G极和S极之间的电压,D2和R5并联在Ql的D极和S极之间用于钳位Ql关断时产生的浪涌电压,D2正极连接Ql的S极,D3和R6并联在Q2的D极和S极之间用于钳位Q2关断时产生的浪涌电压,D3正极连接Q2的S极;隔离电路由C5、D6、D7、R9组成,电容C5、二极管D6以及电阻R9串联,二极管D7与D6并联,且D7与D6极性相反,电阻R9 —端接地。MOS管驱动电路中IR2110的HO端通过由RlO和D19并联组成的延时电路连接到MOS管Ql的G极,且D19正极接MOS管Ql的G极;IR2110的LO端通过由Rll和D18并联组成的延时电路连接到MOS管Q2的G极,且D18正极接MOS管Q2的G极;IR2110的VS端与推挽电路中Ql的S极相连作为高端浮置电源公共端;推挽电路中Ql的漏极经限流电阻与高压升压电路⑴的HIGE-V0LTAGE输出端相连;推挽电路的输出与隔离电路中的电容C5相连;隔离电路中电阻R9上的电压作为超声换能器(4)的输入电压。电路原理为:工作时,当LIN输入为高,HIN为低时,IR2110的HO端在芯片内部连接到VS端,LO端在芯片内部连接到VCC端,此时Ql截止,Q2导通。当 HIN输入为高,LIN输入为低时,IR2110的HO端在芯片内部连接到VB端,LO端在芯片内部连接到COM端,此时Ql导通,Q2截止。延时电路用来防止高低端MOS管同时导通,当HO输出由高转为低,同时LO输出由低转为高时,MOS管Ql栅极电压通过二极管D19放电,LO通过Rll向Q2栅极充电,由于二极管导通电阻小,电荷释放快,所以Ql先截止后Q2才导通,同理当HO输出由低转为高,同时LO输出由高转为低时,HO通过电阻RlO向Ql的栅极充电,Q2栅极通过二极管D18放电,由于二极管导通电阻小,电荷释放快,所以Q2先截止后Ql才导通,避免了 Ql和Q2同时导通。MOS管Ql和Q2采用IRF840型号,耐压可达500V,导通延时和关断延时典型值为15ns和40ns,所以本实施例中激发脉冲频率可达2MHz。隔离电路的C5用于隔直,D6和D7能够阻止低压干扰信号输出到超声换能器(4),避免超声激励电路对后续超声波采集电路的影响。
[0029] 所述高压升压电路(I)如图5所示,采用反激式开关升压原理,由MOS管Q3、高频变压器Tl、储能电容C3、DCR尖峰吸收电路、低通滤波电路和电压反馈电路组成。DCR尖峰吸收电路由二极管、电阻和电容组成,电阻与电容并联后与二极管串联;低通滤波电路由一个η型低通滤波电路并联一个一阶阻容低通滤波电路构成,所述的η型低通滤波电路由两个电容和一个电阻构成;电压反馈电路由分压电阻和电容组成,电容与电阻并联后一端接地,另一端串联电阻,分压比为百分之一,为方便调节,分压电阻可以设置3个或以上;单片机PAl 口输出的PWM信号通过R14和R13分压后连接到MOS管Q3的G极,控制Q3的导通与截止,接收单片机PWM信号的端口即为高压升压电路(I)的PWM-IN端口,MOS管Q3采用IRF840型号,Q3的D极连接高频变压器Tl的初级绕组的2脚,Q3的S极接地;高频变压器Tl的初级绕组的I脚通过电感LI连接电源+15V ;由D20、C12和R21组成的DCR尖峰吸收电路并联在变压器Tl的初级绕组两端,二极管D20的正极接变压器Tl初级绕组的2脚,用于吸收MOS管Q3关断瞬间变压器Tl初级绕组产生的高压尖峰;D9并联在Q3的D极和S极之间用于吸收Q3关断时产生的浪涌高压,D9正极接Q3的S极;变压器Tl的次级绕组3、4脚之间串联二极管Dl和储能电容C3,二极管Dl正极接次级绕组的3脚,次级绕组4脚接地;由Cl、Rl、C4、R4和C2组成的低通滤波电路并联在C3两端对输出电压进行滤波;R2、R3、R15和Cll组成电压反馈电路并联在C3两端用以反馈输出电压。电路原理为:当单片机PAl 口输出的PWM信号为高时,MOS管Q3导通,电源+15V通过电感LI向变压器Tl的初级绕组充电,Tl的次级绕组感应出的电压使二极管Dl处于反偏,电源能量以磁能形式储存到变压器中,导通时间越长储存的能量越多;当单片机PAl 口输出的PWM信号为低时,MOS管Q3截止,Tl的初级绕组感应电压极性反向,次级绕组上的电压极性颠倒,二极管Dl正偏,储存在变压器中的磁能通过二极管Dl向储能电容C3充电,次级绕组比初级绕组匝数比越大,变压输出电压越高;储能电容C3两端的电压经过低通滤波电路滤波后,向脉冲激励电路⑵提供高压直流电源,供电端口命名为HIGE-V0LTAGE端;R2、R3、R15和Cll组成的电压反馈电路采用电阻分压方式将高压信号降至O到3V,本实施例中为了便于调节,共采用了 3个电阻,通过FEEDBACK端送给单片机的AD输入端口 ΡΑ0,实现输出电压的闭环控制。本实施例中高压升压电路(I)的输出电压调整范围为50V到300V。
[0030] 所述超声换能器(4)采用超声压电换能器。
[0031] 所述按键电路由四个按键组成:上选择键、下选择键、确认键和取消键。
[0032] 所述液晶显示屏为128*64分辨率的点阵液晶显示屏。
[0033] 本实施例中,按键用来设置激励电压、激励脉冲周期数、激励频率和激励间隔周期 四个参数,液晶显示屏显示设置的上述参数,单片机一方面根据高压升压电路(l)FEEDBACK端的反馈电压与设置的激励电压进行比较,经过PID运算后输出特定占空比的PWM信号到高压升压电路(I)实现输出电压的控制。另一方面根据设置的激励脉冲周期数、激励频率和激励间隔周期三个参数输出连续脉冲到脉冲激励电路(2),控制其激励超声换能器(4)产生高能量超声波。高压升压电路(I)为脉冲激励电路(2)提供高压电源,高压电源的电压决定了脉冲激励电路⑵激励超声换能器⑷的脉冲的电压,电压越高激励的超声波能量越大。如图6所示为脉冲激励电路⑵实际输出波形(10倍衰减探头输入),激励电压幅值为300V,激励频率为50KHz,激励脉冲周期数为10。

Claims (8)

1. 一种便携式高压多脉冲超声波发射装置,包括高压升压电路(I)、脉冲激励电路(2)、单片机电路(3)和超声换能器(4),其特征在于:单片机电路(3)连接高压升压电路(1),控制高压升压电路(I)的输出电压,高压升压电路(I)的输出电压再反馈给单片机电路(3)实现输出电压的闭环控制;单片机电路(3)与脉冲激励电路(2)连接,控制脉冲激励电路(2)产生高压脉冲;高压升压电路(I)连接脉冲激励电路(2),为脉冲激励电路(2)提供高压电源;脉冲激励电路(2)与超声换能器(4)连接,激励超声换能器(4)产生超声波。
2.根据权利要求I所述的便携式高压多脉冲超声波发射装置,其特征在于:单片机电路包括单片机STM32F103C8T6,以及典型复位电路、典型晶振电路和典型JTAG仿真接口电路;单片机STM32F103C8T6的PAl端口输出PWM信号到高压升压电路(I)的PWM-IN端口,PWM信号的产生由单片机STM32F103C8T6采用I1MER2定时器的PWM功能实现,单片机的PAO端口作为单片机电路的FEEDBACK端口用来接收高压升压电路(I)的反馈电压;单片机的PA2和PA3端口用于向脉冲激励电路⑵发送脉冲控制信号。
3.根据权利要求I所述的便携式高压多脉冲超声波发射装置,其特征在于:高压升压电路⑴由MOS管、高频变压器、储能电容、DCR尖峰吸收电路、低通滤波电路和电压反馈电路组成;单片机PAl 口连接MOS管的G极,控制MOS管的导通与截止,MOS管S极接地;高频变压器初级绕组连接在MOS管D极和电源之间,DCR尖峰吸收电路并接在高频变压器初级绕组两端用于吸收MOS管关断瞬间初级绕组产生的高压尖脉冲,高频变压器的次级绕组一端接地,一端通过二极管连接储能电容,当MOS管导通时,电源向变压器初级绕组充入能量,当MOS管截止时,高频变压器次级绕组通过二极管向储能电容放电实现升压;储能电容通过并接低通滤波电路滤波后输出稳定的高压直流信号;电压反馈电路并接在储能电容两端,输出反馈电压到单片机的PAO 口 ;电压反馈电路由分压电阻和电容组成,电容与电阻并联后一端接地,另一端串联电阻,然后并联在储能电容两端。
4.根据权利要求3所述的便携式高压多脉冲超声波发射装置,其特征在于:所述的低通滤波电路由一个η型低通滤波电路并联一个一阶阻容低通滤波电路构成,所述的η型低通滤波电路由两个电容和一个电阻构成。
5.根据权利要求I所述的便携式高压多脉冲超声波发射装置,其特征在于:脉冲激励电路⑵由MOS管驱动电路、延时电路、推挽电路和隔离电路组成;M0S管驱动电路是由MOS管驱动芯片IR2110及其外围器件构成的典型悬浮自举升压电路组成,MOS管驱动芯片的输入端HIN和LIN分别连接单片机的PA3 口和PA2 口,MOS管驱动芯片的高端输出端(HO)通过延时电路连接推挽电路的高端MOS管的G极,控制高端MOS管的导通与截止,低端输出端(LO)通过延时电路连接推挽电路的低端MOS管的G极,控制低端MOS管的导通与截止,推挽电路中高端MOS管的漏极经限流电阻与高压升压电路的输出端相连;推挽电路的输出通过隔离电路连接超声换能器(4),推挽电路输出高频高压方波脉冲信号,激励超声换能器(4)产生超声波。
6.根据权利要求5所述的便携式高压多脉冲超声波发射装置,其特征在于:所述的延时电路由电阻和二极管并联组成,二极管正极接MOS管的G极。
7.根据权利要求5所述的便携式高压多脉冲超声波发射装置,其特征在于:所述的推挽电路由高端MOS管和低端MOS管连接组成,高端MOS管的源极和低端MOS管的漏极相连,低端MOS管的源极接地。
8.根据权利要求5所述的便携式高压多脉冲超声波发射装置,其特征在于:所述的隔离电路由电阻、电容和二极管组成,两个二极管极性相反并联后一端通过电容与推挽电路的输出相连,另一端经电阻接地。
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