CN103633951A

CN103633951A - 功率放大电路及应用功率放大电路的超声波测厚装置

Info

Publication number: CN103633951A
Application number: CN201310662020.0A
Authority: CN
Inventors: 梁巍; 倪文军; 姜云轩; 陈亮
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开了一种功率放大电路，包括输入变压器（9）、静态工作点设定电路（11）、两个MOS管（12）、电源电路（13）和输出变压器（15）。本发明还公开了一种应用功率放大电路的超声波测厚装置，包括FPGA（1），FPGA（1）连接功率放大电路（3），功率放大电路（3）连接超声波发射换能器（4）。本发明功率放大电路采用两个MOS管组成AB类功率放大器，能够对任意小功率信号进行线性功率放大。本发明超声波测厚装置结合FPGA和功率放大电路，产生高频率、大功率的激励信号，能够精确测量厚度为0.02-1.00mm的被测工件的厚度，且越薄测量绝对误差越小，解决了目前超声波共振测厚装置的测量厚度受限的问题。

Description

功率放大电路及应用功率放大电路的超声波测厚装置

技术领域

本发明涉及超声波无损检测技术领域，特别涉及一种超声波测厚装置，及应用于该超声波测厚装置中的功率放大电路。

背景技术

超声波共振测厚技术，是指利用超声连续波在被测工件底面形成的全反射波与入射波相互叠加，当被测工件厚度为超声波波长的1/2或其整数倍时，被测工件内会形成驻波，产生共振，进而根据超声波的频率测算出工件厚度。被测工件的厚度与超声波的频率相关，被测工件的厚度越小，需要的超声波的频率越高。目前的超声波测厚装置能够测量的工件厚度有限，对于厚度较小（例如小于1mm）的工件则很难测量其厚度，原因在于超声波激励装置不能产生高频率的激励信号，进而导致超声波换能器不能发出高频率的超声波。FPGA可编程器件可靠性高，易于编程，作为信号发生器可产生高频率的激励信号，应用于超声波测厚装置中，可使得超声波换能器发出高频率的超声波。但是FPGA产生的激励信号功率低，不足以驱动超声波换能器发出超声波，因此需要功率放大电路对FPGA产生的激励信号进行功率放大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的目前的超声波测厚装置无法对厚度较小的工件进行厚度测量的不足，提供一种超声波测厚装置，同时提供一种应用于该超声波测厚装置的功率放大电路。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种功率放大电路，包括输入变压器，所述输入变压器的输出端连接静态工作点设定电路，所述静态工作点设定电路连接两个MOS管，静态工作点设定电路为所述两个MOS管设定静态工作电压，两个MOS管连接电源电路，所述电源电路连接输出变压器的输入端。

根据本发明实施例，所述两个MOS管均为N型MOS管，两个MOS管组成AB类功率放大器。进一步的，所述两个MOS管的放大倍数为20dB。

根据本发明实施例，所述输入变压器的变比为2:1；所述输出变压器的变比为1:2。优选的，所述输入变压器与静态工作点设定电路之间设有滤波电路。进一步优选的，所述电源电路与输出变压器之间设有隔离电路。

上述功率放大电路中，所述输入变压器将待放大的输入信号分为两路信号，两路信号分别通过两个MOS管进行线性功率放大，放大后的两路信号通过输出变压器耦合为一路信号输出。

本发明还提供了一种应用上述功率放大电路的超声波测厚装置，包括包括FPGA，所述FPGA连接上述功率放大电路，所述功率放大电路连接超声波发射换能器，超声波接收换能器连接AD转换电路，所述AD转换电路连接FPGA；被测工件置于超声波发射换能器与超声波接收换能器之间。

优选的，所述超声波发射换能器和超声波接收换能器均为压电式超声波换能器。

上述超声波测厚装置中，FPGA产生激励信号，激励信号经过功率放大电路进行功率线性放大后输出至超声波发射换能器，驱动超声波发射换能器发射超声波，超声波在被测工件内共振后，超声波接收换能器在被测工件的另一侧接收特征信号，并输出至AD转换电路，AD转换电路将该特征信号转换为数字信号，然后输出至FPGA，FPGA根据产生共振时的超声波频率测算出被测工件的厚度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明超声波测厚装置，采用FPGA作为信号发生器产生高频率的激励信号，同时采用功率放大电路对FPGA产生的小功率激励信号进行功率放大，以驱动超声波发射换能器发射出高频率（28MHz）的超声波，使得超声波测厚装置能够精确测量厚度为0.02-1.00mm的被测工件的厚度，且越薄测量绝对误差越小，解决了目前超声波测厚装置的测量厚度受限的问题。此外，FPGA集成度高，采用FPGA作为信号发生器能够减小超声波测厚装置的结构尺寸。

本发明提供的功率放大电路，采用两个MOS管组成AB类功率放大器，输入变压器将待放大的输入信号分为两路信号，分别通过两个MOS管进行线性功率放大，放大后的两路信号又通过输出变压器耦合为一路信号输出。本发明功率放大电路能够对任意小功率信号进行放大。本发明功率放大电路与FPGA结合组成超声波激励信号发生装置，可产生高频率、大功率的激励信号，使得超声波换能器发射出高频率的超声波。

附图说明：

图1为实施例中功率放大电路示意图。

图2为实施例中超声波测厚装置结构示意图。

图3为实施例中测量0.02mm厚度薄片的共振检测结果。

图中标记：1-FPGA，2-激励信号，3-功率放大电路，4-超声波发射换能器，5-被测工件，6-超声波接收换能器，7-AD转换电路，8-数字信号，9-输入变压器，10-滤波电感，11-静态工作点设定电路,12-MOS管，13-电源电路，14-隔离电容，15-输出变压器。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明提供的功率放大电路包括输入变压器9，静态工作点设定电路11，两个MOS管12，电源电路13和输出变压器15。通过静态工作点设定电路11设定合适的静态工作点使得MOS管正常工作，电源电路13为MOS管提供工作电源。输入变压器9的变比设置为2:1，输入变压器9将不对称的阻抗转换成对称的阻抗。输入信号经过变压器9后分为两路信号分别输入至两个MOS管12的基极，两路信号经过高频率的MOS管放大后又通过输出变压器15耦合成一路信号输出。

参考图1，本实施例列举的功率放大电路中，输入变压器9与静态工作点设定电路11之间设有两个滤波电感10组成的滤波电路，滤除干扰信号。为了取得更好的波形，进一步滤除高频低频干扰，可以在输入变压器9上并联及串联滤波电容。变压器的应用场合与铁芯材料有关，锰锌铁氧体可用于频率低于5MHz的场合，镍锌铁氧体具有较高的电阻率，可用于频率为2MHz到数百兆赫兹的场合，对于应用于产生高频率激励信号的超声波测厚装置，输入变压器9的铁芯采用镍锌铁氧体。两个MOS管均采用N型MOS管，组成AB类功率放大器，两个MOS管分别对两路信号线性放大。电源电路13与输出变压器15之间设有两个隔离电容14组成的隔离电路，功率放大电路应用于超声波测厚装置中，隔离电容14具有隔离FPGA的小电压（3.3V）与电源电路处的大电压（50V）的作用，同时隔离电容14还具有滤波作用。输出变压器15将两路信号耦合为一路放大后的信号输出，输出变压器15的变比为1:2。

参考图2，本实施例列举的超声波测厚装置，包括FPGA1，功率放大电路3，超声波发射换能器4，超声波接收换能器6，AD转换电路7，超声波发射换能器4和超声波接收换能器6均为压电式超声波换能器。功率放大电路为图1所示的功率放大电路，两个MOS管的放大倍数均为20dB，电源电路13为50V，为两个MOS管提供工作电压，同时为FPGA和AD转换电路7提供电源。

本实施例中，FPGA1作为信号发生器，用于产生任意波形的高频率激励信号2，例如1.6-28MHz的正弦波，激励信号2经过功率放大电路进行功率放大，放大后的激励信号输出至超声波发射换能器，驱动超声波发射换能器发射出超声波。被测工件5置于超声波发射换能器4和超声波接收换能器6之间，超声波发射换能器4和超声波接收换能器6与被测工件5紧密接触。AD转换电路7与超声波接收换能器6连接，用于将声波接收换能器6接收到的模拟信号转换为易于处理的数字信号8。AD转换电路7与FPGA1连接，AD转换电路7将转换后的数字信号8传输至与FPGA1。超声波发射换能器4发射出的超声波在被测工件5内共振后，超声波接收换能器6会在被测工件5的另一侧接收到特征信号，FPGA根据转换后的数字信号8判断共振状态时的超声波频率，并根据共振状态时的超声波频率测算出被测工件5的厚度。经过测试，本发明超声波测厚装置能够精确测量厚度为0.02-1.00mm的被测工件的厚度，且越薄测量绝对误差越小。图3为测量0.02mm厚度薄片的共振检测结果，共振频率计算结果为11.900MHz，由此计算所得的厚度为0.0203mm。根据共振状态时的超声波频率测算被测工件的厚度属于现有技术，此处不作细述其具体测算公式及过程。如下表所示，给出了其他薄片厚度的测量结果。

厚度	共振中心频率	实测厚度（mm）
			0.9mm	6.727MHz	0.8847
0.8mm	7.493MHz	0.7943
			0.7mm	8.513MHz	0.6992
0.6mm	9.893MHz	0.6016
			0.2mm	14.264MHz	0.2069
0.1mm	11.841MHz	0.1005
			0.05mm	11.502MHz	0.0496
0.04mm	11.613MHz	0.0427
			0.02mm	11.900MHz	0.0203

FPGA1也可设置外接端口，使得超声波测厚装置可以与PC机连接，经过转换后的数字信号也可以输送至PC机，通过PC机根据产生共振时的超声波频率测算出被测工件5的厚度。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims

1.一种功率放大电路，其特征在于，包括输入变压器（9），所述输入变压器（9）的输出端连接静态工作点设定电路（11），所述静态工作点设定电路（11）连接两个MOS管（12），静态工作点设定电路（11）为所述两个MOS管（12）设定静态工作电压，两个MOS管（12）连接电源电路（13），所述电源电路（13）连接输出变压器（15）的输入端。

2.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述两个MOS管（12）均为N型MOS管，两个MOS管（12）组成AB类功率放大器。

3.根据权利要求2所述的功率放大电路，其特征在于，所述两个MOS管（12）的放大倍数为20dB。

4.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述输入变压器（9）的变比为2:1；所述输出变压器（15）的变比为1:2。

5.根据权利要求1至4之一所述的功率放大电路，其特征在于，所述输入变压器（9）与静态工作点设定电路（11）之间设有滤波电路。

6.根据权利要求5所述的功率放大电路，其特征在于，所述电源电路（13）与输出变压器（15）之间设有隔离电路。

7.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述输入变压器（9）将待放大的输入信号分为两路信号，两路信号分别通过两个MOS管（12）进行线性功率放大，放大后的两路信号通过输出变压器（15）耦合为一路信号输出。

8.应用权利要求1所述功率放大电路的超声波测厚装置，其特征在于，包括包括FPGA（1），所述FPGA（1）连接权利要求1所述功率放大电路（3），所述功率放大电路（3）连接超声波发射换能器（4），超声波接收换能器（6）连接AD转换电路（7），所述AD转换电路（7）连接FPGA（1）；被测工件（5）置于超声波发射换能器（4）与超声波接收换能器（6）之间。

9.根据权利要求8所述的超声波测厚装置，其特征在于，所述超声波发射换能器（4）和超声波接收换能器（6）均为压电式超声波换能器。

10.根据权利要求8所述的超声波测厚装置，其特征在于，FPGA（1）产生激励信号（2），激励信号（2）经过功率放大电路（3）进行功率线性放大后输出至超声波发射换能器（4），驱动超声波发射换能器（4）发射超声波，超声波在被测工件（5）内共振后，超声波接收换能器（6）在被测工件（5）的另一侧接收特征信号，并输出至AD转换电路（7），AD转换电路（7）将该特征信号转换为数字信号（8），然后输出至FPGA（1），FPGA（1）根据产生共振时的超声波频率测算出被测工件（5）的厚度。