CN104501751A - 一种双通道高频超声探头用发射接收电路 - Google Patents

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景敏卿
李猛
刘恒
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G01B17/02—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring thickness

Abstract

本发明公开了一种双通道高频超声探头用发射接收电路，用于超声高精密无损检测，包括功能及时序控制电路、高压脉冲驱动电路及超声回波接收放大电路；通过控制电路和高压脉冲驱动电路可驱动中心频率为20至60MHz的超声探头，并且超声脉冲重复频率可调节范围为0-100KHz。超声探头触发方式也包括外触发、内触发以及上位机编程触发等多种方式。通过超声回波电路可实现对超声探头回波的隔离、滤波和放大，放大倍数可调(-4.5dB至55.5dB)。采用本发明设计的超声发射接收电路，结合高频超声探头，可实现实际工况下的界面接触状态和润滑状态的高精密高速无损测量，为后续性能、寿命评估以及理论研究提供基础。

Description

一种双通道高频超声探头用发射接收电路
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，主要用于界面间弹膜厚度检测，涉及一种高频聚焦超声探头(20-60MHz)激励用超声发射及回波接收电路，具体涉及一种用于超声高精密无损检测的双通道高频超声探头(脉冲宽度可调、重复频率可调)用发射接收电路。
背景技术
具有相对运动界面间的润滑状态的好坏很大程度上决定了机器的运行性能好坏及使用寿命的长短。通过检测界面间弹性润滑膜的厚度大小，可以直接反应出界面的实际润滑状态。利用超声的无损测量特性可以方便的测量实际工况下的弹膜厚度。
超声测量膜厚方法主要包括脉冲反射法、共振法及等效刚度法。其中，等效刚度法利用超声在界面处的回波反射率计算膜厚，主要用于10微米以下的润滑膜厚检测。超声频率越高，可测膜厚越小，如50MHz超声频率可测量0.02-1.3um的弹膜厚度。同时，超声探头频率越高，探头的聚焦直径越小，测量结果的空间分辨率及准确性越高。
另外，对于高速运转部件来说，尤其是滚动轴承中滚子与滚道的实际接触区域极小，要在探头经过接触区域的时间内得到足够多的有效测量点，需要极高的超声脉冲重复频率。因此，要测量这种高速下的极小区域内的极薄弹流润滑膜厚度，需要采用高频超声进行高重复频率测量。因此需要高频超声探头及相应的超声发射驱动及回波接收系统。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种双通道高频超声探头用发射接收电路，从而实现界面刚度或弹膜厚度检测。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种双通道高频超声探头用发射接收电路，包括功能及时序控制电路、高压脉冲驱动电路及超声回波接收放大电路；其中，
所述功能及时序控制电路产生驱动电路所需的时序控制信号，并通过串口与上位机进行通讯，控制脉冲宽度、重复频率和触发方式，实现参数的在线智能调整；
所述时序控制信号作用于所述高压脉冲驱动电路产生高压高频脉冲，所述高压高频脉冲用于驱动高频超声探头；
所述超声回波接收放大电路用于隔离、接收、滤波和放大超声回波信号。
本发明进一步的改进在于，所述功能及时序控制电路通过参数控制超声脉宽、重复频率和触发方式。
本发明进一步的改进在于，所述功能及时序控制电路通过四路时序信号控制高压脉冲驱动电路，其中两路产生波形，两路抑制信号振荡。
本发明进一步的改进在于，所述高压脉冲驱动电路由电平位移电路和MOSFET电路组成，通过驱动信号控制MOSFET电路的开通、关断，对正负高压直流电源进行斩波，从而输出高压高频脉冲信号。
本发明进一步的改进在于，所述电平位移电路使用芯片为EL7158。
本发明进一步的改进在于，所述MOSFET电路使用芯片为TC6320。
本发明进一步的改进在于，所述超声回波接收放大电路包括回波接收电路和回波信号放大电路，通过四个高速二极管桥路进行隔离、检波和限幅，然后对回波信号进行滤波放大。
本发明进一步的改进在于，所述回波信号放大电路使用芯片为AD8331。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过控制电路和高压脉冲驱动电路可驱动中心频率为20至60MHz的超声探头，并且超声脉冲重复频率可调节范围为0-100KHz。超声探头触发方式也包括外触发、内触发以及上位机编程触发等多种方式。通过超声回波电路可实现对超声探头回波的隔离、滤波和放大，放大倍数可调(-4.5dB至55.5dB)。
使用本发明的超声发射接收电路，可对20MHz至50MHz的高频超声探头进行驱动控制并接收放大回波信号，进而可用于界面间接触刚度及弹性润滑膜厚度的无损高速测量，特别是滚动轴承1um以下润滑膜的测量。
附图说明
图1高频超声发射接收电路系统框图；
图2单通道超声激励四路控制信号波形图；
图3单通道高压超声驱动电路示意图，
图4单通道超声接收放大电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明一种双通道高频超声探头用发射接收电路，包括功能及时序控制电路、高压脉冲驱动电路及超声回波接收放大电路三部分。
电路系统的整体框图见图1所示。其中，功能及时序控制电路主要由FPGA和ARM芯片构成。时钟信号由150MHz有源晶振提供。FPGA通过硬件编程产生驱动电路所需的时序控制信号，每个超声探头四路控制信号。所述控制信号如图2所示。控制信号为连续的单脉冲，脉冲宽度和脉冲重复频率均可按照指定参数进行调节。ARM芯片负责控制脉冲宽度、重复频率和触发方式等功能，并通过串口与上位机进行通讯，进而通过各种参数控制脉冲宽度、重复频率和触发方式等功能，从而实现参数的在线智能调整。脉冲宽度最小可达到8ns，宽度越小，激励超声脉冲频率越高。重复频率可在0-100KHz范围内任意调整。触发方式包括外触发、内触发以及上位机编程触发等多种方式。外触发方式可通过外接数字信号，提供脉冲发射所需的重复频率控制信号。内触发和上位机编程触发均为参数触发方式，通过控制FPGA相应寄存器控制系统触发相关参数。
高压驱动电路主要实现激励超声探头所需的高压高频脉冲信号。驱动电路主要由电平位移电路和MOSFET电路组成，整体框架如图3所示。电平位移电路主要由芯片EL7158构成，将控制信号电平由3.3V提升为12V，从而提高信号的驱动能力。MOSFET电路主要由芯片TC6320构成，每两个芯片构成一路超声探头驱动信号。其中一个芯片负责产生正负高压脉冲信号；另一个负责抑制信号振荡，提高信号质量。每个芯片中包含两个增强型MOSFET管，通过驱动信号控制MOSFET的开通、关断，可对正负高压直流电源进行斩波，从而输出脉冲电压信号。正负高压直流电源电压通过电位器进行电压调节控制，电压范围为0至正负200V。EL7158在电容负载2000pF时的时钟速度可达到40MHz。实际上，TC6320输入电容小于200pF，远低于2000pF。因此，本电路理论上可产生中心频率高于100MHz的输出脉冲。实际设计中，每两个TC6320芯片构成一路超声探头驱动信号。其中一个芯片负责产生正负高压脉冲信号；另一个负责抑制信号振荡，提高信号质量。
本发明所用的超声探头发射超声波的同时也接收超声回波。因此，回波信号与超声激励共用同一端口，但回波信号幅值远小于超声激励信号幅值。回波接收放大电路主要包括回波接收电路和回波信号放大电路，如图4所示。回波接收电路采用四个高速二极管桥路进行隔离、检波和限幅，然后对回波信号进行滤波后输入放大回路。回波信号放大电路采用AD8331芯片对超声信号进行放大处理，放大倍数可调(-4.5dB至55.5dB)，3dB带宽达120MHz。
以上内容中的驱动电路是发明人在实际实施中探索的结果，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种双通道高频超声探头用发射接收电路，其特征在于，包括功能及时序控制电路、高压脉冲驱动电路及超声回波接收放大电路；其中，
所述功能及时序控制电路产生驱动电路所需的时序控制信号，并通过串口与上位机进行通讯，控制脉冲宽度、重复频率和触发方式，实现参数的在线智能调整；
所述时序控制信号作用于所述高压脉冲驱动电路产生高压高频脉冲，所述高压高频脉冲用于驱动高频超声探头；
所述超声回波接收放大电路用于隔离、接收、滤波和放大超声回波信号。
2.如权利要求1所述一种双通道高频超声探头用发射接收电路，其特征在于，所述功能及时序控制电路通过参数控制超声脉宽、重复频率和触发方式。
3.如权利要求1所述一种双通道高频超声探头用发射接收电路，其特征在于，所述功能及时序控制电路通过四路时序信号控制高压脉冲驱动电路，其中两路产生波形，两路抑制信号振荡。
4.如权利要求1所述一种双通道高频超声探头用发射接收电路，其特征在于，所述高压脉冲驱动电路由电平位移电路和MOSFET电路组成，通过驱动信号控制MOSFET电路的开通、关断，对正负高压直流电源进行斩波，从而输出高压高频脉冲信号。
5.如权利要求4所述一种双通道高频超声探头用发射接收电路，其特征在于，所述电平位移电路使用芯片为EL7158。
6.如权利要求4所述一种双通道高频超声探头用发射接收电路，其特征在于，所述MOSFET电路使用芯片为TC6320。
7.如权利要求1所述一种双通道高频超声探头用发射接收电路，其特征在于，所述超声回波接收放大电路包括回波接收电路和回波信号放大电路，通过四个高速二极管桥路进行隔离、检波和限幅，然后对回波信号进行滤波放大。
8.如权利要求7所述一种双通道高频超声探头用发射接收电路，其特征在于，所述回波信号放大电路使用芯片为AD8331。
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