CN105973997A - 一种超声波收发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波收发器，包括：超声发射装置，包括高效升压电路和脉冲发生电路，所述高效升压电路将输入低电压进行第一级升压并实现电压可调输出，所述脉冲发生电路输出高压脉冲，激励超声波换能器输出超声波信号；超声接收装置，包括多级可编程放大电路，所述多级可编程放大电路包括三级信号放大电路和两级滤波电路，通过信号放大电路实现对微弱电信号的采集，并通过滤波电路实现对通频带以外的频率分量衰减到极低水平。本发明具有可靠性高、效率高、能够大大降低噪声等优点。

Description

一种超声波收发器

技术领域

本发明主要涉及到工程质量无损检测设备领域，特指一种用超声波透射来进行工程健康检测的设备。

背景技术

超声波无损检测技术是国内外应用广泛、使用频率高且发展较快的一种无损检测技术。通过超声波与被测件的相互作用，就反射和折射的声波进行研究，对被测件进行宏观缺陷检测、组织结构和力学性能变化的检测和表征，进而对其特定应用性进行评价的技术。

超声波无损检测技术具有技术简单、被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、设备体积小及便于现场使用等优点，是国内外应用最广泛且发展较快的一种基桩质量检测技术。

现有的超声波检测仪器多数采用工控机加上超声收发装置的架构，这种架构虽然开发难度低，能快速实现超声检测原理，但由于工控机并不是为超声检测专门设计，存在着功耗高、效率低、噪声大的不足，具体表现为：发射装置输出的声波发射脉冲并非较完美的矩形脉冲，而是输出电压一次阶跃后缓慢下降（放电）的信号，对超声波的激发效率低，原则上激发脉宽为探头特征频率对应周期的1/2时，能量利用率最高；接收装置对于接收探头感应并转化的微弱信号处理性能欠缺，对微弱信号（几μV）进行放大处理时也将引入的噪声进行放大，无法满足超大增益调节范围（1倍～10000倍）与超低输入噪声共存的现实需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可靠性高、效率高、能够大大降低噪声的超声波收发器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种超声波收发器，包括：

超声发射装置，包括高效升压电路和脉冲发生电路，所述高效升压电路将输入低电压进行第一级升压并实现电压可调输出，所述脉冲发生电路输出高压脉冲，激励超声波换能器输出超声波信号；

超声接收装置，包括多级可编程放大电路，所述多级可编程放大电路包括三级信号放大电路和两级滤波电路，通过信号放大电路实现对微弱电信号的采集，并通过滤波电路实现对通频带以外的频率分量衰减到极低水平。

作为本发明的进一步改进：所述超声发射装置还包括硬件保护电路，所述硬件保护电路包括PWM保护电路和光耦合器，用来完成信号的电-光-电转换。

作为本发明的进一步改进：所述超声发射装置还包括能量回收电路，所述能量回收电路通过控制信号在发射器发射高压脉冲完毕进行能量回收，将输出高压降至安全电压。

作为本发明的进一步改进：所述超声接收装置中采用多层陶瓷电容。

作为本发明的进一步改进：所述高效升压电路采用电流模式的升压控制器将电池输出的低电压进行提升，并通过程控分压网络输出脉冲发生电路所需各级输入电压。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的超声波收发器，能够同时兼顾降低功耗和提高效率两个方面的要求，具备超大的增益调节范围、极低的噪声，实现对微弱电信号的采集，适用于不同规格构件的无损检测。

2、本发明的超声波收发器，采用嵌入式芯片代替工控机的架构，小巧轻便，续航时间超过40小时，满足测试人员野外长时间连续测试的任务要求。

3、本发明的超声波收发器，采用多重保护措施，通过控制信号在发射器发射高压脉冲完毕进行能量回收，将输出高压降至安全电压，进一步提高系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构示意图。

图2是本发明在具体实施例中高效升压电路原理示意图。

图3是本发明在具体实施例中脉冲发生电路原理示意图。

图4是本发明在具体实施例中硬件保护电路原理示意图。

图5是本发明在具体实施例中能量回收电路原理示意图。

图6是本发明在具体实施例中多级可编程放大电路原理示意图。

图7是本发明在具体实施例中多重抗干扰及降噪措施原理示意图。

图例说明：

1、高效升压电路；2、脉冲发生电路；3、硬件保护电路；4、能量回收电路；5、多级可编程放大电路。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的超声波收发器，包括：

超声发射装置，包括高效升压电路1和脉冲发生电路2，高效升压电路1通过设定合适的开关频率、占空比、储能元件，采用电流模式的升压控制器将电池输出的低电压进行提升，并通过程控分压网络精确输出脉冲发生电路2所需各级输入电压。脉冲发生电路2用来将高效升压电路1输出的各级电压进行二次升压并生成高压脉冲，用以激励超声换能器输出超声波信号。

超声接收装置，包括多级可编程放大电路5，多级可编程放大电路5包括三级信号放大电路和两级滤波电路，通过精密、超低噪声、零漂移的运算放大器实现对微弱电信号的采集，提高对共模信号的抑制能力，并且通过两级带通滤波电路实现对通频带以外的频率分量衰减到极低水平，信噪比大大提高。

作为优选的实施例，本实例中超声发射装置还包括硬件保护电路3，硬件保护电路3包括PWM保护电路和光耦合器，实现信号的电-光-电转换，从而起到输入输出信号的隔离作用，具备良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

作为优选的实施例，本实例中超声发射装置还包括能量回收电路4，可进一步提高系统的安全性和可靠性，能量回收电路4通过控制信号可在发射器发射高压脉冲完毕进行能量回收，将输出高压降至安全电压，从硬件上进一步保护设备和操作人员安全。

作为优选的实施例，在超声接收装置中，还通过合理的硬件电路设计防止高压电路对低压电路的干扰以及防止外界的电磁辐射干扰，同时降低系统内部其他数字电路对放大电路的干扰等措施。

参见图2，为在具体应用实例中，高效升压电路1的电路原理示意图，主要包括BOOST电路控制器U18、升压电路以及反馈网络。在充电过程中，MOSFET Q3闭合，输入电压流过电感L1，二极管D25防止电容对地放电，电感L1上的电流以一定的比率增加，储存了一定的能量，此时电容电压等于输入电压。当MOSFET Q3断开时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。此时MOSFET Q3已经断开，电流通过新电路给电容充电，电容两端的电压升高，完成升压过程。当电容C87、C89容量足够大，并且整个电路的通断过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入的电压。电阻R145、R146、R148、R150与MOSFET Q4组成了反馈网络，通过控制MOSFET的通断改变接入网络的反馈电阻，进而得到输出可调的稳定电压。

参见图3，为在具体应用实例中，脉冲发生电路2的电路原理示意图，主要包括光耦驱动U2、IGBT Q2以及脉冲变压器T1。光耦合器U2由于输入输出互相隔离，信号传输具有单向性的特点，因而具备良好的电绝缘能力和抗干扰能力，工作稳定，大大提高信噪比。光耦U2驱动IGBT Q2，通过合理设置开关频率，控制脉冲变压器完成二次升压。J3外接超声换能器，输入高压脉冲信号，实现电-声转换，发出超声波信号。

参见图4，为在具体应用实例中，硬件保护电路3的电路原理示意图，主要包括控制信号和触发电路。控制信号常态为高电平，下降沿有效，通过合理设计的触发电路实现硬件保护功能。即使控制单元因外界干扰或软件故障而失效，也能保证脉冲发生电路不会因此而输出高压，从而保障系统以及人员的安全。

参见图5，为在具体应用实例中，能量回收电路4的电路原理示意图；实际操作中设置参数或完成测试时，都需要迅速降低输出电压。如果没有能量回收电路4，不仅需要待电容缓慢放电，时间较长、效率低下，而且也不利于设备和操作人员的安全。本实施例中设计的能量回收电路，通过多重控制可以实现当操作人员进行降压或关机时，迅速将电压降低至安全低压，提高效率，保障安全。

参见图6，为在具体应用实例中，多级可编程放大电路5的电路原理示意图；主要包括运算放大器ADA4505、模拟开关DG408LDQ和电阻电容。本电路为三级放大，U2为精密、超低噪声、零漂移运算放大器，具有轨到轨的输出摆幅能力，极低的噪声使得它非常适合不容许存在误差源的前级放大部分。U3为模拟切换开关，配合外围电阻可以实现放大倍数的自动调节。U1A和U2A为运放OPA2209AID的两个通道，分别用于第二、三级的信号放大，U4和U5分别作为反馈电路上的切换开关对放大倍数进行调节。微处理器系统的中央控制单元根据采集到的信号的强弱通过I/O口控制U3、U4、U5模拟通道的切换从而实现对放大倍数的切换选择，从而采集到电压幅值合适的信号。

参见图7，为在具体应用实例中，所采用的多重抗干扰及降噪措施的电路原理示意图。包括但不限于采用多层陶瓷电容减小噪声对IC的干扰，PCB板强弱信号分区、数字模拟信号合理布局，采用多级LDO线性稳压器降低电源纹波等。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种超声波收发器，其特征在于，包括：

超声发射装置，包括高效升压电路（1）和脉冲发生电路（2），所述高效升压电路（1）将输入低电压进行第一级升压并实现电压可调输出，所述脉冲发生电路（2）输出高压脉冲，激励超声波换能器输出超声波信号；

超声接收装置，包括多级可编程放大电路（5），所述多级可编程放大电路（5）包括三级信号放大电路和两级滤波电路，通过信号放大电路实现对微弱电信号的采集，并通过滤波电路实现对通频带以外的频率分量衰减到极低水平。

2.根据权利要求1所述的超声波收发器，其特征在于，所述超声发射装置还包括硬件保护电路（3），所述硬件保护电路（3）包括PWM保护电路和光耦合器，用来完成信号的电-光-电转换。

3.根据权利要求1所述的超声波收发器，其特征在于，所述超声发射装置还包括能量回收电路（4），所述能量回收电路（4）通过控制信号在发射器发射高压脉冲完毕进行能量回收，将输出高压降至安全电压。

4.根据权利要求1或2或3所述的超声波收发器，其特征在于，所述超声接收装置中采用多层陶瓷电容。

5.根据权利要求1或2或3所述的超声波收发器，其特征在于，所述高效升压电路（1）采用电流模式的升压控制器将电池输出的低电压进行提升，并通过程控分压网络输出脉冲发生电路所需各级输入电压。