CN107733276B - 一种超声波探伤的激励脉冲电路 - Google Patents

一种超声波探伤的激励脉冲电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于超声探伤的超声波激励脉冲电路，采用双高速输出功率开关IRF840管，通过非门时序控制激励脉冲宽度时间，能很好地产生激励脉冲的上升和下降沿触发MOSFET场效应管，获得精准的超声波合成信息。激励方波的宽度的调节可以使两次振动进行叠加或减弱，当脉冲宽度设置为探头频率周期的一半时,通过信号叠加，此时回波灵敏度最大；而脉冲宽度设置为探头频率周期的一个周期时，两个信号反相，叠加可以产生很小的振幅信号，此时分辨率最高。本发明采用高压供电，利用激发出两倍于充电电压的尖波脉冲发生器所能激发的信号电压，储能电容瞬时放电谐振产生的高功率脉冲激励超声换能器发射超声波。

Description

一种超声波探伤的激励脉冲电路
技术领域
本发明提供一种用于超声探伤的超声波激励脉冲电路。
背景技术
超声发射电路的主要功能是用来产生各种的超声波信号，超声波检测领域，其发射电路是仪器的关键部件。随着当代电子技术的快速发展，对超声波仪器的性能和精度要求不断提高，且对高集成度、高灵敏度、低功耗、模块化的发展提出了更高要求。目前超声波发射电路功能方法众多，其供电直流电压一般较高，大多在几百伏左右的超声负脉冲激发电信号，不仅可以提高检测灵敏度，增加检测有效范围，还能提高检测信号的抗干扰能力，同时可以使得发射电路的体积更小，成本降低。
超声波在同步脉冲信号的触发下，发射电路产生大幅度的高频电脉冲输送给超声波传感器，激励传感器发出具有相同中心频率的脉冲超声波。发射脉冲的幅度(脉冲电压)和持续时间(脉冲宽度)的大小决定着发射功率的大小。目前超声波探伤仪的发射脉冲幅度大多为300-600伏范围，有些大功率的超声波探伤仪器发射脉冲幅度高达900伏。但在实际超声波检测中，可以根据具体需要调整仪器的发射功率的强度。超声波探伤仪的激励发射脉冲波形主要有尖波脉冲和方波脉冲两种形式。而尖脉冲发生器是用来激励压电换能器的最早电路之一，高效的尖脉冲发生器电路比较简单。方波脉冲发生器和尖脉冲发生器电路相类似，不同的是前者所用开关元件采用金属氧化物超导体场效应晶体管。适当调节方波脉冲发生器，可激发两倍于充电电压相同的尖脉冲发生器所激发的信号电压。
因此，需要一种超声波探伤的激励脉冲电路来解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足之处，本发明提供一种用于超声探伤的激励超声波激励脉冲电路。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明所述用于超声探伤的超声波激励脉冲电路，包括第一非门U1A、第二非门U1B、第三非门U1C、第四非门U1D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一绝缘栅场效应管Q1、第二绝缘栅场效应管Q2、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、超声波换能器P1；所述第一非门U1A、第二非门U1B、第一电阻R1、第一绝缘栅场效应管Q1、第三电阻R3、第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1构成第一窄脉冲信号发生电路；所述第三非门U1C、第四非门U1D、第二电阻R2、第二绝缘栅场效应管Q2、第四电阻R4、第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1构成第二窄脉冲信号发生电路；所述第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1、第二二极管D2构成储能电路；所述第二二极管D2、第三二极管D3、第七电阻R7、第一电感L1构成谐振电路。
更进一步的，所述第一窄脉冲信号发生电路和第二窄脉冲信号发生电路与储能电路连接，所述储能电路和谐振电路连接，所述谐振电路和超声波换能器P1连接。
更进一步的，所述第一窄脉冲信号发生电路中，第一非门U1A的输出端与第二非门U1B的输入端相连，第二非门U1B的输出端与第一电阻R1相连，第一电阻R1与第一绝缘栅场效应管Q1的栅极相连，第一绝缘栅场效应管Q1的漏极与第三电阻R3相连，第三电阻R3与第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极与第五电阻R5相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连。
更进一步的，所述第二窄脉冲信号发生电路中，第三非门U1C的输出端与第四非门U1D的输入端相连，第四非门U1D的输出端与第二电阻R2相连，第二电阻R2与第二绝缘栅场效应管Q2的栅极相连，第二绝缘栅场效应管Q2的漏极与第四电阻R4相连，第四电阻R4与第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极与第五电阻R5相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连。
更进一步的，所述储能电路中，第一二极管D1的负极与第五电阻R5和HV端口相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连，第一电容C1另一端与第二二极管D2正极相连。
更进一步的，所述谐振电路中，第二二极管D2正极与第三二极管D3负极相连，第二二极管D2和第三二极管D3与第七电阻R7和第一电感L1并联。
更进一步的，所述超声探伤的超声波激励脉冲电路还包括直流电压V1和电容C2，所述直流电压V1的一端接地，另一端接HV端口，电容C2与所述直流电压V1并联。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明所述用于超声探伤的超声波激励脉冲电路，通过非门时序控制激励脉冲宽度时间，能很好地产生激励脉冲的上升和下降沿触发MOSFET场效应管，获得精准的超声波合成信息。本发明采用高压供电，利用激发出两倍于充电电压的尖波脉冲发生器所能激发的信号电压，储能电容瞬时放电谐振产生的高功率脉冲激励超声换能器发射超声波。
附图说明：
图1.超声波激励脉冲电路的电路图
图2.双高速场效应管下降沿与上升沿波形合成图
图3.双高速场效应管高压负脉冲波形
具体实施例：
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明所述用于超声探伤的超声波激励脉冲电路，包括第一非门U1A、第二非门U1B、第三非门U1C、第四非门U1D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一绝缘栅场效应管Q1、第二绝缘栅场效应管Q2、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、超声波换能器P1；第一非门U1A、第二非门U1B、第一电阻R1、第一绝缘栅场效应管Q1、第三电阻R3、第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1构成第一窄脉冲信号发生电路；第三非门U1C、第四非门U1D、第二电阻R2、第二绝缘栅场效应管Q2、第四电阻R4、第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1构成第二窄脉冲信号发生电路；第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1、第二二极管D2构成储能电路；第二二极管D2、第三二极管D3、第七电阻R7、第一电感L1构成谐振电路。
优选的，第一窄脉冲信号发生电路和第二窄脉冲信号发生电路与储能电路连接，储能电路和谐振电路连接，谐振电路和超声波换能器P1连接。
优选的，第一窄脉冲信号发生电路中，第一非门U1A的输出端与第二非门U1B的输入端相连，第二非门U1B的输出端与第一电阻R1相连，第一电阻R1与第一绝缘栅场效应管Q1的栅极相连，第一绝缘栅场效应管Q1的漏极与第三电阻R3相连，第三电阻R3与第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极与第五电阻R5相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连。
优选的，第二窄脉冲信号发生电路中，第三非门U1C的输出端与第四非门U1D的输入端相连，第四非门U1D的输出端与第二电阻R2相连，第二电阻R2与第二绝缘栅场效应管Q2的栅极相连，第二绝缘栅场效应管Q2的漏极与第四电阻R4相连，第四电阻R4与第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极与第五电阻R5相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连。
优选的，储能电路中，第一二极管D1的负极与第五电阻R5和HV端口相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连，第一电容C1另一端与第二二极管D2正极相连。
优选的，谐振电路中，第二二极管D2正极与第三二极管D3负极相连，第二二极管D2和第三二极管D3与第七电阻R7和第一电感L1并联。
优选的，超声探伤的超声波激励脉冲电路还包括直流电压V1和电容C2，所述直流电压V1的一端接地，另一端接HV端口，电容C2与所述直流电压V1并联。
一个性能良好的驱动电路要求激励触发脉冲应具有足够快的上升和下降速度，脉冲前后沿要非常陡峭。驱动源的内阻要足够小、电流要足够大，以提高输出功率MOSFET的开关导通速度，为了使输出功率MOSFET可靠地触发导通，栅极驱动电压应高于器件的开启电压。高速转换开关选择IRF840型号的N沟道低阻抗MOSFET，对IRF840作为输出功率开关，栅电压Vg高电平时S、D导通，否则S、D断开。随着栅电压Vg的增加，耗尽层宽度和氧化物与硅界面处的电势也增加。当界面电势达到足够高时，电子从源极流向界面最终流到漏极，形成了“沟道”，同时晶体管“导通”。为防止误导通，在功率MOSFET截止时最好能提供负的栅一源电压。采用双高速输出功率开关IRF840管，具有高达两倍的高压负脉冲，波形合成方式如图2所示。
当输入到场效应管Q1(或Q2)为正脉冲时，场效应管Q1(或Q2)导通，Q1(或Q2)相当于一个非常小的电阻，与电阻R3(或R4)、R5、R6、二极管D1串联，和高压电源V1一起构成回路，C1中的电流快速上升进行储能。当输入到场效应管Q1(或Q2)为负脉冲时，场效应管Q1(或Q2)的栅极置低，Q1(或Q2)迅速关断，D1，C1，D3组成谐振电路快速放电，在电阻R7上形成了高压负脉冲，可达到数百伏电压，如图3所示。D2，D3起单向开关作用，匹配阻抗由电阻R7和电感L1并联实现，通过调节电阻R7来改变脉冲的幅度，调谐匹配电感L1使其传感器工作在共振的频率上。调谐匹配后经过测量超声波换能器P1上的高压窄带脉冲如图3所示。采用双高速输出功率开关IRF840管，通过非门时序控制激励脉冲宽度时间，能很好地产生激励脉冲的上升和下降沿触发MOSFET场效应管，获得精准的超声波合成信息。激励方波的宽度的调节可以使两次振动进行叠加或减弱，当脉冲宽度设置为探头频率周期的一半时,通过信号叠加，此时回波灵敏度最大；而脉冲宽度设置为探头频率周期的一个周期时，两个信号反相，叠加可以产生很小的振幅信号，此时分辨率最高。本发明采用高压供电，利用激发出两倍于充电电压的尖波脉冲发生器所能激发的信号电压，储能电容瞬时放电谐振产生的高功率脉冲激励超声换能器发射超声波。

Claims (2)

1.一种用于超声探伤的超声波激励脉冲电路，其特征在于：包括第一非门U1A、第二非门U1B、第三非门U1C、第四非门U1D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一绝缘栅场效应管Q1、第二绝缘栅场效应管Q2、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、超声波换能器P1；所述第一非门U1A、第二非门U1B、第一电阻R1、第一绝缘栅场效应管Q1、第三电阻R3、第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1构成第一窄脉冲信号发生电路；所述第三非门U1C、第四非门U1D、第二电阻R2、第二绝缘栅场效应管Q2、第四电阻R4、第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1构成第二窄脉冲信号发生电路；所述第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6和第一电容C1、第二二极管D2构成储能电路；所述第二二极管D2、第三二极管D3、第七电阻R7、第一电感L1构成谐振电路；
所述第一窄脉冲信号发生电路和第二窄脉冲信号发生电路与储能电路连接，所述储能电路和谐振电路连接，所述谐振电路和超声波换能器P1连接；
所述第一窄脉冲信号发生电路中，第一非门U1A的输出端与第二非门U1B的输入端相连，第二非门U1B的输出端与第一电阻R1相连，第一电阻R1与第一绝缘栅场效应管Q1的栅极相连，第一绝缘栅场效应管Q1的漏极与第三电阻R3相连，第三电阻R3与第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极与第五电阻R5相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连；
所述第二窄脉冲信号发生电路中，第三非门U1C的输出端与第四非门U1D的输入端相连，第四非门U1D的输出端与第二电阻R2相连，第二电阻R2与第二绝缘栅场效应管Q2的栅极相连，第二绝缘栅场效应管Q2的漏极与第四电阻R4相连，第四电阻R4与第一二极管D1的正极相连，第一二极管D1的负极与第五电阻R5相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连；
所述储能电路中，第一二极管D1的负极与第五电阻R5和HV端口相连，第五电阻R5与第六电阻R6相连，第六电阻R6与第一电容C1一端相连，第一电容C1另一端与第二二极管D2正极相连；
所述谐振电路中，第二二极管D2正极与第三二极管D3负极相连，第二二极管D2和第三二极管D3与第七电阻R7和第一电感L1并联。
2.根据权利要求1所述的一种用于超声探伤的超声波激励脉冲电路，其特征在于：还包括直流电压V1和电容C2，所述直流电压V1的一端接地，另一端接HV端口，电容C2与所述直流电压V1并联。
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