CN1110440A - 可调宽脉冲组合超声震源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波震源，为提高发射能量和 解决震动延续时间问题而设计。由中央控制、脉冲形 成、电源、按键及显示四大部件组成。中央控制部分 根据按键操作同时生成数个正、负脉冲，脉冲个数、宽 度、间隔时间、幅度可调，并由显示器显示，脉冲形成 部分对数个正、负脉冲进行组合并高压输出，用组合 波形中的负脉冲去补偿由正脉冲产生的超声余波，调 整脉宽适应不同频率换能器。经试验有明显提高超 声源穿透力和分辨率的作用。

Description

本发明涉及一种毫微秒脉冲发生器，更确切地说是涉及一种超声波震源

超声波震源是供给电声型换能器的一种交流电能源设备，产生所需工作频率的一定大小的电功率，再经超声换能器转变为所需频率的超声能，超声震源广泛应用于声纳、超声探伤、超声测量和地震物理模型实验等技术领域中，通常要求超声震源具有尽可能强的发射能量和尽可能短的延续时间（亦称余波），从而使超声震源具有尽可能强的穿透力和尽可能高的分辨力，目前的超声震源普遍采用单一脉冲法，其主要工作原理是：由单稳态触发器向毫微秒脉冲产生电路提供上升时间小于10ns的快沿触发脉冲，经射极跟随器转变为时基信号输出作为微机的起始时间标志，生成定幅定宽的脉冲信号加至高频高反压晶体管基极上，其集电极加高压并处于雪崩击穿工作状态，平时无信号输出，当快沿触发脉冲到来时，三极管瞬时导通、负载电容快速放电，形成极性为负的窄脉冲输出，调整负载电阻和负载电容可在一定范围内调整脉冲底宽和脉冲幅度，且底宽越窄，幅度越低。

由于电声换能器晶片固有震动特性和受探头制作工艺的限制，以上述单一窄脉冲作震源，在发射能量和震动延续时间两方面均不能满足上述科学技术领域的要求，解决这个问题通常采用抓两头的技术，一种是选择高质量的超声换能器，尽量改善其性能以满足技术要求，另一种是从加在超声换能器上的脉冲信号入手，使其提高发射能量和减少超声波余波。

本发明的目的是为提高超声深头的穿透力和分辨力、解决超声震源发射能量和余波方面的问题，从加在超声换能器上的脉冲信号入手设计一种可调宽脉冲组合超声震源。

本发明的基本原理是：设计一种能同时产生数个正、负脉冲的脉冲发生器，各脉冲的脉冲个数可调，各脉冲的宽度可调、幅度可调、脉冲间隔时间可调;对这数个正、负脉冲按一定的方式组合且高压输出后再加至超声换能器上，用组合波形中的负脉冲信号去补偿（或抵消）由正脉冲信号产生的超声波余波，调整脉冲宽度可适应不同频率电声换能器的需要因为，在一定宽度范围内能量随脉冲宽度增加而增大，因而调宽脉冲可明显提高超声震源的能量，显著增强超声波穿透力，同时通过脉宽达到控制超声波穿透力的目的;将若干个调宽脉冲按一定方式组合时，电声换能器的输出响应也是若干个调宽脉冲响应叠加的结果，以致基本抵消余波。

本发明的可调宽脉冲组合超声震波，由中央控制部分、脉冲形成部分、按键和显示部分、电源部分四大功能部件组成，中央控制部分根据一组按键提供的信息控制脉冲形成部分同时输出要求的脉冲个数S1-Sn，同时控制显示部分显示按键组提供的信息;脉冲形成部分根据中央控制部分提供的信息组合输出正、负相间的高压脉冲;按键和显示部分为中央控制部分提供控制信息，如输出脉冲的个数、各脉冲中脉冲与脉冲的间隔时间、外触发方式还是内触发方式、内部触发时的脉冲重复频率等，并显示以上信息;电源部分为其余三个功能部件提供工作电源，其特征在于：所述的中央控制部分包括最小单片机系统和向单片机中断端输入外触发脉冲的整形电路，单片机n个I/O端可同时分别输出n个S0"-Sn"脉冲，所述按键组与单片机的I/O端及数据D端连接;所述的脉冲形成部分包括n个S0"-Sn"的脉冲宽度及间隔时间细调电路，生成S1-Sn个脉冲，和对生成的S1-Sn进行波形组合并高压输出的脉冲发射器。

本发明由单片机程序控制所生成的S1-Sn脉冲个数、脉冲间隔时间及重复频率等，使之保持在一范围内，即完成粗调，由S1-Sn的各路细调电路对脉冲间隔时间及重复频率进行细调，最终完成组合脉冲波形的调节。

下面结合实施例及其附图进一步说明本发明的技术

本实施例的中央控制部分可同时生成六个脉冲信号，六个脉冲可同起点，也可不同起点，如图1-1    S1′-S6′所示，根据需要，六个脉冲从一至六可以任意组合高压输出，如图1-2所示，组合脉冲信号幅度从0-400V连续可调，脉冲宽度从150ns-4μs连续可调，脉冲间隔时间从200ns-20μs连续可调。

图1-1，S1′-S6′实施波形示意图

图1-2，高压组合脉冲实施波形示意图

图2，可调宽脉冲组合超声震源的方框原理图

图3，图1中中央控制部分的实施电路图

图4-1，图1中脉冲形成部分的实施例1电路图

图4-2，图1中脉冲形成部分的实施例2电路图

图5，图1中按键和显示部分的实施电路图

图6-1、图6-2分别为图4-1、图4-2中脉冲形成部分的脉宽及间隔时间细调电路的工作波形图。

图7，可调宽脉冲组合超声震源工作主流程图之一

图8，可调宽脉冲组合超声震源工作主流程图之二

图9，可调宽脉冲组合超声震源工作主流程图之三

参见图2，可调宽脉冲组合超声震源由电源部分10、中央控制部分20、按键和显示部分30、高压组合脉冲形成部分40组成电源部分10提供两组+5V、一组+12V和正、负400V高压中央控制部分20可同时输出S1-S6六个脉冲信号，也可只输出其中一个或2-5个脉冲信号，但正、负脉冲相间单片机的中断端输入外触发信号EXT-TRIG，同步输出信号SYNC由其一个I/O端输出操作按键部分30的一组按键，可控制输出脉冲S1-S6的个数，脉冲和脉冲之间的间隔（粗调）、外触发或内触发选择，内触发时的重复频率，中央控制部分20根据按键信息控制高压组合脉冲形成部分40，并控制显示按键组提供的信息，最后由脉冲形成部分40输出要求的正、负相间的高压组合脉冲。

图3所示为中央控制部分20的实施电路，包括由IC1单片微处理器8031、IC2数据锁存器74LS373和IC3存贮器2764构成的最小单片机系统，对外触发脉冲进行整形取其下降沿作为单片机中断输入信号的IC4单稳态触发器74LS123，与单片机P17、P16连接的按键SW1、SW2分别用于选择内、外触发方式和对脉冲间隔时间、脉冲宽度进行粗调，与单片机P10-P15连接的IC5-1…  …IC5-6六反相器将单片机同时输出的六个脉冲信号S1′-S6′分别送六个光电耦合器T1L117，光电耦合输出的SO″-Sn″送图4-1或图4-2脉冲形成电路的同名端，采用光电隔离器的目的是为增加电路的抗干扰能力图中译码器IC6对地址A5、A6、A7进行译码，输出Y1-Y8信号至图5的按键和显示电路“S1”信号并作为同步SYNC信号输出，数据信号D0-D7及读写信号WR、RD送图5的按键和显示电路。

图4-1所示的为高压组合脉冲形成部分40的一个实施电路，包括六组分别与S1″-S6″连接的脉宽、时间间隔细调电路和脉冲组合高压发射电路每组脉宽、时间间隔细调电路由两级单稳态触发器IC7、IC8和施密特反相整形电路IC9串接构成，其工作波形可参见图6-1，调正R1、R4可细调每个脉冲的宽度T1及间隔时间T2因篇幅有限图中只画出一组（S1）脉冲的细调电路，调正后的六组脉冲S1-S6送脉冲发射器IC10，进行幅度调节、高压、组合输出图中脉冲发射器IC10的外接电阻R5-R10分别用于调整S1-S6的脉冲幅度。

图4-2所示为高压组合脉冲形成部分40的另一个实施电路，也包括六组分别与S1″-S6″连接的脉宽、时间间隔细调电路和脉冲组合高压发射电路，每组脉宽、时间间隔细调电路由单稳态触发器IC7、IC7′、IC8，整形与非门IC9，施密特反相整形电路IC7′、IC8′连接构成限于篇幅，图中仅画出一组即S1″的调节电路，其余五组的电路结构与之完全相同，整形与非门IC9输出的六路宽度可调、脉冲间隔时间可调的脉冲信号在IC10中进行组合高压输出

调节电路的工作波形可参见图6-2，S″为输入脉冲波形、IC7Q、IC7′Q、IC8Q、IC7″、IC8′、IC9分别为IC7Q端、IC7′Q端、IC8Q端、IC7″输出端、IC8′输出端和IC9输出端波形R1、R2用于调节IC7Q的脉冲宽度，细调脉冲间隔时间，IC7′Q脉宽固定，R4、R5用于调节IC8Q的脉冲宽度，由IC9输出的脉冲，其宽度T1可调，其间隔时间T2可调。图4-1、图4-2实施例，脉冲宽度从150ns-4μs连续可调，脉冲间隔时间从200ns-20μs连续可调。

图5所示为按键和显示部分30的实施电路，一组按键SW3-SW6及数据锁存器IC11，通过数据端D0-D7向单片机IC1提供按键组命令，数据锁存器IC12及一组LED发光管L1-L8通过数据端D0-D8读出单片机输出的显示信号，如L1用于显示接通电源，L2显示内、外触发方式，L3-L8分别用于显示当前的S1-S6脉冲。数据锁存器IC14、IC15、IC16及其数码管SMG1-SMG3用于显示脉冲的重复频率（ms）及脉冲间隔时间（μs），或非门IC13-1……IC13-5用于对输入的Y1-Y5进行组合生成IC14、IC12、IC16、IC15及IC11的片选信号。

图7-图9所示为本调宽脉冲组合超声震源实施例的工作主流程图，其中图7较详细地说明了SW1、SW3-SW6各按键对选择脉冲个数、S1-S6的组合方式、调整S1-S6的脉宽、调整S1-S6脉冲间隔时间及控制内、外触发各功能时的作用。

SW1为拨动开关，两个拨动位置分别表示工作于内触发方式或外触发方式，SW1＝1时为内触发工作方式，单片机按一定时间循环产生脉冲波，软件调整脉冲个数、脉冲与脉冲的间隔时间以及重复频率SW1＝0时为外触发工作方式，单片机脉冲信号的产生受外触发信号的控制，开中断，同时检查SW1的状态并等待，当SW1又恢复为1时关中断返回。

SW3-SW6均为按键式开关，其中SW3用于调整脉冲个数，每操作一次SW3，单片机I参数加1，I从0至6按加1递增，当I＝6时返回I＝0，I参数分别为0、1、2、3、4、5时，对应六种波形组合方式MCFS0-MCFS5（参见图8）。

当SW1＝1、SW3＝0时，每操作一次SW4，单片机J参数按加1递增，当J＝60时返回J＝1，J参数用于调整重复频率。

当SW1＝1、SW3＝0、SW4＝0时，每操作一次SW5，单片机K参数按减1递减，在SW5＝0时，每操作一次SW6，单片机K参数按加1递增K参数用于调整脉冲与脉冲间的时间间隔。

SW2亦为按键开关，用于选择单、双脉冲，当SW2＝0时，为产生双脉冲，即正、负相间的脉冲，此时根据单片机I参数的值，选择不同的波形组合方式MCFS0-MCFS5。当SW2＝1时，为产生单脉冲，即奇数个负脉冲，此时根据单片机I的值1、3、5，选择波形组合方式MCFS1、MCFS3和MCFS5，如图8所示。

图9所示为中断服务程序（ZDFW），其工作原理同图8说明，RETI为中断等待。

图8、图9流程中，对I>5的情况作了处理，I>5说明有误信号存在，则自动转为执行MCFSO。

本发明的可调宽脉冲组合超声震源实施例，经在地震物理模型实验中使用，对于200KHz的超声探头，与美国5055PR型设备在相同脉冲幅度条件下比较，超声波能量可提高6倍，对于余波长2个周期的超声信号可补偿到半个波，因此本发明的可调宽正、负组合脉冲作为超声震源比现有技术以单一极性脉冲作为超声震源，对于提高超声探头的穿透力和分辨力有十分明显的效果。

Claims (5)

1、一种可调宽脉冲组合超声震源，包括以内触发方式或接收外触发中断输入信号、同时生成S1″-Sn″个正、负脉冲信号的中央控制部分，将S1″-Sn″个正、负脉冲组合生成高压组合脉冲输出的脉冲形成部分，向中央控制部分输入控制信息、控制生成正、负脉冲个数、脉冲间隔时间、内/外触发方式、内触发脉冲重复频率的一组按键，与中央控制部分数据端连接、用于显示控制信息的显示器和电源部分，其特征在于：

所述的中央控制部分包括由单片机、数据锁存器、存贮器组成的最小单片机系统和向单片机中断端输入外触发脉冲的整形电路，所述的S1″-Sn″个正、负脉冲信号同时由单片机的n个I/O端输出；

所述按键组与单片机的I/O端及数据D端连接；

所述的脉冲形成部分包括对S1″-Sn″进行脉冲宽度及间隔时间细调，分别输出S1-Sn的n个调节电路和对S1-Sn进行波形组合并高压输出的脉冲发射器。

2、根据权利要求1所述的可调宽脉冲组合超声震源，其特征在于所述的调节电路由2组单稳态触发器串接施密特反相整形电路组成，输入脉冲连接第一级单稳态触发器的上升沿触发端，第1级单稳态触发器Q端与第二级单稳态触发器的下降沿触发端连接，第二级单稳态触发器Q端与施密特反相整形电路输入端连接。

3、根据权利要求1所述的可调宽脉冲组合超声震源，其特征在于所述的调节电路由3级单稳态触发器连接施密特反相整形电路和整形与非电路构成，输入脉冲连接第一级单稳态触发器的上升沿触发端，第二级单稳态触发器Q端与第二级单稳态触发器及第三级单稳态触发器的下降沿触发端连接，第二级单稳态触发器的Q端经施密特反相整形电路接整形与非电路的一个输入端，第三级单稳态触发器的Q反端经施密特整形电路接整形与非电路的另一个输入端，整形与非电路输出调节脉冲。

4、根据权利要求1所述的可调宽脉冲组合超声震源，其特征在于所述的n为6，所述的S1-Sn个正、负脉冲是三个正脉冲、三个负脉冲。

5、根据权利要求1所述的可调宽脉冲组合超声震源，其特征在于所述的按键组包括与所述单片机I/O端连接的内、外触发工作方式选择开关SW1和单、双脉冲选择开关SW2，通过单片机I参数调整脉冲个数的按键开关SW3，通过单片机J参数调整脉冲重复频率的按键开关SW4，使单片机K参数按加1递增的按键开关SW6和使单片机K参数按减1递减的按键开关SW5，所述SW3-SW6一端接高电位，另一端分别接一数据锁存器的数据端，数据锁存器输出端分别接单片机数据端。

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