CN203616291U - 双极大功率脉冲超声波发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是基于超声理论及高频电子技术所研制的一种双极大功率脉冲超声波发生器，主要应用于混凝土大坝、核电关键压力容器等散射比较强介质的超声检测。其中单片机产生控制信号，经过桥式驱动电路对全桥进行驱动，以达到控制电容充放电的目的，从而控制脉冲激发电路输出所需脉宽的双脉冲信号，最终经过双脉冲变压器使脉冲幅度大大提升。本实用新型与现有的单脉冲信号发生器相比，探伤深度与精确度有了很大的提高。

Description

双极大功率脉冲超声波发生器

技术领域

本实用新型属于超声检测及高频技术领域，涉及一种大功率的双脉冲超声信号发生器。

背景技术

目前超声探伤所使用的脉冲信号源大多功率不够高，而已有的大功率冲超声信号发生器又是单脉冲信号源，具有脉冲宽度不可调的弊端，而大坝的混凝土结构以及核电站压力容器的奥式钢体结构对声波的散射衰减很大，如发射换能器发射的超声波功率不强，将无法检测到回波信号，就不能很好的完成深度探伤的检测。

申请号为“201120198403”名称为“一种大功率超声波发生机”的专利申请，公开的是一种大功率超声波发生机，包括380Ｖ的电源、整流器、功放Ｉ、功放ＩＩ、合成器和换能器，其特征在于：还包括电压调节器、单片机、信号源、匹配网络，以及电缆，所述电源经过电压调节器微调后进入整流器，整流后的电源经过功放Ｉ和功放ＩＩ输送到合成器，所述单片机通过信号源对功放Ｉ、功放ＩＩ进行控制，所述合成器通过传感器与匹配网络连通，所述匹配网络通过电缆与换能器连通。该实用新型采用了先进的元器件，电路设计为脉冲功率转换多单元一次合成技术，结构简化，性能可靠，具有频率，脉宽和功率协调功能，电流冲击小，输出功率大而稳定，但是输出的是正弦波信号，无法用于超声探伤。

申请号为“200980144195”名称为“脉冲信号发生装置”的专利申请，公开的是一种脉冲信号发生装置，其特征在于：为了在谐振腔发生负阻使三电极高频放大元件集成化，并且为了共用向空间放射电磁波的天线功能构成放射型振荡器，通过使上述三电极高频放大元件短时间进行动作而获得短时间的负阻，发生基于该负阻和上述谐振腔之构造所决定的振荡频率／频率带宽的高频脉冲信号，并同时将其向空间放射。该实用新型具有构造单纯化、高性能化、小型集成化、设计容易化、低耗电化、低成本化的特点，但是属于微波／毫米波段的高频脉冲信号发生装置，功率小，不能达到所需的探伤深度及精确度。

申请号为“201210063255.3”名称为“大功率单脉冲超声信号发生器及其无损探伤的方法”的专利申请，公开的是一种大功率的单脉冲超声波发生器，其特征在于：通过控制单片机产生的PWM波作为控制信号，经过缓冲放大电路对电流进行放大，以达到驱动功率开关管的通断，控制电容充放电的目的，从而控制脉冲激发电路输出所需脉宽的单脉冲信号，定时将脉冲幅度反馈给单片机，对设备空载及过热现象及时采取保护措施，最终经过单脉冲变压器使脉冲幅度大大提升。该实用新型虽然克服了以往脉冲功率源输出功率过低的弊端，但其脉冲宽度不可调，脉冲信号主频无法与任意换能器固有频率达成一致形成谐振，浪费了能量，消弱了探测效果。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是设计一种双极大功率脉冲超声波发生器，该双极大功率脉冲超声波发生器与已有脉冲信号发生器相比功率至少提升了两倍，且通过控制正脉冲和负脉冲的间隔时间，可以控制脉冲信号主频，实现与发射换能器的频率匹配，充分激发探测声波。

一种双极大功率脉冲超声波发生器，其特征是，包括：

单片机，所述单片机产生控制信号输入两个半桥驱动电路；

由功率开关管组成的全桥电路，所述全桥电路由所述两个半桥驱动电路输出的信号控制；

还包括由所述全桥电路控制进行充放电的电容；

所述电容产生的信号经一脉冲变压器进行脉冲升压后激发发射换能器产生超声信号。

所述的电容为油浸电容，所述的油浸电容充放电时产生双脉冲信号。

所述全桥电路中包含四个桥式连接的第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管，其中第一功率开关管、第三功率开关管的源极分别和第二功率开关管、第四功率开关管的漏极连接；第一功率开关管、第三功率开关管的漏极与电源端连接，第二功率开关管、第四功率开关管的源极接地；第一功率开关管和第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管栅极分别与一个半桥驱动电路连接，电容的一端与第一功率开关管、第三功率开关管的漏极相连，电容的另一端与第二功率开关管、第四功率开关管的漏极相连，控制电容充放电。

所述的脉冲变压器对所述电容产生的双脉冲信号进行幅值放大。

所述的两个半桥驱动电路用于控制全桥电路的两个桥臂的开启和闭合。

由两个半桥驱动电路控制所述的全桥电路的两个桥臂开启和关闭的时间间隔，使全桥电路输出的正脉冲与负脉冲的时间间隔可调。

所述的超声换能器用于发射超声信号。

本实用新型所达到的有益效果：

本实用新型的双极大功率脉冲超声波发生器装置，设备简单，易于实现，成本较低且功率大，克服了已有大功率单脉冲超声发生器的脉宽不可调的弊端，实现与换能器主频的精确匹配。使用此装置对混凝土结构的建筑物进行无损探伤测量也可以得到明显的回波信号，大大提高了探伤的深度与精确度，并对产生大功率脉冲提供了新思路。

附图说明

图1为双极大功率脉冲超声波发生器装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型的双极大功率脉冲超声波发生器装置包括MCU、两个半桥驱动电路、全桥电路1、发射换能器7。其中全桥电路1包括功率开关管2、6、8、11、二极管3、5、9、10、脉冲变压器4、油浸电容12。功率开关管11、功率开关管8的源极分别和功率开关管2、功率开关管6的漏极连接；功率开关管11、功率开关管8的漏极与电源端VCC连接，功率开关管2、功率开关管6的源极接地GND；功率开关管11和功率开关管8、功率开关管2和功率开关管8栅极分别与一个半桥驱动电路连接，油浸电容12的一端与功率开关管11、第三功率开关管2的漏极相连，油浸电容12的另一端与功率开关管8、功率开关管6的漏极相连。功率开关管11、8、2、6、8的源极和漏极之间分别跨接二极管10、9、3、5，并且二极管的阳极均连接在源极上，二极管的阴极均连接在漏极上。功率开关管11和功率开关管8的源极分别连接在脉冲变压器4的初级两端，功率开关管2和功率开关管6的漏极也同时分别连接在脉冲变压器4的初级两端。脉冲变压器4的次级两端连接在发射换能器7的两端上。

通过MCU，控制两个半桥驱动电路工作，两个半桥驱动电路分别控制全桥电路1中的上、下桥臂的工作，当油浸电容12充满电后，首先控制功率开关管6、11打开，使油浸电容12沿功率开关管6、11进行放电，输出一个正向脉冲，并经过脉冲变压器4产生大功率正脉冲信号。脉冲产生完成后关闭所有桥臂，再次对油浸电容12进行充电，充电完成后，通过两个半桥驱动电路控制功率开关管2、8打开，使油浸电容12沿功率开关管2、8进行放电，输出一个反向脉冲，并经过脉冲变压器4产生大功率负脉冲信号。这样形成的双极大功率脉冲通过发射换能器7发射出大功率的超声波。

本实施例中使用AT89S52作为控制模块MCU。它的主要任务是负责产生控制信号。

半桥驱动芯片IR2104用来驱动半桥电路，输入信号5V即可工作，且能够驱动最高600V的半桥电路，解决了单片机输出电压转换和带负载能力不足的问题，本电路为全桥电路，故使用两块IR2104。

桥式电路采用功率开关管IGBT搭建，IGBT特点是驱动功率小而饱和压降低，开关速度快，导通状态低损耗，符合本设计大功率的需求。全桥电路的具体工作方式如下：如图1，当电源对油浸电容12充电完成后，首先控制功率开关管6、11导通，功率开关管2、8关闭，使电容放电在脉冲变压器形成上形成一个正向脉冲，随后关闭所有功率开关管，使电源对油浸电容12充电，充电完成后，打开功率开关管2、8，使油浸电容12放电在脉冲变压器4形成上形成一个反向脉冲。由于桥臂打开的方向不一样，所以在脉冲变压器4上形成的脉冲方向也相反，最终形成双极脉冲。

对于二极管3、5、9、10来说，首先二极管3、5、9、10能起到能量恢复元件的作用，将集电极电压钳位在电源电压，使电压不会超调。因此功率开关管能在良好的电压应力条件下工作。其次，如果脉冲变压器漏感中储存了足够多的能量，原边电压将通过二极管3、5、9、10将多余的反激能量返回电源。这样二极管3、5、9、10就可以很好的保护功率开关管不会被击穿。

要想本装置正常工作，脉冲变压器的设计至关重要。饶制变压器在设计铁心的尺寸规格时，输出功率与磁性材料的性质，几何形状和尺寸的关系公式可表示为:

$A_c{\×A}_e=\frac{P_t\×{10}^4}{42f{B}_m{K}_o{K}_j}\×1.16$

式中的B_m—工作磁通密度

A_c—铁心的有效截面积，cm²

A_e—铁心窗口面积，cm²

P_t—变压器计算功率，W_。表达式P_t=P_o（1/η+1），其中Po为输出功率，η为变压器效率

f—工作频率

K_o—窗口占空系数

K_j—绕组的电流密度系数

由此可以计算出变压器的尺寸规格。根据

（V₁为一次侧所加电压）可以确定一次侧的匝数N₁，本实用新型所用脉冲变压器匝比为1:10，由此可推知二次侧的匝数。

本设计脉宽可调是其一大创新点，具体实施方案为通过控制全桥电路两桥臂的开启与闭合时间间隔，即可调整正负脉冲之间的时间间隔，也就使得双极脉冲的主频发生改变，从而实现与换能器的频率匹配。

以上所述仅是本实用新型的一种验证性实验的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1. 一种双极大功率脉冲超声波发生器，其特征是，包括：

单片机，所述单片机产生控制信号输入两个半桥驱动电路；

由功率开关管组成的全桥电路，所述全桥电路由所述两个半桥驱动电路输出的信号控制；

还包括由所述全桥电路控制进行充放电的电容；

所述电容产生的信号经一脉冲变压器进行脉冲升压后激发发射换能器产生超声信号。

2.根据权利要求1所述的双极大功率脉冲超声波发生器，其特征是，所述的电容为油浸电容，所述的油浸电容充放电时产生双脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的双极大功率脉冲超声波发生器，其特征是，所述全桥电路中包含四个桥式连接的第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管，其中第一功率开关管、第三功率开关管的源极分别和第二功率开关管、第四功率开关管的漏极连接；第一功率开关管、第三功率开关管的漏极与电源端连接，第二功率开关管、第四功率开关管的源极接地；第一功率开关管和第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管栅极分别与一个半桥驱动电路连接，电容的一端与第一功率开关管、第三功率开关管的漏极相连，电容的另一端与第二功率开关管、第四功率开关管的漏极相连，控制电容充放电。

4.根据权利要求1所述的双极大功率脉冲超声波发生器，其特征是，所述的脉冲变压器对所述电容产生的双脉冲信号进行幅值放大。

5.根据权利要求1所述的双极大功率脉冲超声波发生器，其特征是，所述的两个半桥驱动电路控制全桥电路的两个桥臂的开启和闭合。

6.根据权利要求1所述的双极大功率脉冲超声波发生器，其特征是，由两个半桥驱动电路控制所述的全桥电路的两个桥臂开启和关闭的时间间隔，使全桥电路输出的正脉冲与负脉冲的时间间隔可调。

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