CN206321608U - 一种高压阵列超声脉冲激发装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高压阵列超声脉冲激发装置，包括：FPGA控制模块、与FPGA控制模块相连的若干超声激发模块，以及与各超声激发模块相匹配的超声接收模块；其中所述FPGA控制模块适于输出多路控制信号分别接入各超声激发模块，以使其产生单脉冲超声信号；所述FPGA控制模块还适于将产生的同步信号分别发送至各超声接收模块。本实用新型的高压阵列超声脉冲激发装置可用于混凝土结构的建筑物、核电关键压力容器等散射比较强介质的超声检测，与现有的单脉冲信号发生器相比，该高压阵列超声脉冲激发装置在进行无损探伤测量时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。

Description

一种高压阵列超声脉冲激发装置

技术领域

本实用新型属于超声检测及高频技术领域，具体涉及一种高压阵列超声脉冲激发装置。

背景技术

目前超声探伤所使用的单脉冲信号源都是小功率的，而大坝的混凝土结构以及核电站压力容器的奥氏钢体结构对声波的散射衰减很大，如信号功率不强，将无法检测到回波信号，就不能很好地完成深度探伤检测。

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

本实用新型的目的是提供一种高压阵列超声脉冲激发装置，以解决现有技术无法准确、有效地对声波散射衰减比较强介质(如混凝土结构的建筑物、核电站压力容器)进行超声探伤检测的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高压阵列超声脉冲激发装置，包括：FPGA控制模块、与FPGA控制模块相连的若干超声激发模块，以及与各超声激发模块相匹配的超声接收模块；其中所述FPGA控制模块适于输出多路控制信号分别接入各超声激发模块，以使其产生单脉冲超声信号；以及所述FPGA控制模块还适于将产生的同步信号分别发送至各超声接收模块。

进一步，所述超声激发模块包括：

与FPGA控制模块一控制输出端依次相连的脉宽宽度调节器、电平转换模块和脉冲功率变换发射电路；其中所述脉宽宽度调节器适于调节脉冲信号的脉宽；所述电平转换模块适于放大脉冲信号。

进一步，所述脉冲功率变换发射电路包括：

适于产生单脉冲信号的RC电路，适于控制电容充放电的功率开关管，适于放大单脉冲信号的脉冲变压器，以及发射换能器；其中

所述RC电路中电容与电阻串联后的两端分别连接电源正极和地，所述电容与电阻之间节点通过脉冲变压器的初级线圈连通功率开关管的漏极；

所述功率开关管的栅极连接电平转换模块的输出端，并通过相应脉冲信号的电平控制功率开关管关断或导通，且在功率开关管导通后，使所述初级线圈得电导通；所述脉冲变压器的次级线圈耦合得电，使发射换能器工作。

进一步，所述超声激发模块还包括空载及过热保护模块，所述空载及过热保护模块的输入端与脉冲功率变换发射电路的输出端相连；同时

该空载及过热保护模块的输出端与FPGA控制模块的反馈端相连。

进一步，所述超声接收模块还包括接收换能器和接收器；其中所述接收换能器适于在接收器获得同步信号时，接收发射换能器发射的单脉冲超声信号。

进一步，所述多路超声激发模块之间设有电磁屏蔽装置。

进一步，所述脉宽宽度调节器采用型号为74HC123的双可重触发单稳态触发器。

进一步，所述电阻为大功率电阻；以及所述电容为油浸电容。

进一步，所述电平转换模块采用型号为NE5532的放大器。

进一步，所述功率开关管采用IGBT绝缘栅双极型晶体管。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是，本实用新型的高压阵列超声脉冲激发装置可用于混凝土结构的建筑物、核电关键压力容器等散射比较强介质的超声检测，与现有的单脉冲信号发生器相比，该高压阵列超声脉冲激发装置在进行无损探伤测量时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

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的一种高压阵列超声脉冲激发装置的示意图。

其中

电阻R1、电容C、功率开关管VT、脉冲变压器T、发射换能器B、接收换能器R。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

实施例1

如图1所示，本实施例1提供了一种高压阵列超声脉冲激发装置，包括：FPGA控制模块、与FPGA控制模块相连的若干超声激发模块，以及与各超声激发模块相匹配的超声接收模块；其中所述FPGA控制模块适于输出多路控制信号分别接入各超声激发模块，以使其产生单脉冲超声信号；以及所述FPGA控制模块还适于将产生的同步信号分别发送至各超声接收模块。

具体的，本实用新型使用Basys2FPGA开发板作为控制模块FPGA，内置有Spartan-3E FPGA芯片，其负责产生有序的超声波控制信号和同步信号以及对装置反馈信号进行处理，判断装置是否工作异常从而采取保护措施。

所述超声激发模块包括：

与FPGA控制模块一控制输出端依次相连的脉宽宽度调节器、电平转换模块和脉冲功率变换发射电路；其中所述脉宽宽度调节器适于调节脉冲信号的脉宽；所述电平转换模块适于放大脉冲信号。

优选的，所述脉宽宽度调节器选用的是由双可重触发单稳态触发器74HC123为核心的单稳态触发电路。74HC123的输出脉冲宽度有三种控制方式。一是通过选择外部元件电容CEXT和电阻RT值来确定脉宽，二是通过正触发输入端或负触发输入端的重触发延长输出脉宽，三是通过清除端的清除来缩短脉宽。本实施例采用第一种方式，通过调节两个电位器改变RT的值从而实现对脉宽进行细调和粗调。

由于74HC123产生的单稳态信号，电流值很小，无法驱动功率开关管VT正常工作，因而所述电平转换模块采用运算放大器例如但不限于NE5532对电流进行缓冲放大，NE5532是一种双运放、高性能、低噪声运算放大器，可以提高输出驱动能力，以达到驱动功率开关管VT的目的。

所述脉冲功率变换发射电路包括：适于产生单脉冲信号的RC电路，适于控制电容C充放电的功率开关管VT，适于放大单脉冲信号的脉冲变压器T，以及发射换能器；其中

所述RC电路中电容C与电阻R1串联后的两端分别连接电源正极和地，所述电容C与电阻R1之间节点通过脉冲变压器T的初级线圈连通功率开关管VT的漏极；

所述功率开关管VT的栅极连接电平转换模块的输出端，并通过相应脉冲信号的电平控制功率开关管VT关断或导通，且在功率开关管VT导通后，使所述初级线圈得电导通；所述脉冲变压器T的次级线圈耦合得电，使发射换能器工作。

具体的，RC电路的时间常数：τ＝RC，通过74HC123构成的触发电路控制功率开关管VT的通断时间，从而控制电容C放电时间，产生相应脉宽的脉冲信号，信号再经过脉冲变压器T对单脉冲信号的幅值进行放大。

由于容抗和电容成反比，与频率也成反比；设容抗为X_C，电容为C，频率为f，即容抗对应的公式为：

为了使等效感抗尽量小，所以电容C要尽量大且耐压值要高，则电容C两端电压为：

其中VH是电源电压，t是时间变量；在放电时，其中Uo是放电前电容C上电压。

RC电路的时间常数τ决定了电容C上的电量变化率；时间常数τ较大者，电量变化较慢，要经过较长的时间才会达到稳定值；反之，时间常数τ较小者，电量变化较快，较快达到稳定值。在本实施例中要求有较大的功率，且τ＝R1C不可过大，优选的，电容C为20uF，耐压值为630V的油浸电容，而电阻R1为阻值500Ω、10W的功率水泥电阻。

另外，在本实施例中，需要以很快速度改变电路的通断来实现电容C连续的充放电，故通过功率开关管VT以控制电容C的连续充放电；双极型三极管BJT饱和压降低，载流密度大，但驱动电流大；绝缘栅型场效应管MOS驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由绝缘栅型场效应管MOS和双极型三极管BJT组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，绝缘栅双极型晶体管IGBT融和了绝缘栅型场效应管MOS和双极型三极管BJT这两种器件的优点：驱动功率小而饱和压降低，可以采用低成本的驱动电路；开关速度快；导通状态低损耗。所以优选的，本实施例中选择绝缘栅双极型晶体管IGBT用作功率开关管。

又一方面，为使高压阵列超声脉冲激发装置正常工作，脉冲变压器T在绕制变压器且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：

式中的B_m—工作磁通密度

A_c—铁心的有效截面积，单位cm²；

A_e—铁心窗口面积，单位cm²；

P_t—变压器计算功率，单位W(瓦)；

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。一次侧的匝数假设本实施例所用脉冲变压器T的匝比为1:10，由此根据一次侧的匝数可以确定二次侧的匝数。

所述超声激发模块还包括空载及过热保护模块，所述空载及过热保护模块的输入端与脉冲功率变换发射电路的输出端相连；同时该空载及过热保护模块的输出端与FPGA控制模块的反馈端相连。

所述超声接收模块还包括接收换能器和接收器；其中所述接收换能器适于在接收器获得同步信号时，接收发射换能器发射的单脉冲超声信号。

具体的，在FPGA控制模块产生控制信号的同时，还产生对应的同步信号通过同步信号线传输给接收器。

所述多路超声激发模块之间设有电磁屏蔽装置。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，包括：

FPGA控制模块、与FPGA控制模块相连的若干超声激发模块，以及

与各超声激发模块相匹配的超声接收模块；其中

所述FPGA控制模块适于输出多路控制信号分别接入各超声激发模块，以使其产生单脉冲超声信号；以及

所述FPGA控制模块还适于将产生的同步信号分别发送至各超声接收模块。

2.根据权利要求1所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，

所述超声激发模块包括：与FPGA控制模块一控制输出端依次相连的脉宽宽度调节器、电平转换模块和脉冲功率变换发射电路；其中

所述脉宽宽度调节器适于调节脉冲信号的脉宽；

所述电平转换模块适于放大脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，

所述脉冲功率变换发射电路包括：

适于产生单脉冲信号的RC电路，适于控制电容充放电的功率开关管，适于放大单脉冲信号的脉冲变压器，以及发射换能器；其中

所述RC电路中电容与电阻串联后的两端分别连接电源正极和地，所述电容与电阻之间节点通过脉冲变压器的初级线圈连通功率开关管的漏极；

所述功率开关管的栅极连接电平转换模块的输出端，并通过相应脉冲信号的电平控制功率开关管关断或导通，且在功率开关管导通后，使所述初级线圈得电导通；所述脉冲变压器的次级线圈耦合得电，使发射换能器工作。

4.根据权利要求3所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，

所述超声激发模块还包括空载及过热保护模块，所述空载及过热保护模块的输入端与脉冲功率变换发射电路的输出端相连；同时

该空载及过热保护模块的输出端与FPGA控制模块的反馈端相连。

5.根据权利要求4所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，所述超声接收模块还包括接收换能器和接收器；其中

所述接收换能器适于在接收器获得同步信号时，接收发射换能器发射的单脉冲超声信号。

6.根据权利要求5所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，

所述多路超声激发模块之间设有电磁屏蔽装置。

7.根据权利要求6所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，

所述脉宽宽度调节器采用型号为74HC123的双可重触发单稳态触发器。

8.根据权利要求7所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，

所述电阻为大功率电阻；以及

所述电容为油浸电容。

9.根据权利要求8所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，

所述电平转换模块采用型号为NE5532的放大器。

10.根据权利要求9所述的高压阵列超声脉冲激发装置，其特征在于，

所述功率开关管采用IGBT绝缘栅双极型晶体管。