CN206489125U - 100kW级宽频电磁超声激励源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种100kW级宽频电磁超声激励源。其中，该100kW级宽频电磁超声激励源包括：通过信号发生器生成第一组初始信号和第二组初始信号；然后，通过左臂高端驱动电路和右臂低端驱动电路对第一组初始信号进行放大，以驱动左臂高端开关和右臂低端开关导通，此时，选频电路的输出高电压信号；还通过左臂低端驱动电路和右臂高端驱动电路对第二组初始信号进行放大，以驱动左臂低端开关和右臂高端开关导通，此时，选频电路输出的电压近似为零；实现了通过控制多路开关电路的导通使得选频电路输出有限周期的高电压脉冲信号，以激励电磁超声换能器在待检结构中产生超声波。本实用新型解决了现有技术中的电磁超声检测仪器的在较宽频率范围内输出功率较低的技术问题。

Description

100kW级宽频电磁超声激励源

技术领域

本实用新型涉及无损检测领域，具体而言，涉及一种100kW级宽频电磁超声激励源。

背景技术

目前，石化、电力等行业存在众多高温管道、锅炉和反应器等金属设备。由于部分高温金属设备较难停机检测或停机检测成本太高，因此，迫切需求发展高温金属设备的在役检测技术。目前，常用的压电超声检测技术，由于耦合剂的挥发及压电材料本身居里温度的限制，使得它们较难对300℃以上设备进行现场有效检测。

电磁超声检测技术无需耦合剂，同时由于电磁超声检测技术的非接触特性，使得它特别适合于高温金属设备的无损检测。但是温度的升高，一方面，会引起待检材料导电、导磁特性的变化，有时会导致电-声能量转换效率降低；另一方面，也会引起声波传播特性的改变。进一步地，由于高温设备大多采用各种不锈钢材料制造，例如，400～500℃高温材料常用P11不锈钢、500～600℃高温材料常用12Cr1MoVG不锈钢，而这些材料本身的导磁特性很弱，会使得检测信号进一步衰减或信噪比降低。

目前，国内外广泛使用的电磁超声检测仪器的瞬态输出功率均在数十千瓦以下。由于现有激励源输出功率的限制，使得该技术目前对于高温金属设备检测信号信噪比较差，现有的技术中还未出现通过增大检测设备输出功率以提高检测信号信噪比的技术方案。另外，不同材料在不同温度范围适合的检测频率不一样，现有技术激励源输出信号带宽较窄。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种100kW级宽频电磁超声激励源，以至少解决现有技术中的电磁超声检测仪器的在较宽频率范围内输出功率较低的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种100kW级宽频电磁超声激励源，包括：信号发生器，用于生成第一组初始信号和第二组初始信号，其中，所述第一组初始信号和所述第二组初始信号为极性相反的信号，所述第一组初始信号中包含偶数个初始信号，所述第二组初始信号中包含偶数个初始信号；多路驱动电路，与所述信号发生器相连接，用于将所述第一组初始信号和所述第二组初始信号进行放大；多路开关电路，一路所述开关电路与一路所述驱动电路相连接，其中，所述多路开关电路依据放大之后的所述第一组初始信号和所述第二组初始信号调整运行状态，其中，所述运行状态包括导通或者关断；选频电路，所述选频电路通过所述选频电路的第一端和第二端分别与所述多路开关电路的相连接，所述选频电路的输出端与电磁超声换能器相连接，其中，所述选频电路依据所述运行状态输出目标信号，其中，所述目标信号用于激励所述电磁超声换能器在待检结构中产生超声波。

进一步地，所述多路驱动电路包括：第一组驱动电路，与所述信号发生器相连接，用于将所述第一组初始信号中的偶数个初始信号进行放大，得到第一电压信号组；第二组驱动电路，与所述信号发生器相连接，用于将所述第二组初始信号中的偶数个初始信号进行放大，得到第二电压信号组。

进一步地，所述第一组驱动电路组包括左臂高端驱动电路和右臂低端驱动电路，所述第二组驱动电路包括左臂低端驱动电路和右臂高端驱动电路。

进一步地，所述多路开关电路包括：第一开关组，与所述第一组驱动电路相连接，其中，当加载在所述第一开关组的第一端和第二端两端的所述第一电压信号组的电压值满足第一预设电压时，所述第一开关导通组；第二开关组，与所述第二组驱动电路相连接，其中，当加载在所述第二开关组的第一端和第二端两端的所述第二电压信号组的电压值满足第二预设电压时，所述第二开关组导通。

进一步地，所述第一开关组包括左臂高端开关和右臂低端开关，所述第二开关组包括左臂低端开关和右臂高端开关，其中，所述左臂高端开关包括至少一个第一场效应管，所述右臂低端开关包括至少一个第二场效应管，所述左臂低端开关包括至少一个第三场效应管，所述右臂高端开关包括至少一个第四场效应管。

进一步地，每个所述第一场效应管的漏极接高压电源电路，每个所述第一场效应管的源极与所述选频电路的左端相连接；每个所述第二场效应管源极接地，每个所述第二场效应管的漏极与所述选频电路的右端相连接；每个所述第三场效应管的源极接地，每个所述第三场效应管的漏极与所述选频电路的左端相连接；每个所述第四场效应管的漏极接高压电源电路，每个所述第四场效应管的源极与所述选频电路的右端相连接。

进一步地，所述选频电路包括第一电容和变压器，其中，所述第一电容的第一端与每个所述第一场效应管的源极和每个所述第三场效应管的漏极相连接，所述第一电容的第二端与所述变压器原边的第一端相连接，所述变压器原边的第二端与所述第二场效应管漏极和所述第四场效应管的源极相连接，所述变压器的副边与所述电磁超声换能器相连接。

进一步地，还包括：高压电源电路，所述电源电路的第一端分别与每个第一场效应管的漏极和所述每个第四场效应管的漏极相连接，所述高压电源电路的第二端接地，所述高压电源电路用于为所述选频电路提供高电压信号。

进一步地，所述多路驱动电路中每路驱动电路包括：数模隔离电路，与所述信号发生器相连接，用于隔离所述信号发生器中的数字电路对所述100kW级宽频电磁超声激励源中的模拟电路的干扰；场效应管驱动电路，分别与一路开关电路所述数模隔离电路相连接，用于向与之相连接的所述一路开关电路的输入端输出电压信号，其中，所述电压信号用于驱动所述一路场效应管导通或关断。

进一步地，所述100kW级宽频电磁超声激励源还包括：多个抑制电路，一个所述抑制电路与一路场效应管相连接，其中，所述抑制电路的第一端与所述一路场效应管的漏极相连接，所述抑制电路的第二端与所述一路场效应管的源极相连接。

进一步地，所述多个抑制电路中每个抑制电路包括第二电容、电阻和二极管，其中，所述第二电容与所述二极管串联之后并联在所述场效应管的源极和漏极，所述电阻并联在所述二极管的两端。

进一步地，所述多路开关电路中每个开关电路包括N个场效应管，其中，所述N个场效应管中每个场效应管的栅极相连接，并与所述场效应管驱动电路的输出端相连接，所述每个场效应管的漏极相连接，所述每个场效应管的源极相连接，N为大于或者等于1的正整数。

进一步地，所述信号发生器包括现场可编程门阵列。

在本实用新型实施例中，通过多路驱动电路将信号发生器生成的第一组初始信号中的偶数个初始信号和第二组初始信号中的偶数个初始信号进行放大，然后，使用放大之后的偶数个初始信号控制多路开关电路组成的桥式开关电路的运行状态，进而，通过运行状态调整选频电路的输出的目标信号，相对于现有技术中，本实用新型提供的100kW级宽频电磁超声激励源达到了增大电磁超声检测仪器的输出功率的目的，从而实现了减小电磁超声检测仪器的信噪比的技术效果，进而解决了现有技术中的电磁超声检测仪器的在较宽频率范围内输出功率较低的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种100kW级宽频电磁超声激励源的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种可选地100kW级宽频电磁超声激励源的示意图；

图3是根据本实用新型实施例的另一种可选地100kW级宽频电磁超声激励源的开关电路及选频电路部分示意图；

图4是根据本实用新型实施例的一种左臂高端驱动电路的示意图；

图5是根据本实用新型实施例的一种左臂低端驱动电路的示意图；

图6是根据本实用新型实施例的一种右臂高端驱动电路的示意图；

图7是根据本实用新型实施例的一种右臂低端驱动电路的示意图；

图8是根据本实用新型实施例的一种信号发生器的示意图；

图9是根据本实用新型实施例的一种目标信号的波形示意图；以及

图10是根据本实用新型实施例的一种可选地目标信号的波形示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

根据本实用新型实施例，提供了一种100kW级宽频电磁超声激励源的实施例。

图1是根据本实用新型实施例的一种100kW级宽频电磁超声激励源的示意图，如图1所示，该100kW级宽频电磁超声激励源包括：信号发生器101、多路驱动电路102、多路开关电路103和选频电路104，其中：

信号发生器101，用于生成第一组初始信号和第二组初始信号，其中，第一组初始信号和第二组初始信号为极性相反的信号，第一组初始信号中包含偶数个初始信号，第二组初始信号中包含偶数个初始信号。

在本实用新型实施例中，第一组初始信号和第二组初始信号均为电压信号，优选地，初始信号为有限周期性方波信号。因此，在本实用新型中，采用信号发生器按照预设频率发射有限周期方波信号，其中，发射的有限周期方波信号的频率和占空比为预先设定好的。

如图1所示，信号发生器通过端口1至端口4生成了4路初始信号，其中，端口1和端口3生成的信号为第一组初始信号，端口2和端口4生成的信号为第二组初始信号，其中，端口1和端口3生成的信号极性相同，周期相等，端口2和端口4生成的信号极性相同，周期相等，然而，端口1和端口2生成的信号极性相反，周期相等。

多路驱动电路102，与信号发生器相连接，用于将第一组初始信号和第二组初始信号进行放大。

在本实用新型实施例中，多路驱动电路102包括：第一组驱动电路和第二组驱动电路，其中，第一组驱动电路与信号发生器101相连接，用于将第一组初始信号中的偶数个初始信号进行放大，得到第一电压信号组；第二组驱动电路同样与信号发生器101相连接，用于将第二组初始信号中的偶数个初始信号进行放大，得到第二电压信号组。

具体地，如图1所示，第一组驱动电路包括左臂高端驱动电路1021和右臂低端驱动电路1023；第二组驱动电路包括左臂低端驱动电路1022和右臂高端驱动电路1024。

从图1中可以看出，左臂高端驱动电路1021接收端口1输出的信号，右臂高端驱动电路1024接收端口4输出的信号，其中，端口1输出的信号和端口4输出的信号周期相同，极性相反；左臂低端驱动电路1022接收端口2输出的信号，左臂低端驱动电路1023接收端口3输出的信号，端口2输出的信号和端口3输出的信号周期相同，极性相反，但是端口1和端口3输出的信号周期相同，极性相同。

多路开关电路103，一路开关电路与一路驱动电路相连接，其中，多路开关电路依据放大之后的第一组初始信号和第二组初始信号调整运行状态，其中，运行状态包括导通或者关断。

在本实用新型实施例中，多路开关电路103包括：第一开关组和第二开关组，具体地，第一开关组与第一驱动电路组相连接，其中，当加载在第一开关组的第一端和第二端两端的第一电压信号组的电压值满足第一预设电压时，第一开关导通组；第二开关组与第二驱动电路组相连接，其中，当加载在第二开关组的第一端和第二端两端的第二电压信号组的电压值满足第二预设电压时，第二开关组导通。

具体地，如图1所示，第一开关组包括左臂高端开关1031和右臂低端开关1033；第二开关组包括左臂低端开关1032和右臂高端开关1034，其中，左臂高端开关包括至少一个第一场效应管，右臂低端开关包括至少一个第二场效应管，左臂低端开关包括至少一个第三场效应管，右臂高端开关包括至少一个第四场效应管。具体地，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管之间的连接关系将在下述实施例中进行详细说明。

从图1中可以看出，左臂高端开关1031的输出端6分别与选频电路104的第一端12和左臂低端开关1032的输入端15相连接，左臂高端开关1031的输入端17与右臂高端开关1034的输入端18相连接，并连接在高压电源电路的输出端，右臂高端开关1034的输出端9分别与选频电路104的第二端13和右臂低端开关1033的输入端16相连接，左臂低端开关的输出端8和右臂低端开关的输出端11接地。其中，当加载在1031两端(即，5和6两端)的第一电压信号大于或者等于第一预设电压时，1031中的能量转换器件导通；当加载在1033两端(即，10和11两端)的第一电压信号大于或者等于第一预设电压时，1033中的能量转换器件导通；当加载在1032两端(即，7和8)的第二电压信号大于或者等于第二预设电压时，1032中的能量转换器件导通；当加载在1034两端(即，9和17两端)的第二电压信号大于或者等于第二预设电压时，1034中的能量转换器件导通。

从图1中可以看出，在本实用新型实施例中，上述左臂高端开关1031、左臂低端开关1032、右臂低端开关1033和右臂高端开关1034构成一个全桥式的驱动电路，当1031、1032、1033和1034交替导通时，实现选频电路输出周期性的高压脉冲方波信号(即，目标信号)。

从图1中可以看出，1021的端口5’与1031的端口5相连接，1021的端口6’与1031的端口6相连接，其中，端口6和端口6’未直接接地。因此，1021在1031两端形成悬浮驱动电路，以驱动1031的导通或者关断。

1022的端口7’与1032的端口7相连接，1022的端口8’与1032的端口8相连接，其中，端口8和端口8’直接接地，因此，1022在1031两端未形成悬浮驱动电路。

1023的端口10’与1033的端口10相连接，1023的端口11’与1033的端口11相连接，其中，端口11和端口11’直接接地。因此，1023在1033两端未形成悬浮驱动电路。

1024的端口9’与1034的端口9相连接，1024的端口17’与1034的端口17相连接，其中，端口9和端口9’未直接接地。因此，1024在1034两端形成悬浮驱动电路，以驱动1034的导通或者关断。

选频电路104，选频电路的左端和右端分别与多路开关电路的一端相连接，选频电路的输出端与电磁超声换能器相连接，其中，选频电路依据运行状态输出目标信号，其中，目标信号用于激励电磁超声换能器在待检结构中产生超声波。

在本实用新型实施例中，通过多路驱动电路将信号发生器生成的第一组初始信号中的偶数个初始信号和第二组初始信号中的偶数个初始信号进行放大，然后，使用放大之后的偶数个初始信号控制多路开关电路组成的桥式开关电路的运行状态，进而，通过运行状态调整选频电路的输出的目标信号，其中，输出的目标信号为高电压信号，相对于现有技术中，本实用新型提供的100kW级宽频电磁超声激励源达到了增大电磁超声检测仪器的输出功率的目的，从而实现了减小电磁超声检测仪器的信噪比的技术效果，进而解决了现有技术中的电磁超声检测仪器的在较宽频率范围内输出功率较低的技术问题。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，信号发生器101又可以称为主控电路。

具体地，如图1所示的100kW级宽频电磁超声激励源的工作原理如下：

在本实用新型实施例中，主控电路用于发射四路有限周期性方波信号，其中，周期性方波信号的发射频率和周期为预先设定的，其中，端口1和端口3输出的周期性方波信号的极性相同，端口2和端口4输出的周期性方波信号的极性相同。端口1和端口3输出的方波信号分别为左臂高端驱动电路1021和右臂低端驱动电路1023提供两路周期性方波信号；端口2和端口4输出的方波信号分别为左臂低端驱动电路1022和右臂高端驱动电路1024提供的两路周期性方波信号极性相同，其中，为左臂高端驱动电路和左臂低端驱动电路提供方波信号的极性必须相反，为右臂高端驱动电路和右臂低端驱动电路提供方波信号的极性也必须相反。

左臂高端驱动电路1021主要用于将输入其中的一路周期方波信号(即，端口1输出的初始信号)进行功率放大，并将功率放大后的驱动信号直接加载在左臂高端开关1031的输入级和选频电路104的左端；右臂低端驱动电路1023主要用于将输入其中的一路周期方波信号(即，端口3输出的初始信号)进行功率放大，并将功率放大后的驱动信号直接加载在右臂低端开关1033的输入级和地电位之间。右臂高端驱动电路1024主要用于将输入其中的一路反极性多个周期方波信号(即，端口4输出的初始信号)进行功率放大，并将功率放大后的驱动信号直接加载在右臂高端开关1034的输入级和选频电路104的右端；左臂低端驱动电路1022主要用于将输入其中的一路反极性多个周期方波信号(即，端口2输出的初始信号)进行功率放大，并将功率放大后的驱动信号直接加载在左臂低端开关1032的输入级和地电位之间。

在本实用新型实施例中，左臂高端开关、右臂高端开关、左臂低端开关和右臂低端开关中均包含能量转换器件。由于端口1输出的初始信号和端口2输出的初始信号的极性相反，因此，当左臂高端开关和右臂低端开关中的能量转换器件导通时，左臂低端开关和右臂高端开关中的能量转换器件关断；相反地，当左臂高端开关和右臂低端开关中的能量转换器件关断时，左臂低端开关和右臂高端开关中的能量转换器件导通。

具体地，左臂高端驱动电路1021输出的高电平信号(即，一路第一电压信号)控制左臂高端开关1031中的能量转换器件的导通，使得选频电路104的第一端12与高压电源在此期间导通。同时，右臂低端驱动电路1023输出的高电平信号(即，另一路第一电压信号)控制右臂低开关1033中的能量转换器件导通，使得选频电路104的第二端13与地电位在此期间导通。

当1031和1033导通时，选频电路将来自左臂高端开关中能量转换器件的高电压脉冲与来自右臂低端开关中能量转换器件的低电位分别加载在选频电路网络的左右端，进而，从选频电路的输出端口为电磁超声换能器105的输出端口提供高电压信号(即，目标信号)。

上述右臂高端驱动电路1024输出的高电平信号(即，一路第二电压信号)控制右臂高端开关1034中的能量转换器件导通，使得选频电路104第二端13与电源电路106在此期间导通。同时，左臂低端驱动电路1022输出的高电平信号(即，另一路第二电压信号)控制左臂低端开关1032中的能量转换器件导通，使得选频电路104的第一端12与地电位在此期间导通。

当1032和1034导通时，选频电路将来自右臂高端开关1034中能量转换器件的高电压脉冲与来自左臂低端开关1032中的能量转换器件输出的低电位分别加载在选频电路的右左输入端，并从选频电路的输出端口为电磁超声换能器的输出端口提供地电位。

作为本实用新型实施例的一个可选实施方式中，可以将图1等效为如图2的电路图，图2是根据本实用新型实施例的另一种可选地100kW级宽频电磁超声激励源的示意图。

在本实用新型的一个可选实施方式中，多路开关电路中每个开关电路包括场效应管，其中，场效应管的栅极与驱动电路的输出端相连接。

在本实用新型的另一个可选实施方式中，多路开关电路中的第一开关组包括左臂高端开关和右臂低端开关，多路开关电路中的第二开关组包括左臂低端开关和右臂高端开关，其中，左臂高端开关包括至少一个第一场效应管，右臂低端开关包括至少一个第二场效应管，左臂低端开关包括至少一个第三场效应管，右臂高端开关包括至少一个第四场效应管。也即，每个开关电路包括N个场效应管，其中，N个场效应管中每个场效应管的栅极相连接，并与驱动电路的输出端相连接，每个场效应管的漏极相连接，每个场效应管的源极相连接，N为大于或者等于1的正整数。也就是说，在本实用新型实施例中，多路驱动电路中的每个驱动电路可以由一个场效应管组成，还可以由N个场效应管并联而成。

在如图2所示的100kW级宽频电磁超声激励源中，以每个开关电路中包含一个场效应管为例进行说明，具体地，上述左臂高端开关即为图2中的M1，左臂低端开关即为图2中的M2，右臂高端开关即为图2中的M3，右臂低端开关即为图2中的M4。

从图2中可以看出，每个第一场效应管(例如，M1)的漏极接高电压，每个所述第一场效应管(例如，M1)的源极与选频电路的第一端相连接；每个第二场效应管(例如，M4)源极接地，每个第二场效应管(例如，M4)的漏极与选频电路的第二端相连接；每个第三场效应管的源极接地，每个第三场效应管(例如，M2)的漏极与选频电路的左端相连接；每个第四场效应管(例如，M3)的漏极接高电压，每个第四场效应管(例如，M3)的源极与选频电路的右端相连接。通过图2可知，M1和M3的源极并未直接接地，而是接在了选频电路的两端，然而，M2和M4的源极直接接在地端。

在本实用新型的另一个可选实施方式中，100kW级宽频电磁超声激励源还包括：多个抑制电路，一个抑制电路与一路场效应管相连接，其中，抑制电路的第一端与一路场效应管的漏极相连接，抑制电路的第二端与一路场效应管的源极相连接。

进一步地，多个抑制电路中每个抑制电路包括第二电容、电阻和二极管，其中，第二电容与二极管串联之后并联在场效应管的源极和漏极，电阻并联在二极管的两端。

如图2所示，与场效应管M1相连接的抑制电路由第二电容C1、电阻R1和二极管D1组成；与场效应管M2相连接的抑制电路由第二电容C2、电阻R2和二极管D2组成；与场效应管M3相连接的抑制电路由第二电容C3、电阻R3和二极管D3组成；与场效应管M4相连接的抑制电路由第二电容C4、电阻R4和二极管D4组成。

在本实用新型的一个可选实施方式中，选频电路包括：第一电容和变压器，其中，第一电容的第一端与左臂高端开关的输出端相连接，第一电容的第二端与变压器原边的第一端相连接，变压器原边的第二端与右臂高端开关的输出端相连接，变压器的副边与电磁超声换能器相连接。

如图2所示，选频电路包括第一电容C5和变压器TX，其中，第一电容C5的第一端与M1的源极相连接，第一电容C5的第二端与变压器TX的原边的第一端相连接，变压器原边的第二端与M3的源极相连接，变压器的副边与负载(Load)相连接。

如图2所示的100kW级宽频电磁超声激励源的工作原理如下：

图1中信号发生器101和左臂高端驱动电路1021处理之后输出的第一电压信号可等效为图2中驱动源V1发射的周期性方波信号。图1中信号发生器101和左臂低端驱动电路1022处理之后输出的第二电压信号可等效为驱动源V2发射的周期性方波信号。图1中信号发生器101和右臂高端驱动电路1023处理之后输出的第二电压信号可等效为图2中驱动源V3发射的周期性方波信号；图1中信号发生器101和右臂低端驱动电路1024处理之后输出的第一电压信号可等效为图2中驱动源V4发射的周期性方波信号。需要说明的是，上述驱动源V1、驱动源V2、驱动源V3和驱动源V4均为理想驱动源。

在如图2所示的100kW级宽频电磁超声激励源中，M1，M2，M3和M4均选取为N沟道功率场效应管。在图2中，由D1、C1、R1构成的抑制电路又可以称为高端尖峰抑制电路，该高端尖峰抑制电路用于抑制能量转换器件M1开关特性带来的尖峰抖动。由D2、C2、R2构成的抑制电路有可以称为低端尖峰抑制电路，该低端尖峰抑制电路用于抑制能量转换器件M2开关特性带来的尖峰抖动。由D3、C3、R3构成的抑制电路又可以称为高端尖峰抑制电路，该高端尖峰抑制电路用于抑制能量转换器件M3开关特性带来的尖峰抖动。由D4、C4、R4构成的抑制电路又可以称为低端尖峰抑制电路，该低端尖峰抑制电路用于抑制能量转换器件M4开关特性带来的尖峰抖动。

从图2中可以看出，V1的低压输出端悬浮加载在选频电路104的左端(即，第一电容C5的第一端)和场效应管M1的源极，V1的高压输出端加载在N沟道功率场效应管M1的栅极，由于M1的源极未直接接地，因此，驱动源V1形成悬浮驱动，并以悬浮驱动的方式的驱动场效应管M1。当V1输出周期性方波中的高电平驱动信号(即，第一初始信号)时，在N沟道功率场效应管M1的栅极和源极形成一定的压差(即，第一预设电压)，使得N沟道功率场效应管M1的漏极和源极导通，并将C5的一端经M1的导通电阻与高压电源VH导通，从而为选频电路左输入端提供高压。同时，V4的低压输出端应连接地平面，V4的高压输出端加载在N沟道功率场效应管M4的栅极，V4输出的周期性方波中的高电平驱动信号在N沟道功率场效应管M4的栅极和源极形成一定的压差(即，第一预设电压)，使得N沟道功率场效应管M4的漏极和源极导通，将选频电路的右输入端经M4的导通电阻与地电位导通，从而为选频电路右输入端提供较低电位，此时，场效应管M2、M3应处于关闭状态。

综上，在M1、M4导通，而M2、M3关闭期间，选频电路左端的高压和右端的低压将在电容C5的另一端和变压器TX的原边第1端形成近似2倍于选频网络左端的高压，而变压器TX的原边第2端为较低电压，从而在变压器副边感应出略低于2倍于选频网络左输入端的高压信号的高电压。

从图2中可以看出，V3的低压输出端悬浮加载在选频电路的右输入端(即，变压器TX原边的第二端)和场效应管M3的源极，V3的高压输出端加载在N沟道功率场效应管M3的栅极，由于M3的源极未直接接地，因此，驱动源V3形成悬浮驱动，并以悬浮驱动的方式的驱动场效应管M3。当V3输出周期性方波中的高电平驱动信号(即，第二初始信号)时，在N沟道功率场效应管M3的栅极和源极形成一定的压差(即，第二预设电压)，使得N沟道功率场效应管M3的漏极和源极导通，并将选频电路的右输入端经M3的导通电阻与高压电源VH导通，从而为选频电路右输入端提供高压。同时，V2的低压输出端应连接地平面，V2的高压输出端加载在N沟道功率场效应管M2的栅极，V2输出的周期性方波中的高电平驱动信号在N沟道功率场效应管M2的栅极和源极形成一定的压差(即，第二预设电压)，使得N沟道功率场效应管M2的漏极和源极导通，将选频电路的左端经M2的导通电阻与地电位导通，从而为选频电路左端提供较低电位，此时，场效应管M1、M4应处于关闭状态。

综上，在M2、M3导通，而M1、M4关闭期间，选频电路右端的高压和左端的低压将在变压器TX原边的第1端、第2端形成电位相等的高压，从而在变压器副边感应出的电压差近似为零。

在本实用新型的一个可选实施方式中，图1中所示的100kW级宽频电磁超声激励源还可以等效为图3至图7中所示的100kW级宽频电磁超声激励源，下面将结合图3至图7对本实用新型实施例进行说明。图3是根据本实用新型实施例的另一种可选地100kW级宽频电磁超声激励源的开关电路及选频电路部分示意图。图4是根据本实用新型实施例的一种左臂高端驱动电路的示意图。图5是根据本实用新型实施例的一种左臂低端驱动电路的示意图。图6是根据本实用新型实施例的一种右臂高端驱动电路的示意图。图7是根据本实用新型实施例的一种右臂低端驱动电路的示意图。

在本实用新型的一个可选实施方式中，多路驱动电路中每路驱动电路包括：数模隔离电路，与信号发生器相连接，用于隔离信号发生器中的数字电路对100kW级宽频电磁超声激励源中的模拟电路的干扰；场效应管驱动电路，分别与一路开关电路数模隔离电路相连接，用于向与之相连接的一路开关电路的输入端输出电压信号，其中，电压信号用于驱动一路场效应管导通或关断。

通过上述描述可知，在本实用新型实施例中，多路驱动电路包括左臂高端驱动电路，右臂高端驱动电路，左臂低端驱动电路，右臂低端驱动电路。

如图4所示的即为左臂高端驱动电路的示意图，如图4所示，左臂高端驱动电路包括：数模隔离电路ISO_L_H和场效应管驱动电路DRIVER_L_H。其中，数模隔离电路ISO_L_H通过管脚2与信号发生器相连接，用于隔离放大信号发生器中的数字电路对后续模拟电路的干扰；然后数模隔离电路ISO_L_H通过管脚6将隔离之后的第一初始信号输入至场效应管驱动电路DRIVER_L_H中。进而，场效应管驱动电路DRIVER_L_H就可以通过管脚7输出第一电压信号至与之连接场效应管中(即，如图3中DRV_L_H网络接口所示的端口)，以驱动与之连接场效应管的导通或者关断。从图4中可以看出，数模隔离电路ISO_L_H的管脚7和管脚5，与场效应管驱动电路DRIVER_L_H的管脚4、管脚5和管脚6相连接，均连接在网络标号Floating_L_GND所示的接口中，其中，Floating_L_GND接口是悬浮接地接口，用于实现悬浮驱动。需要说明的是，在本实用新型实施例中，图4中ISO_L_H的管脚4与数字接地端相连接。

如图5所示的即为左臂低端驱动电路的示意图，如图5所示，左臂低端驱动电路包括：数模隔离电路ISO_L_L和场效应管驱动电路DRIVER_L_L。其中，数模隔离电路ISO_L_L通过管脚2与信号发生器相连接，用于隔离放大信号发生器中的数字电路对后续模拟电路的干扰；然后数模隔离电路ISO_L_L通过管脚6将隔离之后的第二初始信号输入至场效应管驱动电路DRIVER_L_H中。进而，场效应管驱动电路DRIVER_L_L就可以通过管脚7输出第二电压信号至与之连接场效应管中(即，如图3中DRV_L_L网络接口所示的端口)，以驱动与之连接场效应管的导通或者关断。从图5中可以看出，数模隔离电路ISO_L_L的管脚7和管脚5，与场效应管驱动电路DRIVER_L_H的管脚4、管脚5和管脚6相连接，均直接接模拟地。需要说明的是，在本实用新型实施例中，图5中ISO_L_L的管脚4与数字接地端相连接。

如图6所示的即为右臂高端驱动电路的示意图，如图6所示，右臂高端驱动电路包括：数模隔离电路ISO_R_H和场效应管驱动电路DRIVER_R_H。其中，数模隔离电路ISO_R_H通过管脚2与信号发生器相连接，用于隔离放大信号发生器中的数字电路对后续模拟电路的干扰；然后数模隔离电路ISO_R_H通过管脚6将隔离之后的第二初始信号输入至场效应管驱动电路DRIVER_R_H中。进而，场效应管驱动电路DRIVER_R_H就可以通过管脚7输出第一电压信号至与之连接场效应管中(即，如图3中DRV_R_H网络接口所示的端口)，以驱动与之连接场效应管的导通或者关断。从图6中可以看出，数模隔离电路ISO_R_H的管脚7和管脚5，与场效应管驱动电路DRIVER_R_H的管脚4、管脚5和管脚6相连接，均连接在网络标号Floating_R_GND所示的接口中，其中，Floating_R_GND接口是悬浮接地接口，用于实现悬浮驱动。需要说明的是，在本实用新型实施例中，图6中ISO_R_H的管脚4与数字接地端相连接。

如图7所示的即为右臂低端驱动电路的示意图，如图7所示，右臂低端驱动电路包括：数模隔离电路ISO_R_L和场效应管驱动电路DRIVER_R_L。其中，数模隔离电路ISO_R_L通过管脚2与信号发生器相连接，用于隔离放大信号发生器中的数字电路对后续模拟电路的干扰；然后数模隔离电路ISO_R_L通过管脚6将隔离之后的第二初始信号输入至场效应管驱动电路DRIVER_R_H中。进而，场效应管驱动电路DRIVER_R_L就可以通过管脚7输出第二电压信号至与之连接场效应管中(即，如图3中DRV_R_L网络接口所示的端口)，以驱动与之连接场效应管的导通或者关断。从图7中可以看出，数模隔离电路ISO_R_L的管脚7和管脚5，与场效应管驱动电路DRIVER_R_H的管脚4、管脚5和管脚6相连接，均直接接模拟地。需要说明的是，在本实用新型实施例中，图7中ISO_R_L的管脚4与数字接地端相连接。

如图8所示的为信号发生器的示意图，从图8中可以看出，在本实用新型实施例中，信号发生器选取的为现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA的四个端口IO1至IO4用于输出四路信号，其中，通过端口IO1和IO4输出的信号即为第一组初始信号，通过端口IO2和IO3输出的信号即为第二组初始信号。图8中的网络标号IN_L_H表示该端口与图4中的网络标号IN_L_H相连接，图8中的网络标号IN_L_L表示该端口与图5中的网络标号IN_L_L相连接，图8中的网络标号IN_R_H表示该端口与图6中的网络标号IN_R_H相连接，图8中的网络标号IN_R_L表示该端口与图7中的网络标号IN_R_L相连接。

当FPGA作为信号发生器时，图8中所示的4个IO口输出4路周期性方波信号，其中，端口IO1和端口IO4输出的信号的极性相同，端口IO2和端口IO3输出的信号的极性相同，并且端口IO1至端口IO4输出的方波信号的周期相同，但IO1、IO2输出方波信号的极性必须相反。

如图3所示，左臂高端开关包含高端开关器件，其中，高端开关器件(即，能量转换器件)选取为N沟道的功率场效应管M1；由D1、C1、R1构成的电路为高端尖峰抑制电路。左臂低端开关包含低端开关器件，其中，低端开关器件(即，能量转换器件)选取为N沟道的功率场效应管M2；由D2、C2、R2构成的电路为低端尖峰抑制电路。右臂高端开关包含高端开关器件，其中，高端开关器件(即，能量转换器件)选取为N沟道的功率场效应管M3；由D3、C3、R3构成的电路为高端尖峰抑制电路。右臂低端开关包含低端开关器件，其中，低端开关器件(即，能量转换器件)选取为N沟道的功率场效应管M4；由D4、C4、R4构成的电路为低端尖峰抑制电路；电容C5和变压器TX组成选频网络；Load为电磁超声传感器等效负载。

当FPGA的IO1、IO4发送相同频率、相同极性的周期性方波信号，而IO2、IO3发送频率相同，但与IO1发送的信号极性相反的方波信号时，为便于计算整个电路的输出功率，在本实用新型实施例中，选取8Ω的大功率电阻作为负载。当FPGA输出的信号频率为1MHz、8MHz时，负载Load的输出电压分别如图9和图10所示。从图9和图10可知，输出的电压幅值(即，目标信号的幅值)最高可达920V，其最大瞬态输出功率均最大可达100kW。因此，采用本实用新型实施例中提出的100kW级宽频电磁超声激励源，可以实现输出的最大功率为100kW，为提高该技术对高温金属设备的在役检测提供仪器支撑。

为了增大100kW级宽频电磁超声激励源的输出功率，在本实用新型采用由N沟道场效应管构成的全桥结构(即，上述高端开关组和低端开关组)作为激励源输出级，可将100kW级宽频电磁超声激励源的输出功率增大至100kW。

为了提高100kW级宽频电磁超声激励源输出信号的频率，本实用新型采用数模隔离电路以实现上述电路中数字部分和模拟部分的隔离，同时，在采用高速驱动电路实现的全桥结构中，由于N沟道场效应管的快速驱动可有效拓展100kW级宽频电磁超声激励源输出的高压脉冲信号的带宽。

总结起来，本实用新型实施例提供的100kW级宽频电磁超声激励源主要包括以下优点：

从增大输出功率角度，本实用新型实施例采用由N沟道场效应管构成的全桥结构作为激励源输出级。由于N沟道场效应管导通电阻小，在开关电路部分消耗的功率小，因此，N沟道场效应管漏源极可承受高达数百安培的瞬态电流。进一步地，通过设置合适的电源电路的电压，可将100kW级宽频电磁超声激励源的输出功率增大至100kW以上，以解决现有技术所制作的激励源输出功率相对较小的问题。

从提高输出信号频率的角度，采用数模隔离电路实现数字电路部分和模拟电路部分的隔离，可有效减小数字信号对模拟电路部分的干扰，采用场效应管高速驱动电路实现全桥结构中N沟道场效应管的快速驱动，可有效拓展输出高压脉冲信号的带宽。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，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原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (13)

1.一种100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，包括：

信号发生器，用于生成第一组初始信号和第二组初始信号，其中，所述第一组初始信号和所述第二组初始信号为极性相反的信号，所述第一组初始信号中包含偶数个初始信号，所述第二组初始信号中包含偶数个初始信号；

多路驱动电路，与所述信号发生器相连接，用于将所述第一组初始信号和所述第二组初始信号进行放大；

多路开关电路，一路所述开关电路与一路所述驱动电路相连接，其中，所述多路开关电路依据放大之后的所述第一组初始信号和所述第二组初始信号调整运行状态，其中，所述运行状态包括导通或者关断；

选频电路，所述选频电路通过所述选频电路的第一端和第二端分别与所述多路开关电路的相连接，所述选频电路的输出端与电磁超声换能器相连接，其中，所述选频电路依据所述运行状态输出目标信号，其中，所述目标信号用于激励所述电磁超声换能器在待检结构中生成超声波。

2.根据权利要求1所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述多路驱动电路包括：

第一组驱动电路，与所述信号发生器相连接，用于将所述第一组初始信号中的偶数个初始信号进行放大，得到第一电压信号组；

第二组驱动电路，与所述信号发生器相连接，用于将所述第二组初始信号中的偶数个初始信号进行放大，得到第二电压信号组。

3.根据权利要求2所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述第一组驱动电路组包括左臂高端驱动电路和右臂低端驱动电路，所述第二组驱动电路包括左臂低端驱动电路和右臂高端驱动电路。

4.根据权利要求2所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述多路开关电路包括：

第一开关组，与所述第一组驱动电路相连接，其中，当加载在所述第一开关组的第一端和第二端两端的所述第一电压信号组的电压值满足第一预设电压时，所述第一开关导通组；

第二开关组，与所述第二组驱动电路相连接，其中，当加载在所述第二开关组的第一端和第二端两端的所述第二电压信号组的电压值满足第二预设电压时，所述第二开关组导通。

5.根据权利要求4所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述第一开关组包括左臂高端开关和右臂低端开关，所述第二开关组包括左臂低端开关和右臂高端开关，其中，所述左臂高端开关包括至少一个第一场效应管，所述右臂低端开关包括至少一个第二场效应管，所述左臂低端开关包括至少一个第三场效应管，所述右臂高端开关包括至少一个第四场效应管。

6.根据权利要求5所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，每个所述第一场效应管的漏极接高电压，每个所述第一场效应管的源极与所述选频电路的左端相连接；每个所述第二场效应管源极接地，每个所述第二场效应管的漏极与所述选频电路的右端相连接；每个所述第三场效应管的源极接地，每个所述第三场效应管的漏极与所述选频电路的左端相连接；每个所述第四场效应管的漏极接高电平，每个所述第四场效应管的源极与所述选频电路的右端相连接。

7.根据权利要求5所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述选频电路包括第一电容和变压器，其中，所述第一电容的第一端与每个所述第一场效应管的源极和每个所述第三场效应管的漏极相连接，所述第一电容的第二端与所述变压器原边的第一端相连接，所述变压器原边的第二端与所述第二场效应管漏极和所述第四场效应管的源极相连接，所述变压器的副边与所述电磁超声换能器相连接。

8.根据权利要求5所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，还包括：

高压电源电路，所述高压电源电路的第一端分别与每个第一场效应管的漏极和所述每个第四场效应管的漏极相连接，所述高压电源电路的第二端接地，所述电源电路用于为所述选频电路提供高电压信号。

9.根据权利要求5所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述多路驱动电路中每路驱动电路包括：

数模隔离电路，与所述信号发生器相连接，用于隔离所述信号发生器中的数字电路对所述100kW级宽频电磁超声激励源中的模拟电路的干扰；

场效应管驱动电路，分别与一路开关电路所述数模隔离电路相连接，用于向与之相连接的所述一路开关电路的输入端输出电压信号，其中，所述电压信号用于驱动所述一路开关电路导通或关断。

10.根据权利要求9所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述100kW级宽频电磁超声激励源还包括：

多个抑制电路，一个所述抑制电路与一路场效应管相连接，其中，所述抑制电路的第一端与所述一路场效应管的漏极相连接，所述抑制电路的第二端与所述一路场效应管的源极相连接。

11.根据权利要求10所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述多个抑制电路中每个抑制电路包括第二电容、电阻和二极管，其中，所述第二电容与所述二极管串联之后并联在所述场效应管的源极和漏极，所述电阻并联在所述二极管的两端。

12.根据权利要求8所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述多路开关电路中每个开关电路包括N个场效应管，其中，所述N个场效应管中每个场效应管的栅极相连接，并与所述场效应管驱动电路的输出端相连接，所述每个场效应管的漏极相连接，所述每个场效应管的源极相连接，N为大于或者等于1的正整数。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的100kW级宽频电磁超声激励源，其特征在于，所述信号发生器包括现场可编程门阵列。