雙門選超聲波收發(fā)模擬電路的設計

李卞俊,楊　錄,張艷花

(中北大學 信息與通信工程學院,山西 太原　030051)

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雙門選超聲波收發(fā)模擬電路的設計

李卞俊,楊錄,張艷花

(中北大學 信息與通信工程學院,山西 太原030051)

摘要針對現有模擬板中存在冗余的電容導致建波信號拖尾較長,致使超聲信號經模擬板處理后分辨率低的問題,提出了一種以差分接收、雙門選回波處理硬件電路設計。在檢波放大之前設計一個門選電路,直接從全波信號中選取缺陷信號,避免了界面波經過檢波放大電路后,形成拖尾淹沒缺陷信號,提高了接收電路信號的可靠性。文中從硬件方面介紹了接收電路的調整。實驗表明,電路性能穩(wěn)定、精度高、成本低,并具有良好的應用前景。

關鍵詞超聲波收發(fā);差分接收;雙門選;高精度

Design of Double-gated Ultrasonic Analog Circuits

LI Bianjun,YANG Lu,ZHANG Yanhua

(School of Information and Communication Engineering,North Central University,Taiyuan 03005,China)

AbstractA hardware circuit design characterized by differential-receiving,double-gated and peak-keeping is proposed for the long tail of detection signals and the low resolution of ultrasonic signals caused by redundancy capacitors existing in the analog board.Flaw signals are selected from the full-wave signal by designing a gate-select circuit in front of the detecting circuit to remove the tail of detection signal effectively and improve the reliability of ultrasonic signal.This article introduces the adjustment of receiving circuit in terms of hardware.The experiment shows the system has stable performance,high precision,and large range,and with a broad application prospect.

Keywordsreceive and dispatch of ultrasonic;differential receiver;double-gated;high-precision

超聲探傷是利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法[1]。

在超聲探傷系統(tǒng)中,超聲收發(fā)模擬電路設計的好壞直接影響回波信號的可靠性和超聲探傷系統(tǒng)的精度,所以超聲收發(fā)模擬電路在超聲探傷系統(tǒng)中起著重要的作用。針對現有模擬板中存在冗余的電容導致建波信號拖尾較長,致使超聲信號經模擬板處理后分辨率低的缺點,設計了一種高精度、高分辨率的超聲波發(fā)射接收電路。

1超聲波檢測方法

超聲波探傷方法按原理分類,可分為脈沖發(fā)射法、穿透法和共振法,脈沖反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法[2]。本系統(tǒng)采用缺陷回波法進行探傷,缺陷回波法是通過測量由探頭產生的超聲短脈沖信號,經過材料缺陷或厚度產生回波,再回到探頭所需的時間來計算的,計算公式如下[3]

(1)

式中,δ為被測鋼管的缺陷位置或厚度;v為超聲波在鋼體中的傳播速度;t為所測得的往返時間。

在檢測過程中,探頭會接收到多個波,包括始發(fā)波、水鋼界面波、鋼底波以及可能存在的傷波[4],如圖1所示,調整合適門選信號,選出存在的缺陷信號,根據缺陷信號進行判傷。

圖1　回波信號特征與門選信號時序關系

2超聲探傷系統(tǒng)結構

超聲波通過發(fā)射電路發(fā)射超聲波至待檢測試件處,由接收電路接收反射全波,經接收電路處理取出檢波信號和峰保信號,最終通過FPGA連接到計算機,并在Visual Studio 2013環(huán)境中采樣C++編寫上位機顯示出波形及波形特性,得出是否有缺陷的結論。

圖2　超聲探傷系統(tǒng)結構示意圖

3超聲波發(fā)射電路的設計

超聲波的發(fā)射電路是在發(fā)射窄脈沖控制之下,產生激勵超聲探頭的高壓控制信號,從而實現了超聲波發(fā)射[5]。

3.1窄脈沖信號的產生

窄脈沖信號是通過555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)電路和RC組成的微分電路產生的,該電路是將5 V的矩形脈沖變成10 V的窄脈沖信號。

3.2超聲波發(fā)射電路

超聲波探頭中的壓電晶片具有壓電效應,當高頻電脈沖激勵壓電晶片時,發(fā)生逆壓電效應,將電能轉換為聲能(機械能),探頭發(fā)射超聲波。當探頭接收超聲波時,發(fā)生正壓電效應,將聲能轉換為電能[6]。在實際

的超聲探傷中,通常是將幾百伏的高電壓窄脈沖信號加到超聲探頭上,激勵超聲探頭的壓電晶片振動,使其發(fā)射超聲波。

4超聲波接收電路的設計

現有的超聲接收電路將接收的全波信號放大后直接進行檢波放大,導致檢波信號中水鋼界面波的拖尾較長,若缺陷波和界面波相鄰較近,易造成缺陷波淹沒在界面波中,大幅降低了回波信號的可靠性和探傷的靈敏度,文中提出的雙門選電路將解決這一問題。

4.1差分接收電路

由于生產車間環(huán)境復雜、PLC控制系統(tǒng)影響以及電機干擾,導致采回的信號會存在噪聲,為提高接收電路的抗干擾能力,采用差分放大器AD830接收回波信號。電路如圖3所示,HSMS-2822是兩個二極管,提供輸入保護。AD830可提供增益>1的差動放大,差分連接輸入信號,增益通過反饋電阻確定[7]。圖中的放大倍數約為10倍

(2)

輸出電壓為

(3)

圖3　差分接收電路

4.2門選電路1

由于現有的超聲接收電路是將全波信號放大后直接經檢波放大電路,造成檢波信號中界面波拖尾較長。本文提出在檢波信號之前添加一個門選電路,先將缺陷信號選出再經過檢波放大,這樣就有效避免了界面波在檢波信號中被放大造成拖尾,可較好地去除界面波對判傷精度的影響。電路如圖4所示,門選芯片采用雙電源供電的單刀雙擲模擬開關ADG419,當MK1信號為高時,輸出信號VG為低電平,當MK1信號為低時,輸出信號VG為VE信號,可由門選信號MK1控制,選出缺陷信號。

圖4　門選電路1

4.3雙向檢波放大電路

接收電路采樣雙向檢波再經AD830差分放大,保證模擬電路的抗干擾能力。將正峰檢波輸出和負峰檢波輸出共同輸入到差分放大器AD830進行差分放大。

4.4門選電路2

為保證缺陷信號的可靠性,在檢波信號后再加一個門選電路,如圖5所示,可將缺陷信號清晰有效地選出,利于有效地判傷。門選芯片采用單電源供電的單刀雙擲模擬開關ISL84544。

圖5　門選電路2

4.5峰值保持電路

峰值保持電路用來獲取通過門選電路的輸入信號的最大峰值[8],并保持最大峰值直到電路被復位,系統(tǒng)讀取回波信號最大峰值的電壓來判定是否有缺陷。采用具有通頻帶寬、響應速度快、線性度好以及峰值保持精度高等優(yōu)點的 PKD01峰值保持器[9]。

5結果對比與分析

圖6和圖5設置參數相同,增益均為25 dB,從圖6中可看出,現有的超聲接收電路在經檢波放大后界面波的拖尾較長,缺陷波淹沒在界面波中,經采樣后不能區(qū)分。

圖6　常規(guī)超聲收發(fā)電路信號

如圖7所示,由于在檢波電路前端設計了門選電路,全波信號經門選電路后不存在界面波,只存在傷波,界面波不會對缺陷波造成干擾。

圖7　雙門選超聲收發(fā)電路信號

6結束語

在實驗調試過程中發(fā)現,當缺陷信號離界面波較近時,現有的超聲接收模擬電路無法有效地去除界面波對缺陷波影響,直接降低了判傷的靈敏度。本文提

出了雙門選電路設計,在檢波放大之前設計一個門選電路,直接從全波信號中選取缺陷信號,避免了界面波經檢波放大電路后形成拖尾淹沒缺陷信號,提高了超聲系統(tǒng)的判傷精度。另外,采用差分接收電路和帶通濾波器也提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,在超聲探傷領域有著良好的應用前景。

參考文獻

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中圖分類號TN713

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)03-151-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.039

作者簡介:李卞俊(1990—),男,碩士研究生。研究方向:超聲無損檢測與信號處理。

收稿日期:2015- 08- 05