數(shù)字超聲波探傷儀發(fā)射電路的參數(shù)分析

詹湘琳，石志超

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津300300）

數(shù)字超聲波探傷儀發(fā)射電路的參數(shù)分析

詹湘琳，石志超

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津300300）

通過介紹數(shù)字探傷儀內(nèi)部電路系統(tǒng)的組成和具體的性能指標，進一步分析研究超聲發(fā)射電路的工作原理和參數(shù)要求。在理論推導基礎上，詳細分析電路中電阻、電容和激勵脈沖之間的關系。對發(fā)射電路進行了仿真和測試，結果表明設計的發(fā)射電路能夠產(chǎn)生理想的激勵脈沖，具有實用價值。

超聲波探傷儀；發(fā)射電路；系統(tǒng)性能；電阻電容；激勵脈沖

超聲無損檢測是工業(yè)無損檢測中最常用的一種檢測方法，數(shù)字式超聲探傷儀具有攜帶方便和能夠保存檢測結果的優(yōu)點，因而被越來越多地用于超聲無損檢測場合。數(shù)字式超聲探傷儀是在傳統(tǒng)超聲探傷儀的基礎上，把發(fā)射、接收電路的參數(shù)控制和接收信號的處理、顯示均數(shù)字化，不僅保留了傳統(tǒng)檢測儀的基本功能，而且增加了數(shù)字化帶來的數(shù)據(jù)測量、顯示、存儲與輸出功能。近年來，數(shù)字式儀器發(fā)展很快，有替代模擬式儀器的趨勢[1]。

1 超聲波探傷系統(tǒng)和性能指標

數(shù)字式超聲波探傷系統(tǒng)由超聲波探頭、發(fā)射電路、限幅電路、一級放大電路、程控放大電路、濾波電路、高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器TMS320F28335和輸入輸出設備等組成，其電路框圖如圖1所示。

探傷系統(tǒng)的基本原理[2]是：TMS320F28335產(chǎn)生頻率可調(diào)的觸發(fā)脈沖，控制發(fā)射電路產(chǎn)生激勵脈沖加載到探頭上，探頭發(fā)出的超聲波進入試件中在工件表面和缺陷處發(fā)生反射，反射的回波由已停止激振的原探頭接收，轉(zhuǎn)變成電脈沖給接收電路，經(jīng)過限幅、放大、濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號。TMS320F28335實時采集和存儲A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的信號，采集完成后調(diào)用缺陷檢測算法程序，對回波信號進行處理后得出被測物缺陷特征，將繪制出的波形和處理結果輸出到顯示屏或打印機。TMS320F28335為整個系統(tǒng)的核心，通過程序協(xié)調(diào)各部分的工作。

圖1 數(shù)字式超聲波探傷系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of digital ultrasonic inspection

超聲波探傷儀的性能決定了檢測質(zhì)量，在脈沖回波法超聲探傷儀中，發(fā)射電路是最關鍵的一部分，與發(fā)射電路有關的系統(tǒng)性能指標主要有縱向分辨率、靈敏度和盲區(qū)[3]。

1）縱向分辨率代表了垂直方向上系統(tǒng)辨別相鄰而不連續(xù)缺陷的能力。系統(tǒng)的縱向分辨率d和探頭的中心頻率f0、波速c以及振蕩周期個數(shù)N的關系為

縱向分辨率與探頭發(fā)出的脈沖超聲長度成正比，發(fā)射電路的激勵脈沖寬度越窄，其頻帶就會越寬，激勵探頭產(chǎn)生的脈沖超聲波就會越短，縱向分辨率就會越好。

2）靈敏度代表了系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力。要想提高系統(tǒng)靈敏度，就要求激勵脈沖幅度盡可能高，寬度盡可能窄，上升時間盡可能短。

3）盲區(qū)指在一定條件下，系統(tǒng)能夠檢測到的區(qū)域邊緣和不能被檢測平面之間的距離。盲區(qū)主要受激勵脈沖幅度和寬度的影響，脈沖幅度越高，寬度越窄，盲區(qū)就越小。

綜上所述，要獲得好的系統(tǒng)探傷性能，對發(fā)射電路的要求是：激勵脈沖幅度要高，上升時間要短，寬度要小。

2 激勵脈沖和發(fā)射電路原理

上述激勵脈沖是由發(fā)射電路產(chǎn)生并最終加載到探頭上的波形，通常情況下探頭的激勵方式可分為窄帶激勵和寬帶激勵，寬帶指的是頻帶寬。窄帶激勵因其可以對相位進行控制，主要用在相控陣探頭上；對于脈沖發(fā)射法來說，寬帶激勵具有頻譜更寬、激發(fā)探頭產(chǎn)生的聲脈沖較短等優(yōu)點，其中單極窄脈沖應用最早、最常見，所以本文選擇單極窄脈沖進行分析。激勵脈沖參數(shù)主要有脈沖幅度、脈沖上升時間Tr和脈沖寬度Td，其原理如圖2所示。

圖2 單極窄脈沖激勵方式Fig.2 Single pole narrow pulse incentive method

脈沖回波法超聲波探傷儀中發(fā)射電路多選用非調(diào)諧式，其原理圖可以參考文獻[4]。本文采用的發(fā)射電路如圖3所示，在電容C后邊加上了快速恢復型二極管，從而實現(xiàn)濾除充電正脈沖等噪聲，避免其加到探頭上。激勵脈沖產(chǎn)生的原理是：當觸發(fā)脈沖處于低電平時MOS管不導通，直流高壓通過電阻R1對電容C進行充電，使其兩端的電壓差接近DC；觸發(fā)脈沖從低電平到高電平時Q導通，此時C通過MOS管和R0放電，由于Q一導通，其漏極就會出現(xiàn)接地現(xiàn)象，A點電位值瞬間降為0，而這一瞬間電容兩端的電壓差無法突變，導致了電容另一端出現(xiàn)了高壓負脈沖，此負脈沖通過二極管D2加到探頭上產(chǎn)生了超聲波[5]。一般觸發(fā)脈沖頻率為幾十赫茲到幾千赫茲，設計范圍為10～1 000 Hz。

圖3 超聲波發(fā)射電路Fig.3 Ultrasonic wave transmitting circuit

被測材料的種類、厚度不同，要求檢測時使用不同中心頻率的探頭，通常為2.5 MHz和5 MHz兩種；激勵脈沖的電壓幅值一般為幾百伏特；脈沖上升時間一般不超過100 ns。從頻域角度可知脈沖寬度與探頭中心頻率的關系[6]為

其中：f0為探頭中心頻率；2a為激勵脈沖寬度。本設計采用5 MHz的單晶直探頭，取n=1，由式（2）可確定脈沖寬度為0.3 μs，放電時間盡量控制在此范圍之內(nèi)。

3 發(fā)射電路阻容參數(shù)分析

分析發(fā)射電路充放電時，MOS管IRF840可等效為一個理想開關和電阻R4串聯(lián)，根據(jù)二極管的原理，D1在充電回路、D2在放電回路分別相當于電阻R2、R3，等效電路如圖4所示。

充電回路充電過程相當于一階RC電路的0狀態(tài)響應[7-8]，由基爾霍夫電壓定律可得電容電壓與時間的關系為

圖4 超聲發(fā)射等效電路圖Fig.4 Ultrasonic transmitting equivalent circuit

其中：VH為高壓直流的幅值；τ1=C（R1+R2）為充電時間常數(shù)。

當時間t→∞時，UC→VH，求得充電時間為

通常情況下，限流電阻R1取幾十千歐姆，R2為二極管導通電阻，僅為R1的千分之一，從而充電時間t≈τ1。

放電回路放電過程相當于一階RC電路的0輸入響應，同理回路電壓方程為

設放電時間常數(shù)τ2=C（R4+R0+R3）并考慮初始條件uc（0）=VH，求得電容電壓uc為

從而得到發(fā)射電路輸出電壓為

將式（6）帶入式（7）可得輸出電壓最終形式為

同理，放電時間為

電路中阻容的取值原則：

1）一方面，電阻R1在充電時限制電流過大從而保護高壓電源和避免電容C受到大電流的沖擊，因此被稱為限流電阻；放電時根據(jù)式（8）可知，增大電阻R1可提高輸出電壓Vout，從這兩點考慮R1應該越大越好。另一方面，電容充電時間很短，由式（4）可知電阻R1太大會增加電容充電時間。實際取值時主要考慮電阻的限流作用，如果充電電流過大會燒壞電阻R1，設計中取47 kΩ。

2）由充放電時間常數(shù)τ1、τ2和式（4）、式（9）可知，電容越小充放電時間越短，脈寬和上升時間就小，這會提高儀器縱向分辨率和靈敏度。但是，電容越小穩(wěn)定性就差，產(chǎn)生的激勵脈沖幅值很不穩(wěn)定，而且小電容存儲的能量少，脈沖幅值會大大降低。同時一次觸發(fā)脈沖到來之前要保證電容充滿電，即要滿足充電時間t≈CR1＜T/2，綜合穩(wěn)定性和充電時間兩方面的考慮，設計中電容取0.01 μF。

3）由式（8）、式（9）可知電阻R0在整個電路中主要有兩個作用，首先是調(diào)節(jié)超聲波的發(fā)射電壓和通過調(diào)整放電時間調(diào)節(jié)激勵脈沖寬度；其次是可以對脈沖超聲波長度進行調(diào)整，起到阻尼作用，因而也被稱為阻尼電阻。通常把R0設置成可調(diào)電阻，系統(tǒng)工作時改變其阻值來調(diào)節(jié)發(fā)射強度和脈沖寬度，從而改善盲區(qū)和縱向分辨率，設計中R0為0～1 kΩ可調(diào)。

4 發(fā)射電路仿真分析

圖5 測試用的發(fā)射電路Fig.5 Tested transmitting circuit

實際設計的發(fā)射電路如圖5所示，對發(fā)射電路進行了仿真測試。pulse為來自TMS320F28335的觸發(fā)脈沖，光耦HCPL2631將強弱電分開從而保護控制芯片TMS320F28335，ICL7667作為功率驅(qū)動器配合觸發(fā)脈沖有效控制IRF840的開閉。電阻R3取值47 kΩ，電容C1為0.01 μF，由式（4）計算充電時間約為470 μs；采用5 MHz的單晶直探頭，由式（2）可確定脈沖寬度約為0.3 μs；觸發(fā)脈沖頻率設置為1 kHz，占空比20%，能滿足充放電時間要求，高壓電源設置為320 V，結果如圖6～圖8所示。

圖6 充電時輸出波形Fig.6 Charging output waveform

圖7 R0=100 Ω的激勵脈沖Fig.7 Exciting pulse when R0=100 Ω

圖8 R0=300 Ω的激勵脈沖Fig.8 Exciting pulse when R0=300 Ω

圖6中輸出波形幅值約為310 V，上升時間約為500 μs，接近所設定的值。

圖7中激勵脈沖幅值為232 V，脈沖寬度約為300 μs，可滿足5 MHz中心頻率探頭對脈寬的要求。

圖8中激勵脈沖幅值為236 V，幅值和脈沖寬度較圖7中均偏大，驗證了電阻R0在發(fā)射電路中的阻尼作用。由式（7）可知，由于限流電阻R1、阻尼電阻R0和二極管、MOS管導通內(nèi)阻的影響，激勵脈沖電壓小于高壓電源的輸出電壓。

5 結語

通過介紹超聲波探傷儀的組成部分以及與超聲發(fā)射電路有關的系統(tǒng)性能，得出了激勵脈沖幅度要高、脈沖上升時間要短、脈沖寬度要小的結論。運用基爾霍夫電壓定律推導了電容的充放電時間和輸出電壓幅值，并分析了發(fā)射電路中阻容參數(shù)對激勵脈沖寬度、幅值以及上升時間的影響，從實際應用的角度得到了阻容參數(shù)取值的原則。通過發(fā)射電路的仿真測試驗證了電阻R0在發(fā)射電路中的阻尼作用，同時，所設計的發(fā)射電路能夠產(chǎn)生很好的激勵脈沖，具有很高的實用價值。

[1]《國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材》編審委員會.超聲檢測[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[2]王曉蕊,張曉青,賈三山.超聲波探傷發(fā)射電路及參數(shù)分析[J].儀表技術與傳感器,2012(9):30-32.

[3]周軍偉.基于虛擬儀器的超聲檢測的研究[D].西安:西安理工大學, 2005.

[4]張俊哲.無損檢測技術及其應用[M].北京:科學出版社,2010.

[5]廖強.數(shù)字化超聲波探傷儀的設計與實現(xiàn)[D].重慶:重慶大學, 2008.

[6]朱建峰,陳建輝,王廣龍.基于ARM的超聲波發(fā)射與控制電路設計[J].電子設計工程,2010,18(7):148-150.

[7]鄭君,張冬泉,張勇.超聲波探傷發(fā)射電路中電阻的影響[J].無損檢測,2009,31(3):229-232.

[8]邱關源.電路[M].北京:高等教育出版社,1999.

（責任編輯：黃月）

Parameter analyses of transmitting circuit in digital ultrasonic inspection instrument

ZHAN Xianglin,SHI Zhichao
（College of Electronic Information and Automation,CAUC,Tianjin 300300,China）

Transmitting circuits are introduced at first.And then the system principle is explained.On the basis of theoretical calculation,detailed relations between circuit resistors,capacitors and exciting pulses are concluded.Finally, transmitting circuit is simulated and tested,and experiment results show that the designed circuit can produce ideal exciting pulse and has practical value.

ultrasonic inspection instrument;transmitting circuit;system performance;resistor and capacitor;exciting pulse

TG115.28

A

1674－5590（2017）01－0052－04

2016-05-09；

2016-06-10基金項目：國家自然科學基金項目（61405246，61102097）；天津市高等學?？萍及l(fā)展基金計劃項目（20100412）；中國民航大學研究生科技創(chuàng)新基金項目（Y15-08）

詹湘琳（1976—），女，湖南常德人，副教授，博士，研究方向為超聲波無損檢測技術.