CN101819184B - 脉冲超声波发射电路 - Google Patents

Abstract

脉冲超声波发射电路包括触发控制模块和脉冲产生模块；触发控制模块用于产生适合工业检测脉冲超声的控制信号；脉冲产生模块由直流电源、Boost升压电路、阻抗匹配电路、MOS管驱动单元、保护电路和超声换能器组成，用于产生高频、高压电脉冲信号以驱动超声换能器按要求发射脉冲超声波信号；Boost升压电路用于将高压电脉冲信号进一步升压；阻抗匹配电路用于提高电路的负载能力，改善脉冲超声波形；MOS管驱动单元将触发控制信号拉高，以控制MOS管导通与截止；MOS管控制充放电频率；保护电路用于控制电路中过大的电流和充放电方向；超声换能器为工业无损检测用超声换能器，中心频率在1MHz到10MHz之间。

Description

脉冲超声波发射电路

技术领域：

本发明涉及一种参数可调脉冲超声波发射电路，该电路采用Boost升压原理和阻抗匹配技术，可由低直流电压产生高压激励脉冲，从而发射脉冲超声波，属于工业超声无损检测应用技术领域，用于低压直流电产生脉冲超声波的场合，超声波的幅值、中心频率和波形可以根据需要进行调整。

背景技术：

超声波广泛应用于工业、农业及医学等领域，而超声波的产生一般需要高电压脉冲去激励超声换能器，目前国内外产生高电压脉冲的方法主要有专用芯片、DC-DC模块及外部高压模块等，前两种方法产生的激励电压一般较小，量值在几十伏，太小的激励电压会导致产生的超声波能量小，在工业超声检测中会影响超声波的检测深度及检测灵敏度，所以，在工业超声检测中一般采用第三种方法来产生高电压激励信号。根据资料(冯红亮，肖定国，徐春广等，脉冲超声换能器激发/接收电路设计[J]，仪表技术与换能器，2003(11)：30-32)在工业超声无损检测中，脉冲超声波的产生多采用电容式发射电路，激发超声换能器产生脉冲超声波的电压脉冲信号主要通过引入外部升压模块对直流电压进行升压得到，即将直流电先转换成交流电，再经过变压环节，将电压提升，然后通过电容充放电过程产生激发换能器所需要的电压脉冲。这种方法尽管比较成熟，但实现环节多，造成电路复杂，成本显著提高，电能利用效率低，功耗较大等不足，在阵列超声及嵌入式应用等对功耗要求苛刻的场合，问题显得尤为突出。寻求低成本，低功耗，工作可靠稳定的解决方案无疑会对超声检测的发展带来综合效益。

发明内容：

本发明中超声发射电路是基于电感的发射电路。通过电感元件的充放电过程可以直接产生高压电脉冲。在合适位置接入超声换能器，即可实现超声发射。其升压原理为Boost升压原理，但传统的Boost升压电路对换能器的性能参数影响较大，接入换能器后，实际升压效果并不令人满意。本发明在研究Boost电路升压原理的基础上，将其作为脉冲产生环节引入电路，针对其负载能力较弱，电压脉冲幅度受超声换能器影响较大，设计了阻抗匹配环节，提高负载能力。

实现本发明目的的技术方案是：脉冲超声波发射电路，包括触发控制模块和脉冲产生模块；

所述触发控制模块由触发端和内部电路组成，用于产生适合工业检测脉冲超声的控制信号；

所述脉冲产生模块，由直流电源、Boost升压电路、阻抗匹配电路、MOS管驱动单元、保护电路和超声换能器组成，用于产生高频、高压电脉冲信号以驱动超声换能器按要求发射脉冲超声波信号；其中，所述直流电源提供最低5V供电，利用低直流电压可产生高电压脉冲；所述Boost升压电路用于将高压电脉冲信号进一步升压；所述阻抗匹配电路用于提高电路的负载能力，改善脉冲超声波形；所述MOS管驱动单元将触发控制信号拉高，以控制MOS管导通与截止；所述MOS管控制充放电频率；所述保护电路用于控制电路中过大的电流和充放电方向；所述超声换能器为工业无损检测用超声换能器，中心频率在1MHz到10MHz之间。

上述电路中的各模块主要包括：

触发控制模块中，触发端可以包括外部触发端和内部触发端，外部触发端、内部触发端和内部电路之间设有切换开关，切换开关用于选择外部触发端或内部触发端与内部电路导通，外部触发端由用户自行选择输入触发信号的种类，内部触发端由电路内部产生触发信号，内部触发信号参数可调；即触发控制模块有外部和内部两种触发模式，外部触发信号可由用户自行选择，内部触发信号可由555自激多谐振荡器电路产生，两种模式可由开关SW₀手动切换。当采用外部触发模式时，由接入外部控制脉冲输入引脚上的信号进行控制，此时该信号可以是单片机、ARM或DSP等外部控制模块产生的负脉冲信号，从而满足更复杂灵活的控制；当采用内部触发模式时，触发信号灵活多样，其频率和占空比可通过可变电阻RP₀和RP₁进行调节。触发控制信号经反相器N₀后得到需要的正脉冲，从而达到以同样周期重复发射脉冲超声波的目的。

脉冲产生模块中：

直流电源可采用最低5V供电，利用低直流电压可产生高电压脉冲，其直流电压也可选择30V以内的直流电压信号。

Boost升压电路由电感、电容和电阻组成，无负载升压可达400V以上，接入超声换能器后脉冲电压可达100V以上；

阻抗匹配电路由脉冲变压器构成，通过改变次级和初级线圈匝数比，提高电路的负载能力，改善脉冲超声波形；

MOS管驱动单元将触发控制信号拉高，以控制MOS管导通与截止；

MOS管由高速场效应管构成，可控制充放电频率；

保护电路由电阻和二极管组成，用于控制电路中过大的电流和充放电方向；

超声换能器为工业无损检测用超声换能器，中心频率在1MHz到10MHz之间。

本发明提出的基于Boost升压理的脉冲超声发射电路在改变匹配电感后可以产生中心频率在1MHz到10MHz之间脉冲超声波，可用于单换能器收发场合，也可用于一发一收的双换能器场合，可单探头工作，也可组成阵列方式工作。

附图说明：

图1为本发明中脉冲超声发射电路原理图；

图2-1为本发明实施例中自激多谐振荡器；

图2-2为本发明实施例中自激多谐振荡器输出波形；

图3为本发明中实施例中脉冲超声产生电路模块；

图4-1为本发明中实施例中接入超声换能器负载后脉冲电压波形5MHz换能器波形；

图4-2为本发明中实施例中接入超声换能器负载后脉冲电压波形5MHz换能器波形；

图4-3为本发明中实施例中接入超声换能器负载后脉冲电压波形1MHz换能器波形；

图4-4为本发明中实施例中接入超声换能器负载后脉冲电压波形1MHz换能器波形；

具体实施方式：

下面结合附图及一个实施例对本发明作进一步的说明。

本发明电路的原理如图1所示，脉冲超声波发射电路，包括触发控制模块和脉冲产生模块；

触发控制模块，包括触发端和内部电路，触发端包括外部触发端和内部触发端，外部触发端、内部触发端和内部电路之间设有切换开关，切换开关用于选择外部触发端或内部触发端与内部电路导通，外部触发端由用户自行选择输入触发信号的种类，内部触发端由电路内部产生触发信号，内部触发信号参数可调；触发控制模块用于产生适合工业检测脉冲超声的控制信号；

脉冲产生模块，由直流电源、Boost升压电路、阻抗匹配电路、MOS管驱动单元、保护电路和超声换能器组成，用于产生高频、高压电脉冲信号以驱动超声换能器按要求发射脉冲超声波信号。

进一步具体说明如下：

1.触发控制模块，触发控制部分如图1双点划线左侧所示，主要作用是产生一定宽度的正脉冲，经过MOS管驱动单元后，作为Q₀的栅极驱动信号V_g，用于控制Q₀漏源极的通断。图中，SW₀为单刀双掷开关，用于选择发射控制信号是由电路内部提供还是由外部输入；非门N₀将送入的控制脉冲信号反相后，变换为正脉冲送入N沟道MOS开关Q₀及其驱动单元，用于控制Q₀漏源极的通断。

本发明提供了两种脉冲控制方式，通过SW₀实现功能选择。当SW₀选择555自激多谐振荡器时，如图2-1所示，通过适当调节，在非门N₀输入端，将得到一系列以一定周期重复的具有一定宽度的负脉冲，如图2-2所示，经过N₀反相即可得到需要的正脉冲，从而达到以同样周期重复发射的超声波脉冲信号的目的。

其中，

Tw≈0.7RP₁C_t，T≈0.7(RP₀+RP₁)C_t             (1)

在此方式下，电路不需引入外部控制信号，利用内部的555自激多谐振荡器即可实现超声波脉冲的周期性发射。

当SW₀选择外部控制脉冲输入时，超声脉冲的发射将不再受555自激多谐振荡器的影响，而由接入外部控制脉冲输入引脚上的信号进行控制。此时该信号可以是单片机、ARM或DSP等外部控制模块产生的负脉冲信号，从而满足更复杂灵活的控制。

2.脉冲产生模块，脉冲产生部分如图1中双点划线右侧所示，主要作用是产生满足要求的高压电脉冲。其电路结构由Boost升压电路演变而来，并取电感L两端的电压信号V_L作为输出。对电路进行暂态分析不难推出V_L的响应函数。实际应用中，一般要求阻抗匹配环节和超声换能器T_X的等效阻抗远大于电感L两端的阻抗。为了便于观察和分析，现将图1中脉冲产生部分的电路结构提取如图3示。

图中R₀是限流电阻，用于控制电感充电时流过电感的电流大小，这样做的目的是：一方面可以保护电感不被大电流烧毁；另一方面，通过调节R₀的大小，可以控制流过电感的电流的大小，进而控制发射脉冲的幅度；取R_L＞＞R₀；高反压快速二极管D₀的作用是抵消MOS管内部的体内二极管的影响，使其无效。当V_g端高电平时，Q₀漏源极导通，R_L和C被短路，线圈中有初始电流i₀流过，V_L＝0。

当V_g端置为低电平时，Q₀漏源极截止瞬间，线圈中因为自感，要阻止电流下降的趋势，电流保持不变。之后进入暂态响应过程。有如下暂态方程

LCR_Li″+(R_LR₀C+L)i′+(R_L+R₀)i＝Vs               (2)

初始状态为

$\left\{\begin{array}{c}i\left(t\right){|}_{t=0}=i_0\\ V_C\left(t\right){|}_{t=0}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

欲使电路工作在振荡方式下，此时，特征方程有两个共轭复数根。在该情况下解方程，可求出

V_L＝-LVs(α²+β²)exp(αt)sin(βt)/(βR₀)        (4)

式中，

$\mathrm{\α}=-\frac{1}{2}(\frac{R_0}{L}+\frac{1}{{\mathrm{CR}}_L}),$ $\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{4}{\mathrm{LC}}-{(\frac{R_0}{L}-\frac{1}{{\mathrm{CR}}_L})}^2}$

本发明中，取

R₀＜＜R_L， $\frac{4}{\mathrm{LC}}>10{(\frac{R_0}{L}-\frac{1}{{\mathrm{CR}}_L})}^2,$ 有

${\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2=\frac{1}{\mathrm{LC}}(1+\frac{R_0}{R_L})\≈\frac{1}{\mathrm{LC}},$ $\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{4}{\mathrm{LC}}-{(\frac{R_0}{L}-\frac{1}{{\mathrm{CR}}_L})}^2}\≈\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$

由此得V_L的粗略估算公式

$V_L\≈-\frac{\mathrm{Vs}}{R_0}\sqrt{\frac{L}{C}}\exp \left(\mathrm{\αt}\right)\sin \frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}t---\left(5\right)$

记为激发脉冲的中心频率；

为脉冲的幅度。

脉冲产生部分主要产生一系列按指数衰减的调谐脉冲。

3.阻抗匹配，由于图3所示的脉冲产生部分的负载能力有限，直接接入换能器，将使脉冲产生的幅度急剧下降，中心频率下移，从而极大限制了电路的使用范围，没有太大的实用性。在发明过程中，曾以中心频率为5MHz超声波换能器5Z10N为例进行观察比较，发现换能器接入前，脉冲幅度约300V，而接入后，脉冲幅度只有不足30V；改用1MHz的超声换能器，脉冲中心频率下移至300KHz附近。

为了减小负载(换能器)对超声产生部分电路的影响，提高电路的负载能力，在两者之间引入了脉冲变压器作为阻抗匹配环节。

设变压器次初级比为n/m，负载的等效电阻记为R_t，其折算到初级的电阻记为R′_t，则有如下关系

$\frac{n}{m}=\sqrt{\frac{R_t}{R_t^{\′}}}---\left(6\right)$

通过多次试验选取合适的初次级线圈匝数比，从而提高电路负载能力，改善发射脉冲波形。

为了观察电路工作的实际效果，选取了一组电路参数，并分别以中心频率5MHz的超声波换能器5Z10N和1MHz的换能器为例进行实验。实验条件为：电路工作在内部触发控制方式，即将555自激多谐振荡器输出作为控制信号选取T_w＝40us，T＝1ms；V_s＝5V；采用IR2110作为场效应管驱动芯片；选取IRF630B作为快速MOS开关；选取1N4148作为D₀；L＝470μH；脉冲变压器次初级比

R₀调至10Ω，测得换能器两端的电压V₀如图4-1和图4-2示。

由图中可以看出，5MHz换能器两端输出脉冲幅度近50V，谐波频率接近5MHz。1MHz换能器两端输出脉冲幅度约80V，谐波频率接近1MHz。

在波形的某一段，谐波幅度并未严格按指数规律衰减，而是有轻微的回升，这是因为选取的二极管D₀的结电容小于MOS管Q₀的漏源极间电容所致。因此在选用二极管时，要求其结电容大于并尽可能接近选取的MOS管Q₀的漏源极间电容，这样电路输出的波形会更理想。

调节R₀至5Ω，换能器两端波形如图4-3、如图4-4所示。

由图可以看出，5MHz换能器两端输出脉冲幅度近70V，谐波频率接近5MHz。1MHz换能器两端输出脉冲幅度约110V，谐波频率接近1MHz。

观察直流稳压电源工作状态的数码显示窗，平均电流只有30mA，电路功耗较低。

该发明中的脉冲超声发射电路具有结构紧凑，控制灵活，调节方便(发射功率可调，脉冲中心频率可调，发射重复频率可调)，成本低，电转换效率高，单位耗能情况下幅值大，非常适合嵌入式应用场合等优点。

在电路参数选取时，为达到要求的波形，应注意选取合适的元器件，尤其是像Q₀，D₀，L，C等关键元器件；对于脉冲变压器的匝数选取，要结合理论分析和多次试验，确定最佳匹配。

基于电感的发射电路的升压能力突出，然其负载能力较弱，其输出波形易受负载(超声换能器)的参数影响。针对此不足，发明引入脉冲变压器作为阻抗匹配环节，对电路进行阻抗匹配，提高了电路负载能力，使其具有相当的实用性。

Claims (5)

1.脉冲超声波发射电路，其特征是，该脉冲超声波发射电路包括触发控制模块和脉冲产生模块；

所述触发控制模块由触发端和内部电路组成，触发控制模块用于产生适合工业检测脉冲超声波的控制信号；

所述脉冲产生模块，由直流电源V_S、Boost升压电路、阻抗匹配电路、MOS管驱动单元、保护电路和超声换能器组成，用于产生高频、高压电脉冲信号以驱动超声换能器按要求发射脉冲超声波信号；其中，所述直流电源V_S提供最低5V供电，利用低直流电压可产生高电压脉冲；所述Boost升压电路由电感L、电容C和电阻R_L组成，用于将高压电脉冲信号进一步升压；所述阻抗匹配电路由脉冲变压器构成，用于通过改变次级和初级线圈匝数比，提高电路的负载能力，改善脉冲超声波形；所述MOS管驱动单元将触发控制信号拉高，以控制MOS管导通与截止；所述MOS管由高速场效应管构成，控制充放电频率；所述保护电路由限流电阻R₀和二极管D₀组成，用于控制电路中过大的电流和充放电方向，其中，限流电阻R₀为可调电阻，用于控制电感充电时流过电感的电流大小；二极管D₀用于抵消MOS管内部的体内二极管的影响；所述超声换能器为工业无损检测用超声换能器，中心频率在1MHz到10MHz之间；

电感L的一端通过限流电阻R₀和所述直流电源V_S正极连接，电感L的另一端连接二极管D₀正极，二极管D₀的负极连接MOS管Q₀的漏极，电阻R_L和电容C并联后，一端连接在二极管D₀的正极，另一端连接MOS管Q₀的源极，电感L两端的电压信号V_L输出至所述阻抗匹配电路，阻抗匹配电路输出至超声换能器T_X。

2.根据权利要求1所述的脉冲超声波发射电路，其特征是，所述触发端包括外部触发端和内部触发端，外部触发端、内部触发端和内部电路之间设有切换开关，切换开关用于选择外部触发端或内部触发端与内部电路导通，外部触发端由用户自行选择输入触发信号的种类，内部触发端由电路内部产生触发信号，内部触发信号参数可调。

3.根据权利要求1所述的脉冲超声波发射电路，其特征是，所述内部电路为反相器(N₀)。

4.根据权利要求1所述的脉冲超声波发射电路，其特征是，所述的直流电源V_S提供5V～30V的直流电压信号。

5.根据权利要求2所述的脉冲超声波发射电路，其特征是，所述内部触发端为555自激多谐振荡器电路。

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