用于高鐵鋼軌探傷的正負脈沖超聲發射接收板卡設計

摘要：目前在鋼軌探傷的超聲波發射電路中常用的是基于電容充放電原理的負尖脈沖的激勵方式，超聲波發射重復頻率受電容充放電速度的影響，且激勵電壓不恒定，直接導致測量結果定量困難。針對這一問題，提出了一種用于高鐵鋼軌探傷的正負脈沖激勵的超聲波發射電路，采用與超聲探頭周期相同的正負脈沖對探頭進行激勵，實驗結果表明，該超聲波發射電路脈沖在4KHz重復頻率下激勵電壓穩定，接收電路通道間無干擾，符合高鐵鋼軌探傷使用要求。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271643.htm

關鍵詞：鋼軌探傷；超聲波發射；正負脈沖；超聲波激勵；高鐵鋼軌探傷

DOI：1 0.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.008

基金項目：本課題受鐵道部科技研究開發計劃重大課題資助（2012G004-A）張玉華（1977-），男，助理研究員，研究方向：高速鋼軌超聲波探傷檢測技術。

前言

目前超聲系統使用的激勵波形主要有負尖脈沖、雙極性調諧脈沖、方波脈沖、階躍脈沖（如圖1所示），作者對各種激勵方式對超聲信號的影響進行了分析。

在鋼軌探傷領域內，超聲探頭的固有頻率多為2.5MHz或3.5MHz，且激勵電壓高，一般為300V左右，使用最多的是負尖脈沖激勵方式，負尖脈沖激勵方式原理和電路簡單，易于實現。負尖脈沖的產生原理如圖2所示。

通過控制高速開關使電容充放電來產生負尖脈沖。為提高超聲測量的靈敏度，需要負尖脈沖的下降沿時間越短越好。負尖脈沖電路超聲波激勵在高速鋼軌檢測使用中有如下不足：（1）激勵電壓的幅值取決于電容的充電電壓，受各種因素影響，激勵電壓的幅值不穩定，重復性不好。（2）受到電容充放電速度的影響，測量的重復頻率受到限制，當測量重復頻率增大時，激勵電壓的幅值會下降。

目前采用輪式探頭的高鐵鋼軌探傷車檢測速度最高為80km/h，檢測重復頻率為4KHz，采用負尖脈沖的激發方式已經不能很好地滿足要求。

方波脈沖可以提高激勵電壓的穩定性，雙極性調諧脈沖可以明顯提高檢測信號幅度，本文提出了一種正負脈沖的激勵方式，結合了方波脈沖和雙極性調諧脈沖的優點。

1 正負脈沖激勵的超聲波發射接收電路

1.1 正負脈沖激勵的原理

正負脈沖激勵的波形如圖3所示，采用正負兩種電壓輪流施加到超聲探傷上，正負脈沖的峰峰值即為施加到超生探頭上的電壓值，正負脈沖的頻率可以根據檢測的需要進行調節。在正負脈沖的一個周期內，超聲探頭產生3次振動，

正負脈沖具有方波脈沖的可控性優點，激勵幅值電壓穩定，同時，又具有雙極性調諧脈沖的調諧特性，可以提高檢測信號的幅值。

1.2 正負脈沖激勵的超聲波發射電路設計

正負脈沖激勵的超聲波發射電路示意圖如圖4所示，圖中OUTA、OUTB為正負脈沖控制信號，VPP、VNN分別為正負電壓電源，Ql為P溝道增強型DMOS管，Q2為N溝道增強型DMOS管，TX端接超聲波傳感器的發射端。

VPP與VNN可以根據超聲探頭的激勵電壓進行選擇。為保證超聲波發射功率和超聲波激勵脈沖的頻率，需要對Ql、Q2的參數進行限定。Q、Q2的參數需滿足如下條件：

上升時間和關斷時間需小于lOOns鋼軌探傷中使用的超聲探頭頻率為3.5MHz和2.25MHz，為能產生3.5MHz的方波并保持一定寬度，Ql與Q2的上升時間與關段時間均應小于lOOns；

DS間耐壓需滿足BVDS<1.5*（VPP-VNN）探頭施加電壓由正電壓VPP切換到負電壓VNN時，DMOS管的DS間承受電壓最大，為保險起見，安全系數取1.5；

脈沖電流ID需滿足探頭發射功率要求依據超聲探頭的電氣特性和測量發射功率要求，對DMOS管的瞬間電流ID進行選擇，本文選擇DMOS管的瞬間脈沖電流最大為2A。

1.3 超聲接收電路設計

高鐵鋼軌探傷車采用單收發方式，發射接收采用同一探頭，因此正負脈沖激勵信號同時施加在發射電路和接收電路上，需要對接收電路的輸入幅值進行限制，為不影響施加到超聲探頭上的電壓，需使用電阻將發射電壓與限幅線路進行隔離。超聲波回波信號的幅值為mV級，因此需要固定增益放大和可變增益放大電路對信號進行放大處理，固定增益放大一方面對信號進行放大，另一方面起阻抗匹配作用，可變增益放大電路用來進行超聲波的距離補償和閘門增益控制。超聲波接收電路功能框圖如圖5所示。

2 正負脈沖發射接收電路電磁兼容設計

使用正負脈沖方式激勵多路超聲波，激勵電壓高，正負脈沖頻率快，且方波自身包含高頻諧波，極易產生電磁兼容問題，超聲波接收電路的模擬電路部分信號小，也很容易受到電磁干擾，因此需要對超聲波發射接收電路進行電磁兼容設計。本文采用了多種措施：

（1）高低壓電源分開超聲波發射激勵電壓采用±70V電源，發射控制及接收電路中使用SV電壓，高壓與低壓間采用單點連接方式，避免瞬間脈沖電流流入模擬地：

（2）數字控制部分與模擬信號部分器件布局分區，如圖6所示；

（3）多個通道間的地層進行分割，確保各個通道之間的電流回路互不影響；

（4）精心走線，確保高壓部分的正負脈沖與探頭組成的電流回路面積最小；

（5）采用6層板設計，將關鍵數字信號內部走線。

3 實驗驗證 為驗證設計的正負脈沖發射接收電路，對設計的電路進行試驗。實驗采用探輪標定裝置進行試驗，該探輪標定裝置可以對9英寸探輪內部0度超聲探頭進行標定。將設計的4通道正負脈沖發射接收卡的發射端接9英寸探輪的0度超聲探頭，超聲發射重復頻率為4KHz。

圖7為在發射電路的TX端不接超聲探頭時測量到的正負脈沖波形，每次觸發采用2個正脈沖、2個負脈沖，脈沖電壓為±70V，正負脈沖的頻率與超聲探頭的頻率相同，均為2.25MHz，可以看出：設計的正負脈沖發射電路可以產生要求的正負脈沖，選擇的器件能夠滿足要求。圖8為接入O度探頭對鋼軌試塊進行測試，在螺孔處測得的界面波、螺孔回波和底波的全波檢波后的A型顯示信號波形。測試過程中采用的界面波增益為30dB，監視閘門和底波閘門的增益均為47dB。界面波時間約為90us。圖7中黃色波形為施加到探頭上的激勵脈沖波形，從圖8可以看出：（1）正負脈沖電路可以對超聲探頭進行激勵；（2）隔離限幅電路確保了正負脈沖既能施加到超聲探頭上，又能對后續的接收電路起到隔離保護作用；（3）設計的接收電路可以完成信號在固定增益和閘門增益下的信號放大。為驗證各通道的干擾情況，采用一個超聲發射接收通道對O度超聲探頭進行激勵，使用示波器測量其他3個超聲發射接收通道的A型顯示，各閘門增益與O度接收通道閘門增益設置相同，未發現在其他3個通道存在干擾回波。

4 結論

本文研究了一種采用正負脈沖對超聲探頭進行激勵的發射接收電路，提出了一種正負脈沖產生電路，設計了超聲波接收電路，并采用多種技術手段解決了發射接收電路的電磁兼容問題，并采用研究的發射接收電路進行了實驗，實驗表明：研究的正負脈沖超聲波發射接收電路滿足超聲波激勵要求，接收到的超聲回波信號幅值穩定、各通道間無相互干擾。