橋式推挽結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)電路性能分析

安艷芳，彭召斌，廉國(guó)選，冷濤，王小民

?

橋式推挽結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)電路性能分析

安艷芳，彭召斌，廉國(guó)選，冷濤，王小民

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190)

基于橋式推挽結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了由兩路正向單脈沖電壓產(chǎn)生雙極性電壓效果的電路，提高了激勵(lì)信號(hào)的能量，為超聲無損檢測(cè)激勵(lì)電路的負(fù)向耐壓低、供電電源復(fù)雜等問題提供了解決方案。該方案包括硬件實(shí)現(xiàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。脈沖回波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：橋式推挽結(jié)構(gòu)的超聲激勵(lì)可以提高回波的幅度，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，回波幅度為單極性方波脈沖激勵(lì)的兩倍，等效于雙極性方波脈沖激勵(lì)的效果。該文方法可以提高超聲激勵(lì)電路的性能，為高性能便捷式超聲激勵(lì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

超聲檢測(cè)；橋式推挽結(jié)構(gòu)；電路性能

0 引言

激勵(lì)電路對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能有著重要影響[1,2]。超聲激勵(lì)的脈沖形式一般分為尖脈沖和單、雙極性脈沖三種。尖脈沖是激勵(lì)壓電換能器最早的方式之一，其頻帶寬，回波的縱向分辨率高；方波即單脈沖所激勵(lì)的超聲信號(hào)其幅度高、發(fā)射功率大；雙極性脈沖主要是利用脈沖正負(fù)跳變對(duì)壓電換能器進(jìn)行作用，可以加強(qiáng)壓電晶片的振動(dòng)，以提高發(fā)射信號(hào)的能量。雙極性脈沖在超聲無損檢測(cè)，尤其是在穿透法檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

雙極性激勵(lì)脈沖的產(chǎn)生一般是依靠硬件電路對(duì)正負(fù)雙電源進(jìn)行控制得到的。這種電路不利于檢測(cè)設(shè)備的小型便攜化，尤其是單電源供電的設(shè)備，產(chǎn)生雙極性激勵(lì)脈沖更加困難。此外，在硬件電路制作中由于受到PNP管耐壓不高的影響，無法做到負(fù)高壓。針對(duì)此問題，本文基于橋式推挽(Balanced Transformer Less, BTL)思路[3]，提出并實(shí)現(xiàn)了由兩路正向單脈沖電壓產(chǎn)生類似于雙極性電壓的電路，既不必考慮PNP管負(fù)向耐壓難以提高的限制，又僅需一路正向電源供電即可。

1 BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)的理論分析

壓電晶體具有壓電和逆壓電效應(yīng)，當(dāng)在壓電晶體上加與極化方向相同的電場(chǎng)時(shí)，壓電晶體在極化方向上產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變；反之，當(dāng)外電場(chǎng)方向與極化方向相反時(shí)，壓電晶體沿極化方向產(chǎn)生縮短形變[4]。因此，對(duì)壓電晶體施加不同方向電場(chǎng)，晶體振動(dòng)的起振方向相逆。

壓電晶體在電場(chǎng)不連續(xù)處產(chǎn)生應(yīng)力，形成擾動(dòng)源。當(dāng)壓電晶體受到一次方波電脈沖激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩次振動(dòng)[5]。假設(shè)方波上升沿使得晶體向上起振，那么下降沿則使晶體向下起振，如圖1所示。調(diào)節(jié)激勵(lì)方波的寬度可以使兩次振動(dòng)進(jìn)行疊加或者減弱。在相同條件下，當(dāng)脈沖寬度設(shè)置為超聲發(fā)射探頭固有頻率周期的一半時(shí)，方波激勵(lì)脈沖對(duì)壓電晶片的作用效果最為突出，探頭發(fā)射信號(hào)的能量最高，接收的回波信號(hào)的幅度也最大。

基于電場(chǎng)方向與晶體起振方向的關(guān)系和方波脈寬對(duì)超聲波檢測(cè)的影響，BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)電路是利用硬件產(chǎn)生兩個(gè)具有一定時(shí)延的正向方波脈沖，同時(shí)對(duì)一塊壓電晶片的兩面進(jìn)行作用的激勵(lì)產(chǎn)生電路。設(shè)壓電晶片的兩面分別為A面和B面，則壓電晶體在BTL結(jié)構(gòu)激勵(lì)電壓作用下的振動(dòng)情況如圖2所示。方波脈沖1使晶體產(chǎn)生起振方向?yàn)樯系恼駝?dòng)1，方波脈沖2使晶體產(chǎn)生起振方向?yàn)橄隆⒉⒀雍笠粋€(gè)方波脈寬所需時(shí)間的振動(dòng)2。因此BTL結(jié)構(gòu)激勵(lì)脈沖對(duì)整個(gè)晶體的振動(dòng)為兩種效果的疊加(振動(dòng)3)。

2 BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)電路產(chǎn)生

圖3為BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)電路框圖，主要由MAX4940芯片、電源、外圍電路、信號(hào)控制端口和輸出端口組成。MAX4940是具有4個(gè)通道的高壓數(shù)字脈沖發(fā)生功能的芯片。輸出信號(hào)由正電壓控制信號(hào)INP_、歸零控制信號(hào)CLP_、負(fù)電壓控制信號(hào)INN_和使能控制信號(hào)EN進(jìn)行控制，控制形式詳情見表1。

表1 MAX4940真值表

注：“0”表示控制信號(hào)為低電平，“1”表示控制信號(hào)為高電平，“×”表示控制信號(hào)為0或1的任意電平

外圍電路大多為耦合電容，用來調(diào)節(jié)MAX4940的工作頻率。電源分為供電電源和驅(qū)動(dòng)電源，其中驅(qū)動(dòng)電源可以施加0 V到芯片最大的耐壓值Vmax。

BTL激勵(lì)電路按照?qǐng)D4所示進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖4(a)中的OUT1A由圖4(b)中的INN1_和INP1_控制先輸出一個(gè)方波脈沖時(shí)，OUT2A通過MAX4940內(nèi)部的MOSFET接地；同理，當(dāng)OUT2A輸出方波脈沖時(shí)，OUT1A通過內(nèi)部MOSFET接地。因此換能器兩端交替施加方波電壓，形成一個(gè)BTL結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，相當(dāng)于在換能器一端施加圖4(b)中的Vout_信號(hào)。

3 檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所搭建的超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由激勵(lì)脈沖產(chǎn)生和回波信號(hào)檢測(cè)兩部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中激勵(lì)脈沖產(chǎn)生部分在超聲檢測(cè)系統(tǒng)中是非常重要的，這部分包括：

(1) 上位機(jī)(PC機(jī))選擇設(shè)置部分：主要利用visual studio2010設(shè)計(jì)超聲發(fā)射系統(tǒng)控制界面，用來控制選擇發(fā)射脈沖的具體參數(shù)(包括重復(fù)頻率、脈沖寬度、脈沖個(gè)數(shù))，并將每個(gè)參數(shù)信息編碼后通過USB3.0接口發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field- Programmable Gate Array, FPGA)。

(2) FPGA信號(hào)控制部分：此部分是由Altera公司生產(chǎn)的EP3C40F484及其外圍電路組成，目的是對(duì)接收到的上位機(jī)參數(shù)信息進(jìn)行譯碼后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)(包括：INP_、INN_、CLP_和EN)，并通過通用輸入/輸出(General Purpose Input Output, GPIO)接口傳送到超聲發(fā)射部分。

(3) 超聲發(fā)射部分：此部分為BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)電路，作用是根據(jù)接收到的控制信號(hào)，在與電源相互配合下產(chǎn)生高壓激勵(lì)脈沖信號(hào)，激勵(lì)探頭工作，發(fā)射超聲信號(hào)。

回波信號(hào)檢測(cè)部分主要是利用實(shí)驗(yàn)器材對(duì)所產(chǎn)生的激勵(lì)脈沖進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用的探頭尺寸為f29×35，其諧振頻率是1 MHz，采用對(duì)穿的工作方式檢測(cè)鋼塊中超聲波的情況。以超聲分析儀(Panamatrics-NDT 5800)將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后傳給示波器，進(jìn)而觀測(cè)到不同形式激勵(lì)脈沖對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)的影響。

4 實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果分析

按照?qǐng)D5方式連接各部分電路，在系統(tǒng)通信正常的情況下對(duì)各部分進(jìn)行設(shè)置。實(shí)驗(yàn)條件如下：(1)上位機(jī)選擇設(shè)置：脈沖個(gè)數(shù)為1個(gè)，重復(fù)頻率為5 kHz，脈沖寬度為500 ns(探頭固有頻率換算成時(shí)間的一半)。(2) 激勵(lì)脈沖電壓(驅(qū)動(dòng)探頭電壓)：?jiǎn)螛O性脈沖：+24 V；雙極性脈沖：±12 V；BTL結(jié)構(gòu)激勵(lì)脈沖：+12 V。(3) 超聲分析儀設(shè)置：MODE= THRU。

圖6為相同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量的單極性方波脈沖、雙極性方波脈沖和BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)下的回波信號(hào)圖。

BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)的回波信號(hào)圖6(b)與單極性方波脈沖激勵(lì)的回波信號(hào)圖6(a)相比較可知，兩種方式下的回波信號(hào)的形狀、起振位置、起振方向及回波幅度基本一致，且幅度峰峰值誤差為1.5%。但單極性方波激勵(lì)的電壓為24 V，BTL結(jié)構(gòu)激勵(lì)方式的電壓為12 V，在壓電換能器近似等效為電容的情況下，得到相同的回波幅值時(shí)，BTL結(jié)構(gòu)激勵(lì)方式相比單極性方波激勵(lì)方式節(jié)省50%的激勵(lì)能量。

BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)的回波信號(hào)圖6(b)與雙極性方波脈沖激勵(lì)的回波信號(hào)圖6(c)相比較可知，兩種方式下的回波信號(hào)起振位置，起振方向及回波幅度基本相同，且回波幅度峰峰值誤差為1.3%。說明BTL結(jié)構(gòu)的超聲激勵(lì)探頭的效果等效于雙極性方波脈沖激勵(lì)的效果，而且此方法節(jié)省一路電源。

因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵(lì)電路不但可以增強(qiáng)發(fā)射信號(hào)的能量，提高檢測(cè)回波靈敏度，節(jié)省功放的供電電源，而且不受PNP功率晶體管負(fù)向耐壓不高的限制，相對(duì)而言達(dá)到了提高工作電壓的效果。

5 結(jié)論

本文利用了MAX4940中兩個(gè)通道串聯(lián)搭建成BTL結(jié)構(gòu)的超聲激勵(lì)電路，通過改變換能器上所施加的電壓，在相同實(shí)驗(yàn)條件下提高超聲發(fā)射的能量，是解決超聲檢測(cè)領(lǐng)域中功放負(fù)向電壓受限而影響檢測(cè)效果問題的較好辦法。

在此基礎(chǔ)上，當(dāng)通過并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)換能器，即可得到同等條件下的兩倍電流的發(fā)射信號(hào)，以達(dá)到提高發(fā)射信號(hào)的能量，如并聯(lián)更多的通道能實(shí)現(xiàn)更大的驅(qū)動(dòng)電流，進(jìn)一步提高工作效率，但需注意IC輸入、輸出及寄生電容相應(yīng)增大對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)帶來的影響。

致謝：感謝王沖在MAX4940設(shè)計(jì)板卡制作方面的幫助。

[1] 楊劍, 高成強(qiáng), 劉曉方. 超聲激勵(lì)方式對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響[J]. 無損檢測(cè), 2010, 32(1): 36-38.

YANG Jian, GAO Chengqiang, LIU Xiaofang. Affect of different simulation mode on ultrasonic testing signal[J]. Non-destructive Testing, 2010, 32(1): 36-38.

[2] 陳昌華. 激勵(lì)脈沖信號(hào)對(duì)超聲波檢測(cè)的影響[J]. 冶金分析, 2010; 30(增刊): 1380-1384.

CHEN Changhua. Excitation pulse signal used in ultrasonic testing[J]. Metallurgical Analysis, 2010, 30(Suppl.): 1380-1384.

[3] 趙永科, 李躍忠, 胡開明. 超聲波流量計(jì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)與高速切換電路研究[J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2011, 34(2): 198-200.

ZHAO Yongke, LI Yuezhong, HU Kaiming. Ultrasonic flowmeter with signal driven and high-speed switching circuit research[J]. Journal of East China Institute of Technology: Natural Science Edition, 2011, 34(2): 198-200.

[4] 欒桂東, 張金鐸, 王仁乾. 壓電換能器和換能器陣[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2005: 32-40.

[5] 馬慶云, 楊輝. 激勵(lì)脈沖寬度對(duì)超聲發(fā)射能量的影響[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2000, 20(5): 38-39.

MA Qingyun, YANG Hui. The influence of drive impulse width in ultrasonic emitting energy[J]. Mining Research and Development, 2000, 20(5): 38-39.

Circuit performance analysis of balanced transformer-less structure for ultrasonic excitation

AN Yan-fang, PENG Zhao-bin, LIAN Guo-xuan, LENG Tao, WANG Xiao-min

(Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

A circuit is designed with two positive single pulse voltages, which can generate the effect of bipolar voltage, based on Balanced Transformer Less structure. This circuit improves the energy of the excitation signal and provides a solution to the problems of low negative withstand voltage and complex power supply in ultrasonic nondestructive testing. Hardware implementation and related experiments are included in this paper. Pulse echo testing results show that the ultrasonic excitation of Balanced Transformer Less structure can increase the amplitude of echo. In the same experimental conditions, the echo amplitude is two times greater than that of the unipolar square wave pulse excitation, thus equivalent to that of the bipolar square wave pulse excitation.The method can improve the circuit performance of ultrasonic excitation, and provide the theoretical and experimental basis for the design of ultrasonic excitation system with high-performance and portable.

ultrasonic testing; Balanced Transformer Less structure; circuit performance

TB533

A

1000-3630(2015)-03-0279-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.018

2014-03-29;

2014-06-26

中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目(Y329011331)

安艷芳(1988－), 女, 吉林德惠人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槌曁綔y(cè)。

廉國(guó)選, E-mail: lian@mail.ioa.ac.cn