空氣耦合超聲無損檢測系統電路設計*

張宸宸， 李松松， 夏聞澤， 李 昆， 杜劍峰， 蘇 欣

(大連海洋大學 信息工程學院，遼寧 大連 116023)

0 引 言

初期的空氣耦合超聲波無損檢測系統[1,2]與通常的水耦合系統相比，其信號幅值要低，另外，換能器用料與空氣聲阻抗的嚴重不匹配，也使空氣耦合超聲換能器在使用時存在效率不高，頻帶比實現需要的要窄，脈沖余振長，從而降低了該檢測系統的靈敏度、信噪比和分辨率[3]。針對空氣耦合超聲檢測中接收信號信噪比低問題，Tur A等人[4]研究了超低噪聲前置信號放大器的設計。王偉等人[5]通過檢測系統數據處理軟件將所存儲數據處理,改善了信噪比,提高了橫向和縱向分辨率,完成了被檢測處的B掃描成像。周正干針對于空氣耦合超聲中信號的衰減因素進行了詳細的分析和研究[6]，并針對空氣耦合超聲中信號幅值和信噪比低等問題，提出了解決方法。夏利利等人[7]系統地研究了制約空氣耦合式超聲檢測技術實現的關鍵問題,氣/固分界面處的能量反射損耗及空氣對超聲波的高吸收損耗,并給出針對該問題的解決途徑。

在國內，由于沒有成熟的空耦傳感器生產制造商，傳感器、高功率的超聲激勵和高增益的超聲接收裝置多依賴進口，大大限制了該研究的開展[8]。因此，如何選擇比較適合的超聲波發射脈沖，可以使超聲波檢測系統在提高檢測能力同時，也能相應提高測量精度與抗干擾能力，成為超聲波無損檢測技術的一個重要研究目標[9]。

本文通過將石英振蕩電路產生的矩形脈沖信號調制成間斷脈沖信號并進行加壓處理，滿足了發射電路的電壓要求。利用前置放大電路和增益可調節電路相結合，不僅解決空氣耦合中對電路增益的要求，滿足系統接收信號時的阻抗匹配問題，且提高了系統的可適應性以及擴展其檢測范圍。濾波電路對接收到的信號進行后處理，成功實現降噪。

1 空氣耦合超聲檢測系統

本文基于空氣耦合超聲的無損檢測系統功能如下:1)發射脈沖為間隔脈沖；2)發射頻率具體由超聲波換能器的固有參數決定；3)接收帶寬為0.5～1.5 MHz(由超聲波換能器的參數決定)；4)增益為0～80 dB可調前置放大電路和增益自動控制電路ACG；5)濾波采用有源濾波器數值濾波。系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 發射電路的設計與仿真

本文采用石英晶體作為發射電路的振動電路，具體組成為：

1)振蕩電路。原理如圖2所示，電阻器R1通常取0.7～2 kΩ之間；相對于CMOS反相器，電阻值通常取10～100 MΩ之間。電容器C在電路振動頻率為f0時，其容抗非常的小，可以忽略不計，使得兩個反相器之間形成正反饋通路。當接入外部電源時，電路就能產生振蕩電流。

圖2 石英晶體振蕩電路

2)對石英晶體的振蕩電路進行變形。通過集成運放組成的加減運算電路，將0～5 V的脈沖電壓轉換為-2.5～2.5 V之間的脈沖電壓。輸出電壓為

Uo=R3(U2/R1-U1/R4)

(1)

3)調制電路。通過555定時器產生的方波脈沖和石英脈沖振蕩器產生的脈沖進行乘法運算，調制成間斷脈沖波形。如圖3所示。

圖3 間斷脈沖發生電路

由于二極管的單導通，電流充放電不同，充電電流只流經R10，D1，而電容器C充電時間為

T≈0.693RAC

(2)

放電電流只流經R11，D2 ，三極管T，放電時間為

T2≈0.693RBC

(3)

總的周期T=T1+T2，故電路頻率為

f=1/T=1.443/((RA+RB)C)

(4)

電路占空比為

q=RA/(RA+RB)

(5)

通過調節RC的大小，使脈沖串的大小間隔滿足發射系統的需求。利用除法器，使得輸出的電壓大小為0 V和1 V。將上面兩個電路整合如圖3。

4)電路采用變壓器直接對交流信號進行升壓，提高發射信號的功率，以達到超聲波換能器的電壓要求。

仿真模擬如圖4，信號發生器產生的正弦波形經過變壓器直接升壓后波形并沒有發生過度的失真。

圖4 仿真電路

2.2 接收信號電路設計與仿真

超聲波信號經過發射反射接收的過程后，有效信號的強度會下降,因此對信號進行放大處理：1)超聲波換能器應與放大電路符合最佳匹配的需求，提高接收信號的靈敏度；2)由于采用空氣耦合，回波信號的衰弱比普通超聲探傷大，所以放大電路的增益應該比普通放大電路高；3)由于超聲波在空氣中傳播的衰弱，其回波信號有很大的動態范圍，需要考慮到電路增益是否太大而使得放大器出現飽和而無法工作，因此需要在不失真的情況下有效地放大信號，放大器一定要具有一定帶寬。

考慮到以上因素，本文采用前置放大電路和增益可調的放大電路兩級放大相結合的方式，使得電路的增益能達到要求，且能通過調節二級放大電路調節電路的增益。

2.2.1 前置放大電路

為了滿足空氣耦合對空氣介質的要求，前置放大器的放大倍數應達到80 dB,采用兩級放大電路對回波信號進行放大。應用集成運放構成同相放大電路，放大倍數為

Vout/Vin=(R2/R1)×(R7/R3)

(6)

式中R1，R3=10 kΩ；R2，R7=1 MΩ。經計算，兩級放大電路放大倍數都為40 dB，兩級電路之間通過1 μF的電容器進行級間耦合，兩者的放大增益近似為80 dB。電路如圖5。

圖5 前置放大電路

2.2.2 增益可調節放大電路

在實際的超聲檢測時，由于待測物體薄厚不一以及待測電壓的高低，容易導致回波信號在接收時產生較大的差異。需要設計既能在小信號輸入時得到適當的放大，又能保證強信號放大不會使電路出現飽和過載，以此提高系統的可適應性以及擴展其檢測范圍。

圖6所示，自動增益放大器采用了ADI研制的AD603壓控VGA芯片。使用兩塊AD603芯片，通過兩級放大電路進行級聯，以此來構成這個可控增益放大電路。

圖6 AD603自動增益電路

2.3 帶通濾波電路

為了去除回波信號中的噪聲信號，須采用濾波電路對回波信號進行適當的處理。

圖7中，R1和C1構成低通電路(LPF)，C2和R3構成高通網絡(HPF)，兩者通過級聯連接到一起構成帶通濾波器。Up為電路的同相比例運算電路的輸入，比例系數為

Auf=1+R5/R1

(7)

圖7 帶通濾波器

設C1=C2=C，R1=R4=R，R3=2R，電路傳遞函數為

Au(s)=[(Auf·sRC)/[1+(3-Auf)sRC+(SRC)2]

(8)

令中心頻率f0=1/(2πRC),電壓的放大倍數為

(9)

當f=f0時，就能獲得通頻帶的放大倍數Aup，令其分母的模值等于2，亦即使Au的分母虛部的絕對值等于1，通過解方程，取正根，就能得到電路的上下限截止頻率分別為

(10)

(11)

該電路的通頻帶

fbw=fp2-fp1=|3-Auf|f0=f0/Q

(12)

通過超聲探頭具體規格，可知其中心頻率f0，其工作帶寬BW，先假設確定電容值C的大小，則有

R=1/(ω0C)=1/(2πf0C)

(13)

再由

Q=f0/BW,Auf=(1-3Q)/(-Q)

(14)

代入式(7)，可以確定R5和R4的比例關系，從而確定了各個元件的比例大小。最終確定圖7中各元件參數為:R1=16 kΩ,R2=1.5 kΩ,R3=32 kΩ,R4=1.5 kΩ,R5=1 kΩ,C1=C2=10 pF。且電路的濾波特性是根據探頭的參數確定的，圖8模擬的中心頻率f0=1 MHz，帶寬BW=0.5 MHz。

3 仿真結果分析

1)空氣耦合超聲波發射電路及仿真結果如圖8、圖9所示(在變壓器次級線圈端使用2 kΩ電阻器模擬超聲波換能器)。發射電路發射大約600 V的電壓。實現了超聲波換能器的固有頻率和石英晶體的振蕩頻率一致。

圖8 2 kΩ電阻模擬超聲波換能器發射電路

圖9 2 kΩ電阻模擬超聲波換能器發射端仿真結果

2) 接收端的放大電路及仿真如圖10、圖11所示，其中信號發生器模擬發射2 μV時信號的放大情況。仿真結果顯示接收的信號被放大1.046 V，穩定在1 V左右。

圖10 接收端放大電路

圖11 2 μV時接收端信號的放大情況

4 結 論

1)發射電路。通過石英晶體振蕩電路產生的直流矩形脈沖信號，調制電路將連續的脈沖信號變成間斷的脈沖信號，然后對信號進行加壓處理，提高了信號的發射功率，達到600 V，滿足了超聲波換能器的電壓(10～600 V)要求。

2)接收電路。采用前置放大電路和增益可調的放大電路兩級放大相結合的方式，使得電路的增益能達到要求，前置放大器的放大倍數應達到80 dB。仿真輸出電壓放大了79.43 dB，基本能滿足要求。且能通過調節二級放大電路調節電路的增益，能有效解決空氣耦合中對電路增益的要求，滿足系統接收信號時的阻抗匹配問題，提高了系統的可適應性以及擴展其檢測范圍。

3)濾波電路。中心頻率f0=1 MHz，帶寬BW=0.5 MHz可接收頻率0.5～1.5 MHz的超聲波。實現了對回波中噪聲信號的削減，達到降噪的效果。

由于空氣耦合對于超聲波換能器的特殊要求，在仿真上不能完全模擬，分步對各個部分電路進行模擬檢測，每個部分都能良好的完成工作，取得滿意的仿真結果，實現了系統功能。