雙極大功率脈衝超聲波發生器的製造方法
2023-07-21 16:56:26 2
雙極大功率脈衝超聲波發生器的製造方法
【專利摘要】本實用新型是基於超聲理論及高頻電子技術所研製的一種雙極大功率脈衝超聲波發生器，主要應用於混凝土大壩、核電關鍵壓力容器等散射比較強介質的超聲檢測。其中單片機產生控制信號，經過橋式驅動電路對全橋進行驅動，以達到控制電容充放電的目的，從而控制脈衝激發電路輸出所需脈寬的雙脈衝信號，最終經過雙脈衝變壓器使脈衝幅度大大提升。本實用新型與現有的單脈衝信號發生器相比，探傷深度與精確度有了很大的提高。
【專利說明】雙極大功率脈衝超聲波發生器
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於超聲檢測及高頻【技術領域】，涉及一種大功率的雙脈衝超聲信號發生器。
【背景技術】
[0002]目前超聲探傷所使用的脈衝信號源大多功率不夠高,而已有的大功率衝超聲信號發生器又是單脈衝信號源，具有脈衝寬度不可調的弊端，而大壩的混凝土結構以及核電站壓力容器的奧式鋼體結構對聲波的散射衰減很大，如發射換能器發射的超聲波功率不強，將無法檢測到回波信號，就不能很好的完成深度探傷的檢測。
[0003]申請號為「201120198403」名稱為「一種大功率超聲波發生機」的專利申請，公開的是一種大功率超聲波發生機，包括380 V的電源、整流器、功放1、功放I 1、合成器和換能器，其特徵在於:還包括電壓調節器、單片機、信號源、匹配網絡，以及電纜，所述電源經過電壓調節器微調後進入整流器，整流後的電源經過功放I和功放I I輸送到合成器，所述單片機通過信號源對功放1、功放I I進行控制，所述合成器通過傳感器與匹配網絡連通，所述匹配網絡通過電纜與換能器連通。該實用新型採用了先進的元器件，電路設計為脈衝功率轉換多單元一次合成技術，結構簡化，性能可靠，具有頻率，脈寬和功率協調功能，電流衝擊小，輸出功率大而穩定，但是輸出的是正弦波信號，無法用於超聲探傷。
[0004]申請號為「200980144195」名稱為「脈衝信號發生裝置」的專利申請，公開的是一種脈衝信號發生裝置，其特徵在於:為了在諧振腔發生負阻使三電極高頻放大元件集成化，並且為了共用向空間放射電磁波的天線功能構成放射型振蕩器，通過使上述三電極高頻放大元件短時間進行動作而獲得短時間的負阻，發生基於該負阻和上述諧振腔之構造所決定的振蕩頻率/頻率帶寬的高頻脈衝信號，並同時將其向空間放射。該實用新型具有構造單純化、高性能化、小型集成化、設計容易化、低耗電化、低成本化的特點，但是屬於微波/毫米波段的高頻脈衝信號發生裝置，功率小，不能達到所需的探傷深度及精確度。
[0005]申請號為「201210063255.3」名稱為「大功率單脈衝超聲信號發生器及其無損探傷的方法」的專利申請，公開的是一種大功率的單脈衝超聲波發生器，其特徵在於:通過控制單片機產生的PWM波作為控制信號，經過緩衝放大電路對電流進行放大，以達到驅動功率開關管的通斷，控制電容充放電的目的，從而控制脈衝激發電路輸出所需脈寬的單脈衝信號，定時將脈衝幅度反饋給單片機，對設備空載及過熱現象及時採取保護措施，最終經過單脈衝變壓器使脈衝幅度大大提升。該實用新型雖然克服了以往脈衝功率源輸出功率過低的弊端，但其脈衝寬度不可調，脈衝信號主頻無法與任意換能器固有頻率達成一致形成諧振，浪費了能量，消弱了探測效果。
實用新型內容
[0006]本實用新型要解決的技術問題是設計一種雙極大功率脈衝超聲波發生器，該雙極大功率脈衝超聲波發生器與已有脈衝信號發生器相比功率至少提升了兩倍，且通過控制正脈衝和負脈衝的間隔時間，可以控制脈衝信號主頻，實現與發射換能器的頻率匹配，充分激發探測聲波。
[0007]一種雙極大功率脈衝超聲波發生器，其特徵是，包括:
[0008]單片機，所述單片機產生控制信號輸入兩個半橋驅動電路；
[0009]由功率開關管組成的全橋電路，所述全橋電路由所述兩個半橋驅動電路輸出的信號控制；
[0010]還包括由所述全橋電路控制進行充放電的電容；
[0011]所述電容產生的信號經一脈衝變壓器進行脈衝升壓後激發發射換能器產生超聲信號。
[0012]所述的電容為油浸電容，所述的油浸電容充放電時產生雙脈衝信號。
[0013]所述全橋電路中包含四個橋式連接的第一功率開關管、第二功率開關管、第三功率開關管和第四功率開關管，其中第一功率開關管、第三功率開關管的源極分別和第二功率開關管、第四功率開關管的漏極連接；第一功率開關管、第三功率開關管的漏極與電源端連接，第二功率開關管、第四功率開關管的源極接地；第一功率開關管和第二功率開關管、第三功率開關管和第四功率開關管柵極分別與一個半橋驅動電路連接，電容的一端與第一功率開關管、第三功率開關管的漏極相連，電容的另一端與第二功率開關管、第四功率開關管的漏極相連，控制電容充放電。
[0014]所述的脈衝變壓器對所述電容產生的雙脈衝信號進行幅值放大。
[0015]所述的兩個半橋驅動電路用於控制全橋電路的兩個橋臂的開啟和閉合。
[0016]由兩個半橋驅動電路控制所述的全橋電路的兩個橋臂開啟和關閉的時間間隔，使全橋電路輸出的正脈衝與負脈衝的時間間隔可調。
[0017]所述的超聲換能器用於發射超聲信號。
[0018]本實用新型所達到的有益效果:
[0019]本實用新型的雙極大功率脈衝超聲波發生器裝置，設備簡單，易於實現，成本較低且功率大，克服了已有大功率單脈衝超聲發生器的脈寬不可調的弊端，實現與換能器主頻的精確匹配。使用此裝置對混凝土結構的建築物進行無損探傷測量也可以得到明顯的回波?目號，大大提聞了探傷的深度與精確度，並對廣生大功率脈衝提供了新思路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為雙極大功率脈衝超聲波發生器裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護範圍。
[0022]如圖1所示，本實用新型的雙極大功率脈衝超聲波發生器裝置包括MCU、兩個半橋驅動電路、全橋電路1、發射換能器7。其中全橋電路I包括功率開關管2、6、8、11、二極體
3、5、9、10、脈衝變壓器4、油浸電容12。功率開關管11、功率開關管8的源極分別和功率開關管2、功率開關管6的漏極連接；功率開關管11、功率開關管8的漏極與電源端VCC連接，功率開關管2、功率開關管6的 源極接地GND ;功率開關管11和功率開關管8、功率開關管2和功率開關管8柵極分別與一個半橋驅動電路連接，油浸電容12的一端與功率開關管11、第三功率開關管2的漏極相連，油浸電容12的另一端與功率開關管8、功率開關管6的漏極相連。功率開關管11、8、2、6、8的源極和漏極之間分別跨接二極體10、9、3、5，並且二極體的陽極均連接在源極上，二極體的陰極均連接在漏極上。功率開關管11和功率開關管8的源極分別連接在脈衝變壓器4的初級兩端，功率開關管2和功率開關管6的漏極也同時分別連接在脈衝變壓器4的初級兩端。脈衝變壓器4的次級兩端連接在發射換能器7的兩端上。
[0023]通過MCU，控制兩個半橋驅動電路工作，兩個半橋驅動電路分別控制全橋電路I中的上、下橋臂的工作，當油浸電容12充滿電後，首先控制功率開關管6、11打開，使油浸電容12沿功率開關管6、11進行放電，輸出一個正向脈衝，並經過脈衝變壓器4產生大功率正脈衝信號。脈衝產生完成後關閉所有橋臂，再次對油浸電容12進行充電，充電完成後，通過兩個半橋驅動電路控制功率開關管2、8打開，使油浸電容12沿功率開關管2、8進行放電，輸出一個反向脈衝，並經過脈衝變壓器4產生大功率負脈衝信號。這樣形成的雙極大功率脈衝通過發射換能器7發射出大功率的超聲波。
[0024]本實施例中使用AT89S52作為控制模塊MCU。它的主要任務是負責產生控制信號。
[0025]半橋驅動晶片IR2104用來驅動半橋電路，輸入信號5V即可工作，且能夠驅動最高600V的半橋電路，解決了單片機輸出電壓轉換和帶負載能力不足的問題，本電路為全橋電路，故使用兩塊IR2104。
[0026]橋式電路採用功率開關管IGBT搭建，IGBT特點是驅動功率小而飽和壓降低，開關速度快，導通狀態低損耗，符合本設計大功率的需求。全橋電路的具體工作方式如下:如圖1，當電源對油浸電容12充電完成後，首先控制功率開關管6、11導通，功率開關管2、8關閉，使電容放電在脈衝變壓器形成上形成一個正向脈衝，隨後關閉所有功率開關管，使電源對油浸電容12充電，充電完成後，打開功率開關管2、8，使油浸電容12放電在脈衝變壓器4形成上形成一個反向脈衝。由於橋臂打開的方向不一樣，所以在脈衝變壓器4上形成的脈衝方向也相反，最終形成雙極脈衝。
[0027]對於二極體3、5、9、10來說，首先二極體3、5、9、10能起到能量恢復元件的作用，將集電極電壓鉗位在電源電壓，使電壓不會超調。因此功率開關管能在良好的電壓應力條件下工作。其次，如果脈衝變壓器漏感中儲存了足夠多的能量，原邊電壓將通過二極體3、5、9、10將多餘的反激能量返回電源。這樣二極體3、5、9、10就可以很好的保護功率開關管不會被擊穿。
[0028]要想本裝置正常工作，脈衝變壓器的設計至關重要。饒制變壓器在設計鐵心的尺寸規格時，輸出功率與磁性材料的性質，幾何形狀和尺寸的關係公式可表示為:
[0029]
【權利要求】
1.一種雙極大功率脈衝超聲波發生器，其特徵是，包括: 單片機，所述單片機產生控制信號輸入兩個半橋驅動電路； 由功率開關管組成的全橋電路，所述全橋電路由所述兩個半橋驅動電路輸出的信號控制； 還包括由所述全橋電路控制進行充放電的電容； 所述電容產生的信號經一脈衝變壓器進行脈衝升壓後激發發射換能器產生超聲信號。
2.根據權利要求1所述的雙極大功率脈衝超聲波發生器，其特徵是，所述的電容為油浸電容，所述的油浸電容充放電時產生雙脈衝信號。
3.根據權利要求1所述的雙極大功率脈衝超聲波發生器，其特徵是，所述全橋電路中包含四個橋式連接的第一功率開關管、第二功率開關管、第三功率開關管和第四功率開關管，其中第一功率開關管、第三功率開關管的源極分別和第二功率開關管、第四功率開關管的漏極連接；第一功率開關管、第三功率開關管的漏極與電源端連接，第二功率開關管、第四功率開關管的源極接地；第一功率開關管和第二功率開關管、第三功率開關管和第四功率開關管柵極分別與一個半橋驅動電路連接，電容的一端與第一功率開關管、第三功率開關管的漏極相連，電容的另一端與第二功率開關管、第四功率開關管的漏極相連，控制電容充放電。
4.根據權利要求1所述的雙極大功率脈衝超聲波發生器，其特徵是，所述的脈衝變壓器對所述電容產生的雙脈衝信號進行幅值放大。
5.根據權利要求1所述的雙極大功率脈衝超聲波發生器，其特徵是，所述的兩個半橋驅動電路控制全橋電路的兩個橋臂的開啟和閉合。
6.根據權利要求1所述的雙極大功率脈衝超聲波發生器，其特徵是，由兩個半橋驅動電路控制所述的全橋電路的兩個橋臂開啟和關閉的時間間隔，使全橋電路輸出的正脈衝與負脈衝的時間間隔可調。
【文檔編號】G01N29/34GK203616291SQ201320783707
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】王恆, 韓慶邦, 劉偉, 李建, 李博微 申請人:河海大學常州校區