激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡的製作方法
2024-02-09 04:47:15
專利名稱：激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡的製作方法
技術領域：
實現了一種用於激勵壓電換能器陣列產生任意波形的超聲導波激勵板卡，屬於無損檢測領域。
背景技術：
在工業領域中基於超聲導波技術對管道及板類結構健康狀況檢測是一門正快速發展的檢測技術，它的最大優點是檢測時安全、簡便、可靠、準確而且精度高。該技術的核心是要激勵出適合在檢測對象中傳播的超聲導波，鑑於檢測對象結構材料的複雜多樣性和檢測小缺陷算法的需要，激勵板卡應提供能激勵頻率幅值可調的任意波形的能力。如要實現超聲導波的時反聚焦來提高小缺陷檢測能力，需要激勵板卡能發射幅值可程控的任意形狀高壓脈衝波形；如要實現掃頻檢測需要激勵板卡能發射具有一定帶寬的高壓掃頻波，以提高檢測速度。目前，國際上廣泛使用的用於長距離檢測的兩種導波檢測設備，一種是英國GUL公司的針對壓電換能器陣列設計的WaveMarker G3,另外一種是由美國西南研究院針對磁致伸縮換能器開發的MsSR3030導波檢測系統，這兩種設備都是通過在頻散較小的頻率點激勵單一模態來實現缺陷檢測。因而，這些設備中的激勵板卡都只能生成某種固定類型的窄帶脈衝，不具備激勵壓電換能器產生任意波形的功能，對導波檢測技術的進一步發展產生了極大的限制。
發明內容本實用新型的目的是提供一種可激勵任意波形的可程控、寬帶、大功率、小體積、易擴展的激勵板卡。本實用新型中的激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡，包括可接收上位機波形數據點的USB接口電路，用於存儲波形數據點的SRAM，將波形數據點按照一定時序轉換形成波形模擬信號的波形合成電路，控制USB接口電路、SRAM、波形合成電路進行波形數據點接收、存儲和合成的FPGA，將波形模擬信號進行功率放大的波形功放電路；其中波形功放電路採用差分放大結構，可有效減少放大信號的幹擾和失真，與能夠形成各種波形的波形合成電路配合，實現了能夠產生各種波形的超聲導波激勵板卡。所述的波形功放電路的主要功能是將波形合成激勵模塊所產生的小功率激勵波形信號進行功率放大，以便能有效激勵壓電傳感器陣列產生超聲導波信號，該部分要能實現寬帶大功率線性放大。為實現上述目的，首先將不平衡信號用功率分配器變成兩路平衡信號，然後將兩路信號分別進行功率放大，用功率合成器將放大後的兩路信號進行功率合成為一路不平衡信號，採用差分放大的結構，可有效減小諧波失真。為進行大範圍長距離檢測，需要產生有較大能量的激勵信號，選用大功率的MOS場效應管和大功率分立元件構成的外圍電路來實現功率放大系統。為了拓展輸出信號的帶寬，在每路放大電路的場效應管的漏極和柵極之間引入負反饋。所述波形功放電路由下面器件連接而成[0007]其中的場效應管為U27和U14，U14和U27的偏置電壓由電壓源VCC3提供，VCC3經濾波後分別通過兩路偏置電路為U27和U14提供偏置電壓，其中一路偏置電路由電位器R50、二極體D10、電阻R25串聯接至U27的柵極，再由U27的柵極串接電阻R32至地而成，另一路偏置電路由電位器R53、二極體D11、電阻R33、電阻R34串聯接至U14的柵極，再由U14的柵極串接電阻R35至地而成，其中的二極體DlO和二極體Dll皆正向連接；U27和U14的漏極分別經電阻R26和電阻R30再通過濾波電路接VCC3 ；U27和U14的源極分別經並聯的電阻R9、電容ClO和並聯的電阻R10、電容C18接地。其中的功率分配變壓器為TR1，TRl的原端接波形模擬信號，TRl的輸出形成兩路差模信號，分別接到U27和U14，其中一路通過電容C7、電阻R31接至U27的柵極，另外一路通過電容C20、電阻R34接至U14的柵極。U27和U14的漏極作為輸出分別經電容C28和電容C29接到功率合成變壓器TR2的I腳和3腳；TR2的2腳和TR3的I腳、4腳相連，TR2的4腳和TR3的3腳接地，TR3的2 腳作為合成信號輸出，其中TR3的2腳直接BNC2，且經電阻R36接地。所述反饋電路分別接在U27和U14的漏極和柵極之間，該反饋電路由電阻和電容組成，其中，U27的漏極和柵極間由電容C9和電阻R38相連;U14的漏極和柵極間由電容C48和電阻R39相連。在U27和U14的源極和柵極間分別接有保護電路，該保護電路由兩個對接的二極體構成，其中，U27的漏極和柵極間為D14、D15 ；U14的漏極和柵極間為D12、D13。在電壓源VCC3與場效應管U27和U14的柵極和漏極間設有濾波電路，該濾波電路皆採用由電容和電感組成的濾波器，其結構分為三路，一路電壓源VCC3經電容CP26接地，同時電壓源VCC3接電感L24，電感L24與電感L25異名端串接後分別與U27和U14的偏置電路連接，且電感L24與電感L25的連接處通過電容C6接地。二路電壓源VCC3經電容CP8接地，同時電壓源VCC3接電感L17，電感L17與電感LlO異名端串接後經電阻R26接U27的漏極，且電感L17與電感LlO的連接處通過電容C8接地。三路電壓源VCC3經電容CP9接地，同時電壓源VCC3接電感L18，電感L18與電感L16異名端串接後經電阻R30接U14的漏極，且電感L18與電感L16的連接處通過電容C27接地。
圖I、本實用新型激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡的原理框圖；圖2、本實用新型激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡中的波形功放電路的一實施例電路圖。圖3、歸一化處理後的時反波波形圖圖4、合成電路合成的時反波波形圖圖5、波形功放電路的規一化頻響曲線具體實施方式
下面結合圖I 圖5對本實用新型作進一步的說明本激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡的結構框圖如圖I所示，上位機產生波形數據點，FPGA控制USB接口電路接收波形數據點，並將其送到激勵板卡中的SRAM存儲器，FPGA從SRAM取出波形數據點並將波形數據點進行時序轉換，然後發送到波形合成電路形成波形模擬信號，經波形功放電路將波形模擬信號進行功率放大，然後輸送到壓電換能器陣列。本實施例中的FPGA為Xilinx公司的Spartan-III系列現場可編程門陣列。在FPGA控制波形數據的傳輸、存儲、波形合成的整個過程。波形合成中含有14位數模轉換器，數模轉換器將波形數據點轉換成對應的模擬信號，然後通過後續的放大電路進行放大。為說明該任意波形激勵板卡的波形合成功能，在實際檢測時需要合成的時反波的如圖3所示，經該電路合成的波形如圖4所示，兩者比較相似，說明該激勵板卡具有生成時反波的功倉泛。本實施例中的波形功放電路如圖2，主要採用兩個場效應管作為放大器件，兩組變壓器分別作為功率分配變壓器和功率合成變壓器，另外還包括功率電阻、電容、二極體、功率電感、滑動變阻器、電感等元器件。上述的波形功放電路實現如下其中，場效應管為U27和U14，U14和U27的偏置電壓由電壓源VCCO提供，VCCO經兩路偏置電路分別為U27和U14提供偏置電壓，其中一路偏置電路由電位器R50、二極體D10、電阻R25、電阻R31串聯接至U27的柵極，再由U27的柵極串接電阻R32至地而成，另一路偏置電路由電位器R53、二極體D11、電阻R33、電阻R34串聯接至U14的柵極，再由U14的柵極串接電阻R35至地而成，其中的二極體DlO和二極體Dll皆正向連接；U27和U14的 漏極分別經電阻R26和電阻R30接VCCl和VCC2 ；U27和U14的源極分別經並聯的電阻R9、電容ClO和並聯的電阻R10、電容C18接地。由4個3V的磷酸鐵鋰電池串聯成12V的電源，直接提供給VCC0，經升壓變換後分別生成數百伏的高壓提供給VCCl和VCC2。其中的功率分配變壓器為TR1，TRl的原端接波形模擬信號，TRl的輸出形成差模信號，分別接到U27和U14，其中一路通過電容C7、電阻R31接至U27的柵極，另外一路通過電容C20、電阻R34接至U14的柵極。U27和U14的漏極作為輸出分別經電容C28和電容C29接到功率合成變壓器TR2的I腳和3腳；TR2的2腳和TR3的I腳、4腳相連，TR2的4腳和TR3的3腳接地，TR3的2腳作為合成信號輸出，其中TR3的2腳直接BNC2，且經電阻R36接地。為了拓展輸出信號的帶寬，U27和U14的漏極和柵極間分別接有反饋電路，該反饋電路由電阻和電容組成。其中，U27的漏極和柵極間由電容C9和電阻R38相連;U14的漏極和柵極間由電容C48和電阻R39相連。為了使輸出信號穩定和防止突然斷電對場效應管的影響，U27和U14的源極和柵極間分別接有保護電路，該保護電路由兩個對接的二極體構成。其中，U27的漏極和柵極間為D14、D15 ；U14的漏極和柵極間為D12、D13。為了防止直流電源的幹擾進入電路，同時也防止交流信號竄入直流電源，電壓源VCC3與場效應管U27和U14的柵極和漏極間設有濾波電路，該濾波電路皆採用由電容和電感組成的濾波器，其結構分為三路，一路電壓源VCC3經電容CP26接地，同時電壓源VCC3接電感L24，電感L24與電感L25異名端串接後分別與U27和U14的偏置電路連接，且電感L24與電感L25的連接處通過電容C6接地。二路電壓源VCC3經電容CP8接地，同時電壓源VCC3接電感L17，電感L17與電感LlO異名端串接後經電阻R26接U27的漏極，且電感L17與電感LlO的連接處通過電容C8接地。三路電壓源VCC3經電容CP9接地，同時電壓源VCC3接電感L18，電感L18與電感L16異名端串接後經電阻R30接U14的漏極，且電感L18與電感L16的連接處通過電容C27接地。在設計完成該部分電路後，對其性能進行測試，得到的頻率響應曲線，如圖5。該功放電路的帶寬至少為2MHz，且在超聲導波的檢測範圍內具有較好的通帶平坦度。該板卡不僅能用於時反聚焦檢測，還能用於其它的聚焦檢測方法研究。最後應說明的是以上實施例僅說明本實用新型而並非限制本實用新型所描述的 技術方案；因此，儘管本說明書參照上述的各個實施例對本實用新型已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本實用新型進行修改或等同替換；而一切不脫離實用新型的精神和範圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
權利要求1.激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡，包括可接收上位機波形數據點的USB接口電路，用於存儲波形數據點的SRAM，將波形數據點按一定時序轉換形成波形模擬信號的波形合成電路，控制USB接口電路、SRAM、波形合成電路進行波形數據點接收、存儲和合成的FPGA，將波形模擬信號進行功率放大的波形功放電路；其特徵在於，所述波形功放電路由下面器件連接而成 包括兩個場效應管U27和U14、一個功率分配變壓器TRl、兩個功率合成變壓器TR2和TR3，其中， U14和U27的偏置電壓由電壓源VCC3提供，其中VCC3經濾波後分別通過兩路偏置電路為U27和U14提供偏置電壓，其中一路偏置電路由電位器R50、二極體D10、電阻R25串聯接至U27的柵極，再由U27的柵極串接電阻R32至地而成，另一路偏置電路由電位器R53、二極體DlI、電阻R33、電阻R34串聯接至U14的柵極，再由U14的柵極串接電阻R35至地而成，其中的二極體DlO和二極體Dll皆正向連接；U27和U14的漏極分別經電阻R26和電阻R30再通過濾波電路接VCC3 ；U27和U14的源極分別經並聯的電阻R9、電容ClO和並聯的電阻R10、電容C18接地； TRl的2腳接第一 BNC接頭的I腳，TRl的I腳和第一 BNC接頭的2、3、4腳均接地，TRl的輸出為差分信號分別從TRl的3腳和4腳輸出，其中TRl的3腳通過電容C20、電阻R34接至U14的柵極，TRl的4腳通過電容C7、電阻R31接至U27的柵極；U27和U14的漏極作為輸出分別經電容C28和電容C29接到TR2的I腳和3腳；TR2的2腳和TR3的I腳、4腳相連，TR2的4腳和TR3的3腳接地，TR3的2腳作為合成信號輸出，並經電阻R37接至第二BNC接頭的I腳，同時經電阻R36接地； 所述反饋電路分別接在U27和U14的漏極和柵極之間，該反饋電路由電阻和電容組成，其中，U27的漏極和柵極間由電容C9和電阻R38相連;U14的漏極和柵極間由電容C48和電阻R39相連。
2.如權利要求I所述的激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡，其特徵在於U27和U14的源極和柵極間分別接有保護電路，該保護電路由兩個對接的二極體構成，其中，U27的漏極和柵極間為D14、D15 ；U14的漏極和柵極間為D12、D13。
3.如權利要求I所述的激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡，其特徵在於電壓源VCC3與U27和U14的柵極和漏極間設有濾波電路，該濾波電路皆採用由電容和電感組成的濾波器，其結構分為三路， 一路電壓源VCC3經電容CP26接地，同時電壓源VCC3接電感L24，電感L24與電感L25異名端串接後分別與U27和U14的偏置電路連接，且電感L24與電感L25的連接處通過電容C6接地； 二路電壓源VCC3經電容CP8接地，同時電壓源VCC3接電感L17，電感L17與電感LlO異名端串接後經電阻R26接U27的漏極，且電感L17與電感LlO的連接處通過電容C8接地； 三路電壓源VCC3經電容CP9接地，同時電壓源VCC3接電感L18，電感L18與電感L16異名端串接後經電阻R30接U14的漏極，且電感L18與電感L16的連接處通過電容C27接地。
專利摘要一種激勵壓電換能器陣列產生超聲導波的任意波形激勵板卡，用於激勵壓電換能器陣列產生超聲導波，屬於無損檢測領域。包括可接收上位機波形數據點的USB接口電路，和用於存儲波形數據點的SRAM，將波形數據點按一定時序轉換形成波形模擬信號的波形合成電路，FPGA控制波形數據點的接收、存儲和合成，將波形模擬信號進行功率放大的波形功放電路；其中波形功放電路整體結構採用差分放大形式可有效抑制諧波失真和溫漂，與能夠形成各種波形的波形合成電路配合，實現了能夠產生任意波形的超聲導波激勵板卡。
文檔編號G01N29/34GK202661448SQ20122004911
公開日2013年1月9日 申請日期2012年2月15日 優先權日2012年2月15日
發明者何存富, 周進節, 鄭陽, 吳斌 申請人:北京工業大學