一種用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置的製作方法
2023-10-12 00:19:14 4
專利名稱：一種用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電磁超聲測厚無損檢測技術領域，特別涉及一種用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置。
背景技術：
超聲波測厚儀是根據超聲波脈衝反射原理來進行厚度測量的，當探頭髮射的超聲波脈衝通過被測物體到達材料分界面時，脈衝被反射回探頭通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恆定速度在其內部傳播的各種材料均可採用此原理測量。對於電磁超聲測厚儀器如果採用脈衝回波技術型換能器，檢測儀器結構將得到簡化。電磁超聲測厚儀器的回波信號檢測是微弱信號的檢測，激勵功率信號是高頻率、 高電壓、高功率信號，要將這兩者同時連接在脈衝回波技術換能器的同一個埠，並保證換能器獲得理想電壓波形，同時要保證換能器回波信號儘量完整傳送到信號輸出埠，還要避免連接信號輸出端的設備被高壓擊穿以及考慮如何屏蔽激勵功率輸入電路對信號接收電路的電磁幹擾。現有的電磁超聲測厚方法不能對回波信號進行收集，並且測厚儀器的激勵源和信號接收裝置之間沒有進行耦合匹配，從而不能使得回波信號儘量完整傳送到信號輸出埠，同時連接到信號輸出端的設備可能會被激勵電壓的高壓擊穿，此外由激勵信號接口引入的電磁幹擾也會影響測量的精度。
發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別提出一種結構簡單、信號傳輸質量高的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置。為達到上述目的，本發明的實施例提出一種用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置，包括激勵信號輸入接口，所述激勵信號輸入接口接入激勵源以輸入原始激勵信號，其中，所述原始激勵信號包括激勵信號和幹擾信號；隔離防幹擾模塊，所述隔離防幹擾模塊與所述激勵信號輸入接口相連，用於屏蔽所述原始激勵信號中的所述幹擾信號；測厚探頭接口，所述測厚探頭接口與所述隔離防幹擾模塊相連，用於連接所述電磁超聲測厚探頭，並利用來自所述隔離防幹擾模塊的所述激勵信號驅動所述電磁超聲測厚探頭；阻抗匹配模塊， 所述阻抗匹配模塊分別與所述隔離防幹擾模塊和所述測厚探頭接口相連，且所述測厚探頭接口與所述阻抗匹配模塊並聯，所述阻抗匹配模塊用於將所述隔離防幹擾模塊的輸出阻抗與所述測厚探頭接口的輸入阻抗進行阻抗匹配；箝位限壓模塊，所述箝位限壓模塊與所述阻抗匹配模塊相連，用於對所述電磁超聲測厚探頭的回波信號進行箝位限壓，其中，所述電磁超聲測厚探頭的回波信號為所述測厚探頭接口端電壓的回波信號通過所述阻抗匹配模塊傳輸至所述箝位限壓模塊；以及信號調理模塊接口，所述信號調理模塊接口與所述阻抗匹配模塊及所述箝位限壓模塊相連，用於接入信號調理模塊，並根據所述箝位限壓後的回波信號輸出所述電磁超聲測厚探頭的實際回波信號。根據本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置適用於電磁超聲脈衝回波技術換能器型測厚裝置，且適用頻率範圍為200kHz 2MHz。本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置不但對激勵輸入接口引入的幹擾信號進行屏蔽，並且對激勵源和探頭進行阻抗匹配以使探頭獲得最大激勵電壓，同時對回波信號的輸出實施了箝位限壓以確保輸出信號連接的信號調理電路不會被激勵電壓的高壓擊穿，強弱電兩者之間不發生衝突。此外，本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置結構簡單，可以用於對脈衝回波技術換能器的測厚操作，並且檢測信號提取準確，激勵信號傳輸質量高。本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為根據本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置的結構示意圖；圖2為根據本發明實施例的原始激勵信號的示意圖；圖3為根據本發明實施例的電磁超聲測厚探頭兩端的驅動信號的示意圖；以及圖4為根據本發明實施例的電磁超聲測厚探頭兩端的實際回波信號。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。下面參考圖1至圖4描述根據本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置1000。其中，本發明實施例提供耦合匹配裝置1000可以適用於電磁超聲脈衝回波技術換能器型測厚裝置。如圖1所示，根據本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置1000包括激勵信號輸入接口 100、隔離防幹擾模塊200、測厚探頭接口 300、阻抗匹配模塊400、箝位限壓模塊500和信號調理模塊接口 600。在本發明的一個實施例中，激勵信號輸入接口 100、測厚探頭接口 300和信號調理模塊接口 600均為刺刀螺母連接器(Bayonet Nut Connector，BNC)接頭。激勵信號輸入接口 100用於接入激勵源以輸入原始激勵信號，其中，原始激勵信號包括激勵信號和由激勵信號輸入接口 100引入的幹擾信號。在本發明的一個實施例中， 激勵源可以為功率放大器，即由功率放大器提供原始激勵信號。圖2示出了原始激勵信號的一種形式，在圖2中橫坐標為時間，單位為微秒(μ s)；縱坐標為電壓幅度，單位為伏特 (V)。當然本領域技術人員可以理解的是，圖2僅給出了原始激勵信號的一種可行的形式， 原始激勵信號不限於此，亦可以為其他形式的激勵信號。隔離防幹擾模塊200與激勵信號輸入接口 100相連，可以對原始激勵信號中的幹擾信號進行屏蔽。隔離防幹擾模塊200包括第一組二極體組件，其中第一組二極體組件包括第一組並聯二極體210和第二組並聯二極體220。第一組二極體組件的一端與激勵信號輸入接口 100的芯線相連，另一端與測厚探頭接口 300的芯線相連。第一組並聯二極體210包括第一快速二極體D4、第二快速二極體D6、第三快速二極體D8、第四快速二極體D10，其中第一快速二極體D4的正極端、第二快速二極體D6的負極端、第三快速二極體D8的正極端和第四快速二極體DlO的負極端並聯作為第一組並聯二極體210的第一端。第一快速二極體D4的負極端、第二快速二極體D6的正極端、第三快速二極體D8的負極端和第四快速二極體DlO的正極端並聯為第一組並聯二極體210的第二端。即，將第一快速二極體D4、第二快速二極體D6、第三快速二極體D8、第四快速二極體DlO 按照正、反、正、反的順序進行並聯。第二組並聯二極體220包括第五快速二極體D9、第六快速二極體D7、第七快速二極體D5、第八快速二極體D3，其中第五快速二極體D9的正極端、第六快速二極體D7的負極端、第七快速二極體D5的正極端和第八快速二極體D3的負極端並聯作為第二組並聯二極體220的第一端。第五快速二極體D9的負極端、第六快速二極體D7的正極端、第七快速二極體D5的負極端和第八快速二極體D3的正極端並聯為第二組並聯二極體220的第二端。 即，將第五快速二極體D9、第六快速二極體D7、第七快速二極體D5、第八快速二極體D3按照正、反、正、反的順序進行並聯。第一組並聯二極體210與第二組並聯二極體220串聯，具體而言，第一組並聯二極體210的第二端與第二組並聯二極體220的第一端相連。在本發明的一個實施例中，第一組二極體組件中的D3 DlO均為快速開斷二極體，在原始激勵信號停止輸入的間隔期，可以隔離由激勵信號輸入接口 100引入的噪聲。在本發明的一個實施例中，快速開斷二極體D3 DlO可以為PH4148型二極體，其單管耐壓 400伏，最大導通電流2安培。測厚探頭接口 300與隔離防幹擾模塊200相連，用於連接電磁超聲測厚探頭，並利用來自隔離防幹擾模塊200的激勵信號驅動電磁超聲測厚探頭。將隔離防幹擾模塊200屏蔽幹擾信號後得到的激勵信號併入測厚探頭接口 300，將該激勵信號作為電磁超聲測厚探頭兩端的驅動信號。圖3示出了驅動信號的一種形式，在圖3中橫坐標為時間，單位為微秒 (μ s)；縱坐標為電壓幅度，單位為伏特(V)。當然本領域技術人員可以理解的是，圖3僅給出了驅動信號的一種可行的形式，驅動信號不限於此，亦可以為其他形式的驅動信號。根據輸入的原始激勵信號的不同，相應得到的驅動信號也不相同。與圖2中的原始激勵信號相比，圖3中的驅動信號明顯濾除了噪聲信號，更為光滑。如圖1所示，激勵信號輸入接口 100的屏蔽層線與測厚探頭接口 300的屏蔽層線相連且共同連接至信號地700，從而實現公地。隔離防幹擾模塊200屏蔽幹擾信號後得到的激勵信號在併入測厚探頭接口 300同時併入阻抗匹配模塊400，其中測厚探頭接口 300與阻抗匹配模塊400並聯。阻抗匹配模塊 400分別與隔離防幹擾模塊200和測厚探頭接口 300相連，用於將隔離防幹擾模塊200的輸出阻抗與測厚探頭接口 300的輸入阻抗進行阻抗匹配，即將激勵源與電磁超聲測厚探頭進行阻抗匹配，從而使得電磁超聲測厚探頭得到最大的激勵電壓。在本發明的一個實施例中，阻抗匹配模塊400將隔離防幹擾模塊200的輸出的電感性阻抗和測厚探頭接口 300的輸入的電感性阻抗進行阻抗匹配。阻抗匹配模塊400包括匹配電阻410 (Rl)和無感線圈420，其中匹配電阻410的第一端與測厚探頭接口 300的芯線相連，匹配電阻410的第二端與無感線圈420的第一端的芯線422相連。無感線圈420的第二端的芯線422與信號調理模塊接口 600的芯線相連。無感線圈420的屏蔽層線421的一端與信號調理模塊接口 600的屏蔽層線相連， 另一端與側厚探頭接口 300的屏蔽層線相連，從而將由信號調理模塊接口 600接入的信號調理模塊與阻抗匹配模塊400作共地連接，共同連接至信號地700。由於無感線圈420具有電容效應，通過無感線圈420與匹配電阻410組成的阻抗匹配模塊400可以對電磁超聲測厚探頭的端電壓進行優化，從而將電磁超聲測厚探頭的測厚能力調整到最大程度。在本發明的一個實施例中，無感線圈420由同軸電纜繞制而成，其中，同軸電纜的絕緣層材料可以為聚乙烯。在本發明的一個實施例中，無感線圈420的芯線422的直徑為0. 33毫米，屏蔽層線421的直徑可以為2毫米，單位長度波阻抗約為70. 887歐姆，且軸向長度為10釐米。為了確保由信號調理模塊接口 600接入的信號調理模塊不會被激勵電壓的高壓擊穿，需要對電磁超聲測厚探頭的回波信號進行箝位限壓。具體而言，將測厚探頭接口 300 端電壓的回波信號通過阻抗匹配模塊400傳輸至箝位限壓模塊500，最終輸出至信號調理模塊接口 600。箝位限壓模塊500與阻抗匹配模塊400串連，用於對電磁超聲測厚探頭的回波信號進行箝位限壓，其中，電磁超聲測厚探頭的回波信號為測厚探頭接口 300端電壓的回波信號通過阻抗匹配模塊400傳輸至箝位限壓模塊500。箝位限壓模塊500包括第二組二極體組件，其中第二組二極體組件包括第九快速二極體Dl和第十快速二極體D2。第九快速二極體Dl的正極端與第十快速二極體D2的負極端並聯為第二組二極體組件的第一端，第九快速二極體Dl的負極端與第十快速二極體 D2的正極端並聯為第二組二極體組件的第二端。即，將第九快速二極體Dl的正極端與第十快速二極體D2按照正反並聯的方式連接。第二組二極體組件的第一端與信號調理模塊接口 600的屏蔽層線相連，第二端與信號調理模塊接口 600的芯線相連。第二組二極體組件中的Dl D2均為快速開斷二極體。在本發明的一個實施例中， 快速開斷二極體Dl D2可以為PH4148型二極體，其單管耐壓400伏，最大導通電流2安培ο通過正反並聯的第二組二極體組件對電磁超聲測厚探頭的回波信號進行箝位限壓，從而可以保證信號調理模塊接口 600輸出信號的電壓不會有高電壓，進而保護了後級電路。信號調理模塊接口 600與阻抗匹配模塊400及箝位限壓模塊500相連，用於接入信號調理模塊，並根據由箝位限壓模塊500箝位限壓後的回波信號輸出電磁超聲測厚探頭的實際回波信號。具體而言，將箝位限壓後的回波信號從箝位限壓模塊500兩端引入信號調理模塊接口 600。當電磁超聲測厚探頭的回波信號很弱時，箝位限壓模塊500的二極體截止，此時信號調理模塊接口 600輸出的電壓信號為電磁超聲測厚探頭兩端的實際回波信號。如圖4所示，橫坐標為時間，單位為毫秒(ms)，縱坐標為電壓幅值，單位為伏特(V)，由於本發明實施例的電磁超聲測厚探頭與諧振電容並聯，因此電磁超聲測厚探頭兩端的實際回波信號為不連續等間斷脈衝簇信號。當然本領域技術人員可以理解的是，圖4僅給出了電磁超聲測厚探頭兩端的實際回波信號的一種可行的形式，實際回波信號不限於此，亦可以為其他形式的信號。根據電磁超聲測厚探頭連接關係的不同，相應得到的實際回波信號也不相同。根據本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置適用於電磁超聲脈衝回波技術換能器型測厚裝置，且適用頻率範圍為200kHz 2MHz。本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置不但對激勵輸入接口引入的幹擾信號進行屏蔽，並且對激勵源和探頭進行阻抗匹配以使探頭獲得最大激勵電壓，同時對回波信號的輸出實施了箝位限壓以確保輸出信號連接的信號調理電路不會被激勵電壓的高壓擊穿，強弱電兩者之間不發生衝突。此外，本發明實施例的用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置結構簡單，可以用於對脈衝回波技術換能器的測厚操作，並且檢測信號提取準確，激勵信號傳輸質量高。在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置，其特徵在於，包括激勵信號輸入接口，所述激勵信號輸入接口接入激勵源以輸入原始激勵信號，其中，所述原始激勵信號包括激勵信號和幹擾信號；隔離防幹擾模塊，所述隔離防幹擾模塊與所述激勵信號輸入接口相連，用於屏蔽所述原始激勵信號中的所述幹擾信號；測厚探頭接口，所述測厚探頭接口與所述隔離防幹擾模塊相連，用於連接所述電磁超聲測厚探頭，並利用來自所述隔離防幹擾模塊的所述激勵信號驅動所述電磁超聲測厚探頭；阻抗匹配模塊，所述阻抗匹配模塊分別與所述隔離防幹擾模塊和所述測厚探頭接口相連，且所述測厚探頭接口與所述阻抗匹配模塊並聯，所述阻抗匹配模塊將用於所述隔離防幹擾模塊的輸出阻抗與所述測厚探頭接口的輸入阻抗進行阻抗匹配；箝位限壓模塊，所述箝位限壓模塊與所述阻抗匹配模塊相連，用於對所述電磁超聲測厚探頭的回波信號進行箝位限壓，其中，所述電磁超聲測厚探頭的回波信號為所述測厚探頭接口端電壓的回波信號通過所述阻抗匹配模塊傳輸至所述箝位限壓模塊；以及信號調理模塊接口，所述信號調理模塊接口與所述阻抗匹配模塊及所述箝位限壓模塊相連，用於接入信號調理模塊，並根據所述箝位限壓後的回波信號輸出所述電磁超聲測厚探頭的實際回波信號。
2.如權利要求1所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述隔離防幹擾模塊包括第一組二極體組件，所述第一組二極體組件包括第一組並聯二極體和第二組並聯二極體，所述第一組並聯二極體與所述第二組並聯二極體串聯，其中，所述第一組二極體組件的一端與所述激勵信號輸入接口相連，另一端與所述測厚探頭接口相連。
3.如權利要求2所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述第一組並聯二極體包括第一快速二極體、第二快速二極體、第三快速二極體和第四快速二極體，其中，所述第一快速二極體的正極端、所述第二快速二極體的負極端、所述第三快速二極體的正極端和所述第四快速二極體的負極端並聯作為所述第一組並聯二極體的第一端，所述第一快速二極體的負極端、所述第二快速二極體的正極端、所述第三快速二極體的負極端和所述第四快速二極體的正極端並聯為所述第一組並聯二極體的第二端；所述第二組並聯二極體包括第五快速二極體、第六快速二極體、第七快速二極體和第八快速二極體，其中，所述第五快速二極體的正極端、所述第六快速二極體的負極端、所述第七快速二極體的正極端和所述第八快速二極體的負極端並聯作為所述第二組並聯二極體的第一端，所述第五快速二極體的負極端、所述第六快速二極體的正極端、所述第七快速二極體的負極端和所述第八快速二極體的正極端並聯為所述第二組並聯二極體的第二端，其中，所述第一組並聯二極體的第二端與所述第二組並聯二極體的第一端相連。
4.如權利要求1所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述激勵信號輸入接口的屏蔽層線與所述測厚探頭接口的屏蔽層線相連，並且所述激勵信號輸入接口的屏蔽層線與所述測厚探頭接口的屏蔽層線連接至信號地。
5.如權利要求1所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述阻抗匹配模塊包括匹配電阻和無感線圈，其中，所述匹配電阻的第一端與所述測厚探頭接口相連，所述匹配電阻的第二端與所述無感線圈的第一端的芯線相連，所述無感線圈的第二端的芯線與所述信號調理模塊接口的芯線相連，所述無感線圈的屏蔽層線的一端與所述信號調理模塊接口的屏蔽層線相連，另一端與所述測厚探頭接口的屏蔽層線相連。
6.如權利要求5所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述無感線圈由同軸電纜繞制而成。
7.如權利要求6所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述同軸電纜的絕緣層的材料為聚乙烯。
8.如權利要求1所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述箝位限壓模塊包括第二組二極體組件，其中，所述第二組二極體組件包括第九快速二極體和第十快速二極體，其中所述第九快速二極體的正極端與所述第十快速二極體的負極端並聯為所述第二組二極體組件的第一端，所述第九快速二極體的負極端與所述第十快速二極體的正極端並聯為所述第二組二極體組件的第二端，所述第二組二極體組件的第一端與所述信號調理模塊接口的屏蔽層線相連，所述第二組二極體組件的第二端與所述信號調理模塊接口的芯線相連。
9.如權利要求1所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述信號調理模塊接口輸出的所述實際回波信號為不連續等間斷脈衝簇信號。
10.如權利要求1所述的耦合匹配裝置，其特徵在於，所述激勵信號輸入接口、所述測厚探頭接口和所述信號調理模塊接口為刺刀螺母連接器。
全文摘要
本發明提出一種用於電磁超聲測厚探頭的耦合匹配裝置，包括激勵信號輸入接口，激勵信號輸入接口接入激勵源以輸入原始激勵信號；隔離防幹擾模塊用於屏蔽原始激勵信號中的幹擾信號；測厚探頭接口用於連接電磁超聲測厚探頭，並利用激勵信號驅動電磁超聲測厚探頭；阻抗匹配模塊用於將隔離防幹擾模塊的輸出阻抗與測厚探頭接口的輸入阻抗進行阻抗匹配；箝位限壓模塊用於對電磁超聲測厚探頭的回波信號進行箝位限壓；信號調理模塊接口用於接入信號調理模塊，並根據箝位限壓後的回波信號輸出電磁超聲測厚探頭的實際回波信號。本發明耦合匹配裝置結構簡單，可以用於對脈衝回波技術換能器的測厚操作，並且檢測信號提取準確，激勵信號傳輸質量高。
文檔編號G01B17/02GK102175196SQ20111002340
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者李鵬, 畢鄭誠志, 王珅, 趙偉, 郝寬勝, 韓潤奇, 黃松嶺 申請人:清華大學