超聲波檢測系統(tǒng)前端電路設(shè)計

馮國亮，于天暝

(1.東北電力大學自動化工程學院;2.吉林市污水處理公司，吉林吉林132012)

在多種現(xiàn)代檢測技術(shù)中，超聲波技術(shù)以其快速、無損無害、實時在線以及檢測信息豐富等多種優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。尤其超聲波脈沖時域反射法(UTDR，Ultrasonic Time-Domain Reflectometry)作為一種簡單、方便的檢測方法，已廣泛用于無損探傷、材料測厚等領(lǐng)域。在進行管道的污垢檢測研究時，污垢層與管道壁界面具有不同的聲阻抗，從而在二者交界面處產(chǎn)生回波。通過超聲波時域反射法進行檢測時，每層介質(zhì)具有各自的回波出現(xiàn)［1，2］。本文設(shè)計的超聲波前端電路用于管道污垢的檢測。

1 超聲波電路總體結(jié)構(gòu)

超聲波檢測系統(tǒng)前端電路主要包括高壓電源、發(fā)射電路、接收電路［3］。如圖1超聲波收發(fā)電路框圖所示，設(shè)計的電路基于RC脈沖放電原理發(fā)射高壓窄脈沖。由單片機控制發(fā)射脈沖的寬度及脈沖重復(fù)發(fā)射頻率;回波信號經(jīng)放大后由示波器采集，并將采集的信號通過串口輸入PC機;利用PC機內(nèi)豐富的軟件資源對數(shù)據(jù)進行分析處理。

當加到超聲波探頭兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，超聲波探頭才能工作在最佳性能狀態(tài)［4］。在不同的應(yīng)用場合，需要不同的探頭以及對回波信號的處理方法也不相同。實際應(yīng)用中，一種超聲波裝置，往往只適用于某一種特定的場合。設(shè)計中對于不同標稱頻率的超聲波探頭，通過調(diào)節(jié)單片機發(fā)射的驅(qū)動脈沖寬度改變超聲波發(fā)射電路的脈沖頻率;采集的回波信號利用PC機內(nèi)豐富的軟件資源對信號進行運算處理。

圖1 超聲波收發(fā)電路框圖

2 高壓電源電路設(shè)計

設(shè)計的超聲波檢測系統(tǒng)中使用超聲波技術(shù)對管道的污垢厚度檢測，探頭發(fā)射的超聲波需要穿透數(shù)毫米到數(shù)厘米厚的污垢層，并需要一定強度的回波信號返回到探頭。這要求驅(qū)動電路和發(fā)射探頭能發(fā)射高能量超聲波，作用在探頭上的激勵脈沖電壓值一般在100 V以上［5］。設(shè)計的電源輸入DC24V，輸出DC300V。

設(shè)計的升壓電源變換電路核心控制芯片為UC3842，采用反激電路設(shè)計，UC3842是UNITRODE公司生產(chǎn)的一種電流型PWM控制芯片，其突出的優(yōu)點是成本低，外接元件少，性能穩(wěn)定可靠，其主要特性為:完整的PWM控制電路，5 V的參考電壓，電流可達50 mA。

外部電阻RT、電容CT及其振蕩器組成振蕩電路，產(chǎn)生鋸齒波與外部控制電壓及反饋放大器電壓比較，形成一定占空比的控制脈沖。UC3842具有圖滕柱式輸出，驅(qū)動能力可達lA。輸出頻率可由式(1)近似得出:

設(shè)計的DC/DC變換高壓電源如圖2所示，UC3842輸出為6腳控制開關(guān)管的導(dǎo)通，其輸出脈沖的頻率由式(1)及8、4腳的電容、電阻值可得，振蕩頻率為106 KHz。該芯片3腳為取樣輸入，電流取樣放大器的反相輸入端的電壓通常被鉗位在1 V。該放大器的同向輸入端的電壓達到該門限值時，開關(guān)電源將產(chǎn)生限流作用。變壓器次級輸出升高的高電壓，由變壓器結(jié)構(gòu)原理可知，次級輸出電壓極性不變。輸出電壓經(jīng)整流、濾波后輸出300 V的直流電壓。電阻R15及R16形成分壓反饋到1腳.輸入為300 V時，R15上電壓為2.5 V，則輸出控制脈沖占空比不變，當電源輸出高于300 V時，反饋分壓超過2.5 V，則UC3842輸出脈沖占空比降低，一直到輸出電壓300 V為止，反之輸出占空比則升高。

電源設(shè)計中高頻變壓器的設(shè)計比較關(guān)鍵，設(shè)計中選用的磁芯型號為EI28。脈沖占空比的設(shè)計留有一定余量，選擇總占空比為40%。變壓器繞線的截面積的選擇需要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)，是指當導(dǎo)線中流過交流電流時，導(dǎo)線橫截面上的電流分布不均，中間電流密度小，邊緣部分電流密度大，是導(dǎo)線的有效導(dǎo)電面積減小，電阻增加。用穿透深度Δ表示，即電流密度下降到導(dǎo)線表面密度的0.368時的徑向深度。

式中:w為角頻率，w=2πf;μ為銅的磁導(dǎo)率，u=4π×10－7H/m;r為銅的電導(dǎo)率，r=58×106/Ωm。一般要求導(dǎo)線直徑R≤2Δ。而銅導(dǎo)線最大導(dǎo)通電流為4～6 A/mm2。變壓器繞線，使用夾層繞制法，將原級線圈夾繞在次級線圈之間，這樣具有更好的耦合性。

圖2 DC/DC升壓電路

3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計

基于電容瞬間放電原理的超聲波脈沖發(fā)射電路如圖3所示，ATmega16產(chǎn)生一個只有800 ns的控制脈沖，但是電平只有5 V，而MOS管的控制電壓在10 V以上時，才能達到飽和開通，故通過一個高速光耦6N137將脈沖電平轉(zhuǎn)換為12 V。同時，光耦將控制部分和高壓發(fā)射電路隔離。功率開關(guān)管IRF830具有抗500 V的漏源極電壓值，4.5 A的漏電流。開關(guān)管的控制脈沖由單片機輸出脈沖經(jīng)過光耦變換后與高速MOSFET驅(qū)動器TPS2813組成的電路提供。

控制脈沖為低電平時，MOSFET－N管Q1截至，高壓電源通過電阻R4向電容C3充電，并與二極管D1構(gòu)成回路，C3選用高耐壓值電容?？刂泼}沖為高電平時，Q1導(dǎo)通。電容C3存儲的電荷通過Q1、電阻R3以及探頭P1組成的電路放電。當MOSFET－N管Q1關(guān)斷時，R4、C3相當于組成一個零狀態(tài)響應(yīng)電路，Q1管關(guān)斷時間為T1即充電時間，T1＞5R4C3。同理Q1導(dǎo)通時，C3與換能器、放電電阻R5組成零輸入放電電路，此時C3對換能器輸出一個指數(shù)衰減的負脈沖。

圖3 超聲波脈沖發(fā)射電路

TPS28xx系列高速MOSFET驅(qū)動器能夠?qū)⒏咧? A的峰值電流提供給大電容負載。MOSFET作為電壓驅(qū)動器件，雖然只需要非常小的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動電流。然而，這些器件的大輸入電容(200 pF至3 000 pF甚至更高)卻需要大電流沖擊以減小開關(guān)時間。TPS2813高速驅(qū)動器可以為一個MOSFET提供高至2 A的電流，大大減小了開關(guān)時間。圖4中TPS2813將光耦輸出的尖脈沖，整形為平整的MOS管控制脈沖波形，控制正脈沖期間峰值均超過10 V。

圖5是超聲發(fā)射電路的空載脈沖波波形。電容瞬間放電電路中需要注意的問題是，電容器的參數(shù)與控制脈沖寬度基本決定了最終發(fā)射的脈沖寬度。發(fā)射功率是發(fā)射電路中一個很重要的指標。為了穿透較厚的工件，就需要較大的發(fā)射電功率，發(fā)射功率:

式中:V為放電時電容上的即時電壓;C為電容量;t為放電時間。

圖4 MOS管控制脈沖波形

當工作頻率以及放電時間常數(shù)確定后，電功率的增加主要決定于V和C，然而加大C，影響充電時間，實際加大發(fā)射電壓是提高發(fā)射功率的主要途徑。同時，為了獲得窄脈沖，在電容放電過程中及時關(guān)斷MOS管，圖5中的控制脈沖，為單片機發(fā)射800 ns的脈沖寬度時，超聲波發(fā)射電路發(fā)射的脈沖，從圖中可以看出發(fā)射脈沖也在800 ns左右。激勵不同頻率探頭時，只需通過單片機改變輸出脈沖寬度即可，設(shè)計的超聲波發(fā)射電路可以激勵頻率5 MHz以下的探頭。如果要激勵更高頻率的超聲波探頭，則需要將MOS管更換為開關(guān)速度更高的開關(guān)管。

超聲波發(fā)射電路另一個需要注意的問題是脈沖重復(fù)發(fā)射頻率的選擇，即每秒內(nèi)超聲波發(fā)射電路的脈沖發(fā)射頻率。過高的重復(fù)發(fā)射頻率，會導(dǎo)致沒有充分衰減的發(fā)射信號進入下一周期，過低重復(fù)頻率降低檢測效率，現(xiàn)場檢測中50Hz工頻是最重要干擾。一般脈沖重復(fù)發(fā)射頻率設(shè)置在100 Hz以上即可，設(shè)計的電路重復(fù)脈沖頻率為300 Hz。

圖5 超聲發(fā)射電路的空載脈沖波形

4 超聲波回波信號接收電路設(shè)計

設(shè)計中采用收發(fā)共用的超聲波探頭，因為高靈敏度的接收電路必須與大功率的超聲波發(fā)射電路相連接，為了避免接收電路被高壓發(fā)射脈沖所擊毀，在超聲波回波信號接收端，必須加入隔離電路。要求大幅度的發(fā)射脈沖不能通過，或?qū)⒎认拗圃谳^小的范圍內(nèi);而對較小的回波信號幾乎無衰減的通過，使隔離電路對整機靈敏度沒有明顯影響。如圖6所示，二極管D1、D2的存在使－0.7～0.7 V之間的電壓才能通過。超聲回波信號一般比較小，當高壓激勵信號到來時，二極管D1或D2導(dǎo)通，在R和D的串聯(lián)回路中，高壓幾乎全部降到電阻R5上，回波信號到來時，由于信號很小，一般小于100 mV，二極管不導(dǎo)通，信號電壓進入下級。

圖6 超聲波信號接收電路

由于接收到的信號范圍比較大，包含了“伏級”到“微伏級”的信號，而測量時只需要知道回波時刻即可對幅值的測量要求并不苛刻。所以使用對數(shù)放大器對信號進行非線性放大，AD8307是一款基于連續(xù)壓縮技術(shù)的完全單片500 MHz解調(diào)對數(shù)放大器，該對數(shù)放大器提供92 dB的動態(tài)范圍。AD8307輸出電壓斜率為25 mV/dB(截止點為－84 dBm，20 uV)。輸出信號進一步通過軌對軌(rail to rail)放大器AD8031進行放大，通過示波器進行信號的采集。

圖7 超聲波接收電路輸出信號

超聲波接收信號中存在著一定量的噪聲。由于接收的回波信號是通過PC機軟件中進行分析處理的，可以通過軟件濾波的方法對接收的信號進行靈活的濾波處理，所以超聲波接收電路中未加入帶通濾波電路，簡化了硬件電路的設(shè)計。圖7為超聲波接收電路測得的回波信號。

5 結(jié)語

介紹了超聲波檢測系統(tǒng)前端電路的設(shè)計與實現(xiàn)，所設(shè)計的電路實現(xiàn)了超聲波收發(fā)的功能。設(shè)計的電路，已成功應(yīng)用于管道污垢的檢測研究中。通過改變控制器發(fā)射脈沖的寬度，調(diào)整信號接收電路放大器的增益及電壓截至點，處理回波信號的算法，可以將該電路用于工作頻率不同的超聲波探頭。

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