電磁超聲檢測系統(tǒng)阻抗匹配電路優(yōu)化設計

王亞午，宋小春，陳海林，李羽可

（湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

對于電磁超聲檢測系統(tǒng)而言，其檢測電路阻抗匹配的好壞，直接影響到電磁超聲換能器的換能效率和最終的檢測效果［1］。電磁超聲檢測系統(tǒng)中存在兩種形式的基本阻抗匹配電路，即：1）激勵電源箱與激勵線圈間的阻抗匹配電路；2）接收線圈與濾波放大器間的阻抗匹配電路。要實現(xiàn)檢測信號在上述兩種基本電路中的最大功率傳輸，就必須對電磁超聲檢測系統(tǒng)進行阻抗匹配電路設計［2］。電磁超聲檢測系統(tǒng)常以50～500kHz的高頻交流電作為激勵載荷［3］，此時激勵電源箱內阻抗、線圈阻抗和濾波放大器內阻抗均不為純阻性，而帶有容抗和感抗的特性［4］。根據(jù)阻抗匹配原則，要使檢測信號得到最大功率傳輸，就必須使激勵線圈阻抗與激勵電源箱內阻抗、接收線圈阻抗與濾波放大器內阻抗?jié)M足共軛關系，即電抗成份絕對值相等而符號相反［5－6］。

阻抗匹配電路的設計方法有很多，起初電路工程師通過手工計算的方法進行阻抗匹配電路設計。史密斯圓圖設計法以讀取圖表的形式避免了繁復的手工計算，使電路設計更加便捷［7－8］，而計算機仿真軟件結合史密斯圓圖的設計理念，通過計算機仿真程序代替人腦進行復雜查表運算，使阻抗匹配電路的開發(fā)更加迅速、準確［9］。鑒于此，本文使用ADS電路開發(fā)軟件設計阻抗匹配電路，而后通過MULTISIM仿真分析軟件對所設計的阻抗匹配電路進行分析，最后通過相應的物理實驗對理論設計結果進行驗證。通過理論結合實踐的研究方式，優(yōu)化電磁超聲檢測系統(tǒng)的傳輸電路，提升電磁超聲檢測效率，為電磁超聲檢測系統(tǒng)的阻抗匹配電路設計提供依據(jù)。

1 基于ADS的阻抗匹配電路設計

采用Agilent公司開發(fā)的ADS電路設計軟件進行電磁超聲檢測系統(tǒng)阻抗匹配電路設計。設計電路分為超聲激勵和超聲接收兩部分：在超聲激勵部分中，激勵電源箱作為源阻抗，激勵線圈作為負載阻抗；在超聲接收部分中，接收線圈作為源阻抗，而濾波放大器作為負載阻抗。兩種電路的設計思路如圖1所示。

圖1 阻抗匹配電路設計思路

1.1 超聲激勵部分阻抗匹配電路設計

電磁超聲檢測系統(tǒng)的激勵電源箱內部結構如圖2所示。在進行阻抗匹配電路設計時，激勵電源箱與激勵線圈等效為圖3所示簡化電路［10］，其中Cin為激勵電源箱端口電容，Rin為激勵電源箱內阻，Leq為線圈等效電感，Req為線圈等效電阻，Cd為線圈等效分布電容。

圖2 激勵電源箱內部結構

圖3 電源箱內部簡化電路

當匹配頻率為200kHz時，激勵電源箱與激勵線圈間的史密斯匹配圓圖如圖4所示。通過仿真計算，激勵電源箱與激勵線圈間的LC阻抗匹配電路如圖5所示，圖中P1、P2分別表示激勵電源箱與激勵線圈，匹配電容C1≈25.5nF，匹配電感L1≈93.2μH。

圖4 激勵電源箱與激勵線圈間的史密斯圓圖示意圖

圖5 LC阻抗匹配電路

仿真分析當電流頻率為100～300kHz時，電路中的反射值，分析結果如圖6所示。結果表明：隨電流頻率的增大，電路反射值呈先減小后增大的趨勢，當電流頻率為200kHz時，匹配電路未出現(xiàn)反射，電路中能量全部傳輸，故上文所述的LC阻抗匹配電路設計方法可行。

圖6 頻率100～300kHz電路反射值

1.2 超聲接收部分阻抗匹配電路設計

通過電表測得濾波放大器的電阻值為602.2 Ω，電容值為4.5×10－8F。由于電磁超聲檢測系統(tǒng)激勵部分與接收部分呈對稱設計，故接收線圈與激勵線圈屬性相同。阻抗匹配電路原理圖如圖7所示。

圖7 阻抗匹配原理圖

選擇阻抗匹配頻率為200kHz，接收線圈與濾波放大器間的史密斯匹配圓圖如圖8所示。通過仿真計算，接收線圈與濾波放大器間的LC阻抗匹配電路如圖9所示，其中匹配電容C1≈12.1nF，匹配電感L1≈19.3μH。

圖8 接收線圈與濾波放大器間的史密斯圓圖示意圖

圖9 LC阻抗匹配電路

仿真分析當電流頻率為100～300kHz時，匹配電路中的反射值，分析結果如圖10所示。分析結果表明：隨電流頻率的增大，電路反射值先減小后增大，當頻率為200kHz時，源端與負載間阻抗匹配良好，設計方案可行。

圖10 頻率100～300kHz電路反射值

2 基于MULTISIM的阻抗匹配電路仿真分析

鑒于上文所述的兩種阻抗匹配電路設計原理相同，設計方法相近，本節(jié)采用NI公司開發(fā)的MULTISIM電路仿真軟件，僅針對圖5所示阻抗匹配電路進行分析，圖9所示電路分析方法相同，分析結果可類比，故在此不做詳細描述。根據(jù)實際電路的結構特征，建立電路仿真模型如圖11所示，其中圖11a為未經(jīng)阻抗匹配前的原始電路，圖11b為經(jīng)阻抗匹配后的新電路。

圖11 電路仿真模型

分別在兩種電路激勵線圈端口處安放探針（圖11），則激勵線圈功率P＝V（探針）×I（探針）。設置仿真起止頻率為：100～300kHz，通過計算求解，仿真結果如圖12所示，其中圖12a為不同激勵頻率下，未經(jīng)阻抗匹配的原始電路中激勵線圈功率，圖12b為不同激勵頻率下，經(jīng)阻抗匹配后的新電路中激勵線圈功率。分析結果表明：1）經(jīng)阻抗匹配設計后的電路，在激勵頻率為200kHz左右時，線圈功率突變，并且在激勵頻率為200kHz時達到最大值；2）未經(jīng)阻抗匹配設計的原始電路，隨激勵頻率的增加，線圈功率先增大后減小，且變化趨勢緩慢，在激勵頻率為200kHz左右時，線圈功率未達到最大值；3）在給定激勵頻率為200kHz的情況下，相比較于未經(jīng)阻抗匹配設計的電路，電路經(jīng)阻抗匹配設計后，激勵線圈功率增大。這是因為：阻抗匹配設計使電路中激勵源與負載間的反射值減小，電路中能量傳輸效率更高。

圖12 不同激勵條件下線圈功率圖

3 電磁超聲檢測系統(tǒng)電路阻抗匹配設計實驗研究

根據(jù)仿真計算得出的阻抗匹配電路設計方案，使用自主研制電磁超聲檢測系統(tǒng)樣機進行阻抗匹配電路設計實驗研究。電磁超聲實驗系統(tǒng)主要由：激勵電源箱、電磁超聲換能器、200kHz的濾波放大器、待檢測鋼板和示波器等5部分組成。對板中預設孔徑為10mm的通孔缺陷實施在線檢測，并截取示波器中缺陷回波信號進行分析，當激勵頻率為200kHz時，電磁超聲檢測結果如圖13所示，其中圖13a為檢測電路未經(jīng)阻抗匹配設計的電磁超聲檢測結果，圖13b為檢測電路經(jīng)阻抗匹配設計后的電磁超聲檢測結果。通過對比圖13a與圖13b，電磁超聲檢測系統(tǒng)經(jīng)阻抗匹配設計后，缺陷回波信號幅值提升44.26%，缺陷識別度提高，檢測效率提升。

圖13 電磁超聲檢測結果

4 結論

利用電路設計與仿真軟件，設計阻抗匹配電路，并通過實驗進行驗證。結果表明：電磁超聲檢測系統(tǒng)經(jīng)阻抗匹配設計后，缺陷回波信號幅值提升44.26%，系統(tǒng)檢測效率大幅提升。

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