橋式推挽結(jié)構(gòu)超聲激勵電路性能分析

安艷芳，彭召斌，廉國選，冷濤，王小民

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橋式推挽結(jié)構(gòu)超聲激勵電路性能分析

安艷芳，彭召斌，廉國選，冷濤，王小民

(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190)

基于橋式推挽結(jié)構(gòu)，設(shè)計了由兩路正向單脈沖電壓產(chǎn)生雙極性電壓效果的電路，提高了激勵信號的能量，為超聲無損檢測激勵電路的負(fù)向耐壓低、供電電源復(fù)雜等問題提供了解決方案。該方案包括硬件實現(xiàn)和相關(guān)實驗驗證。脈沖回波檢測實驗結(jié)果證明：橋式推挽結(jié)構(gòu)的超聲激勵可以提高回波的幅度，在相同實驗條件下，回波幅度為單極性方波脈沖激勵的兩倍，等效于雙極性方波脈沖激勵的效果。該文方法可以提高超聲激勵電路的性能，為高性能便捷式超聲激勵系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論和實驗依據(jù)。

超聲檢測；橋式推挽結(jié)構(gòu)；電路性能

0 引言

激勵電路對超聲檢測系統(tǒng)的性能有著重要影響[1,2]。超聲激勵的脈沖形式一般分為尖脈沖和單、雙極性脈沖三種。尖脈沖是激勵壓電換能器最早的方式之一，其頻帶寬，回波的縱向分辨率高；方波即單脈沖所激勵的超聲信號其幅度高、發(fā)射功率大；雙極性脈沖主要是利用脈沖正負(fù)跳變對壓電換能器進行作用，可以加強壓電晶片的振動，以提高發(fā)射信號的能量。雙極性脈沖在超聲無損檢測，尤其是在穿透法檢測中得到廣泛應(yīng)用。

雙極性激勵脈沖的產(chǎn)生一般是依靠硬件電路對正負(fù)雙電源進行控制得到的。這種電路不利于檢測設(shè)備的小型便攜化，尤其是單電源供電的設(shè)備，產(chǎn)生雙極性激勵脈沖更加困難。此外，在硬件電路制作中由于受到PNP管耐壓不高的影響，無法做到負(fù)高壓。針對此問題，本文基于橋式推挽(Balanced Transformer Less, BTL)思路[3]，提出并實現(xiàn)了由兩路正向單脈沖電壓產(chǎn)生類似于雙極性電壓的電路，既不必考慮PNP管負(fù)向耐壓難以提高的限制，又僅需一路正向電源供電即可。

1 BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵的理論分析

壓電晶體具有壓電和逆壓電效應(yīng)，當(dāng)在壓電晶體上加與極化方向相同的電場時，壓電晶體在極化方向上產(chǎn)生伸長形變；反之，當(dāng)外電場方向與極化方向相反時，壓電晶體沿極化方向產(chǎn)生縮短形變[4]。因此，對壓電晶體施加不同方向電場，晶體振動的起振方向相逆。

壓電晶體在電場不連續(xù)處產(chǎn)生應(yīng)力，形成擾動源。當(dāng)壓電晶體受到一次方波電脈沖激勵時，會產(chǎn)生兩次振動[5]。假設(shè)方波上升沿使得晶體向上起振，那么下降沿則使晶體向下起振，如圖1所示。調(diào)節(jié)激勵方波的寬度可以使兩次振動進行疊加或者減弱。在相同條件下，當(dāng)脈沖寬度設(shè)置為超聲發(fā)射探頭固有頻率周期的一半時，方波激勵脈沖對壓電晶片的作用效果最為突出，探頭發(fā)射信號的能量最高，接收的回波信號的幅度也最大。

基于電場方向與晶體起振方向的關(guān)系和方波脈寬對超聲波檢測的影響，BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵電路是利用硬件產(chǎn)生兩個具有一定時延的正向方波脈沖，同時對一塊壓電晶片的兩面進行作用的激勵產(chǎn)生電路。設(shè)壓電晶片的兩面分別為A面和B面，則壓電晶體在BTL結(jié)構(gòu)激勵電壓作用下的振動情況如圖2所示。方波脈沖1使晶體產(chǎn)生起振方向為上的振動1，方波脈沖2使晶體產(chǎn)生起振方向為下、并延后一個方波脈寬所需時間的振動2。因此BTL結(jié)構(gòu)激勵脈沖對整個晶體的振動為兩種效果的疊加(振動3)。

2 BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵電路產(chǎn)生

圖3為BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵電路框圖，主要由MAX4940芯片、電源、外圍電路、信號控制端口和輸出端口組成。MAX4940是具有4個通道的高壓數(shù)字脈沖發(fā)生功能的芯片。輸出信號由正電壓控制信號INP_、歸零控制信號CLP_、負(fù)電壓控制信號INN_和使能控制信號EN進行控制，控制形式詳情見表1。

表1 MAX4940真值表

注：“0”表示控制信號為低電平，“1”表示控制信號為高電平，“×”表示控制信號為0或1的任意電平

外圍電路大多為耦合電容，用來調(diào)節(jié)MAX4940的工作頻率。電源分為供電電源和驅(qū)動電源，其中驅(qū)動電源可以施加0 V到芯片最大的耐壓值Vmax。

BTL激勵電路按照圖4所示進行驅(qū)動。圖4(a)中的OUT1A由圖4(b)中的INN1_和INP1_控制先輸出一個方波脈沖時，OUT2A通過MAX4940內(nèi)部的MOSFET接地；同理，當(dāng)OUT2A輸出方波脈沖時，OUT1A通過內(nèi)部MOSFET接地。因此換能器兩端交替施加方波電壓，形成一個BTL結(jié)構(gòu)的驅(qū)動信號，相當(dāng)于在換能器一端施加圖4(b)中的Vout_信號。

3 檢測系統(tǒng)整體設(shè)計及實驗裝置

實驗所搭建的超聲檢測系統(tǒng)主要由激勵脈沖產(chǎn)生和回波信號檢測兩部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中激勵脈沖產(chǎn)生部分在超聲檢測系統(tǒng)中是非常重要的，這部分包括：

(1) 上位機(PC機)選擇設(shè)置部分：主要利用visual studio2010設(shè)計超聲發(fā)射系統(tǒng)控制界面，用來控制選擇發(fā)射脈沖的具體參數(shù)(包括重復(fù)頻率、脈沖寬度、脈沖個數(shù))，并將每個參數(shù)信息編碼后通過USB3.0接口發(fā)送到現(xiàn)場可編程門陣列(Field- Programmable Gate Array, FPGA)。

(2) FPGA信號控制部分：此部分是由Altera公司生產(chǎn)的EP3C40F484及其外圍電路組成，目的是對接收到的上位機參數(shù)信息進行譯碼后產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號(包括：INP_、INN_、CLP_和EN)，并通過通用輸入/輸出(General Purpose Input Output, GPIO)接口傳送到超聲發(fā)射部分。

(3) 超聲發(fā)射部分：此部分為BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵電路，作用是根據(jù)接收到的控制信號，在與電源相互配合下產(chǎn)生高壓激勵脈沖信號，激勵探頭工作，發(fā)射超聲信號。

回波信號檢測部分主要是利用實驗器材對所產(chǎn)生的激勵脈沖進行驗證。實驗采用的探頭尺寸為f29×35，其諧振頻率是1 MHz，采用對穿的工作方式檢測鋼塊中超聲波的情況。以超聲分析儀(Panamatrics-NDT 5800)將接收到的回波信號進行放大、濾波等處理后傳給示波器，進而觀測到不同形式激勵脈沖對超聲檢測信號的影響。

4 實驗條件與結(jié)果分析

按照圖5方式連接各部分電路，在系統(tǒng)通信正常的情況下對各部分進行設(shè)置。實驗條件如下：(1)上位機選擇設(shè)置：脈沖個數(shù)為1個，重復(fù)頻率為5 kHz，脈沖寬度為500 ns(探頭固有頻率換算成時間的一半)。(2) 激勵脈沖電壓(驅(qū)動探頭電壓)：單極性脈沖：+24 V；雙極性脈沖：±12 V；BTL結(jié)構(gòu)激勵脈沖：+12 V。(3) 超聲分析儀設(shè)置：MODE= THRU。

圖6為相同實驗條件下測量的單極性方波脈沖、雙極性方波脈沖和BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵下的回波信號圖。

BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵的回波信號圖6(b)與單極性方波脈沖激勵的回波信號圖6(a)相比較可知，兩種方式下的回波信號的形狀、起振位置、起振方向及回波幅度基本一致，且幅度峰峰值誤差為1.5%。但單極性方波激勵的電壓為24 V，BTL結(jié)構(gòu)激勵方式的電壓為12 V，在壓電換能器近似等效為電容的情況下，得到相同的回波幅值時，BTL結(jié)構(gòu)激勵方式相比單極性方波激勵方式節(jié)省50%的激勵能量。

BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵的回波信號圖6(b)與雙極性方波脈沖激勵的回波信號圖6(c)相比較可知，兩種方式下的回波信號起振位置，起振方向及回波幅度基本相同，且回波幅度峰峰值誤差為1.3%。說明BTL結(jié)構(gòu)的超聲激勵探頭的效果等效于雙極性方波脈沖激勵的效果，而且此方法節(jié)省一路電源。

因此實驗結(jié)果表明：BTL結(jié)構(gòu)超聲激勵電路不但可以增強發(fā)射信號的能量，提高檢測回波靈敏度，節(jié)省功放的供電電源，而且不受PNP功率晶體管負(fù)向耐壓不高的限制，相對而言達到了提高工作電壓的效果。

5 結(jié)論

本文利用了MAX4940中兩個通道串聯(lián)搭建成BTL結(jié)構(gòu)的超聲激勵電路，通過改變換能器上所施加的電壓，在相同實驗條件下提高超聲發(fā)射的能量，是解決超聲檢測領(lǐng)域中功放負(fù)向電壓受限而影響檢測效果問題的較好辦法。

在此基礎(chǔ)上，當(dāng)通過并聯(lián)方式驅(qū)動換能器，即可得到同等條件下的兩倍電流的發(fā)射信號，以達到提高發(fā)射信號的能量，如并聯(lián)更多的通道能實現(xiàn)更大的驅(qū)動電流，進一步提高工作效率，但需注意IC輸入、輸出及寄生電容相應(yīng)增大對檢測系統(tǒng)帶來的影響。

致謝：感謝王沖在MAX4940設(shè)計板卡制作方面的幫助。

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Circuit performance analysis of balanced transformer-less structure for ultrasonic excitation

AN Yan-fang, PENG Zhao-bin, LIAN Guo-xuan, LENG Tao, WANG Xiao-min

(Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

A circuit is designed with two positive single pulse voltages, which can generate the effect of bipolar voltage, based on Balanced Transformer Less structure. This circuit improves the energy of the excitation signal and provides a solution to the problems of low negative withstand voltage and complex power supply in ultrasonic nondestructive testing. Hardware implementation and related experiments are included in this paper. Pulse echo testing results show that the ultrasonic excitation of Balanced Transformer Less structure can increase the amplitude of echo. In the same experimental conditions, the echo amplitude is two times greater than that of the unipolar square wave pulse excitation, thus equivalent to that of the bipolar square wave pulse excitation.The method can improve the circuit performance of ultrasonic excitation, and provide the theoretical and experimental basis for the design of ultrasonic excitation system with high-performance and portable.

ultrasonic testing; Balanced Transformer Less structure; circuit performance

TB533

A

1000-3630(2015)-03-0279-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.018

2014-03-29;

2014-06-26

中國科學(xué)院科研裝備研制項目(Y329011331)

安艷芳(1988－), 女, 吉林德惠人, 碩士研究生, 研究方向為超聲探測。

廉國選, E-mail: lian@mail.ioa.ac.cn