空氣耦合超聲無損檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)*

張宸宸， 李松松， 夏聞澤， 李 昆， 杜劍峰， 蘇 欣

(大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引 言

初期的空氣耦合超聲波無損檢測系統(tǒng)[1,2]與通常的水耦合系統(tǒng)相比，其信號(hào)幅值要低，另外，換能器用料與空氣聲阻抗的嚴(yán)重不匹配，也使空氣耦合超聲換能器在使用時(shí)存在效率不高，頻帶比實(shí)現(xiàn)需要的要窄，脈沖余振長，從而降低了該檢測系統(tǒng)的靈敏度、信噪比和分辨率[3]。針對(duì)空氣耦合超聲檢測中接收信號(hào)信噪比低問題，Tur A等人[4]研究了超低噪聲前置信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)。王偉等人[5]通過檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件將所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理,改善了信噪比,提高了橫向和縱向分辨率,完成了被檢測處的B掃描成像。周正干針對(duì)于空氣耦合超聲中信號(hào)的衰減因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究[6]，并針對(duì)空氣耦合超聲中信號(hào)幅值和信噪比低等問題，提出了解決方法。夏利利等人[7]系統(tǒng)地研究了制約空氣耦合式超聲檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題,氣/固分界面處的能量反射損耗及空氣對(duì)超聲波的高吸收損耗,并給出針對(duì)該問題的解決途徑。

在國內(nèi)，由于沒有成熟的空耦傳感器生產(chǎn)制造商，傳感器、高功率的超聲激勵(lì)和高增益的超聲接收裝置多依賴進(jìn)口，大大限制了該研究的開展[8]。因此，如何選擇比較適合的超聲波發(fā)射脈沖，可以使超聲波檢測系統(tǒng)在提高檢測能力同時(shí)，也能相應(yīng)提高測量精度與抗干擾能力，成為超聲波無損檢測技術(shù)的一個(gè)重要研究目標(biāo)[9]。

本文通過將石英振蕩電路產(chǎn)生的矩形脈沖信號(hào)調(diào)制成間斷脈沖信號(hào)并進(jìn)行加壓處理，滿足了發(fā)射電路的電壓要求。利用前置放大電路和增益可調(diào)節(jié)電路相結(jié)合，不僅解決空氣耦合中對(duì)電路增益的要求，滿足系統(tǒng)接收信號(hào)時(shí)的阻抗匹配問題，且提高了系統(tǒng)的可適應(yīng)性以及擴(kuò)展其檢測范圍。濾波電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行后處理，成功實(shí)現(xiàn)降噪。

1 空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)

本文基于空氣耦合超聲的無損檢測系統(tǒng)功能如下:1)發(fā)射脈沖為間隔脈沖；2)發(fā)射頻率具體由超聲波換能器的固有參數(shù)決定；3)接收帶寬為0.5～1.5 MHz(由超聲波換能器的參數(shù)決定)；4)增益為0～80 dB可調(diào)前置放大電路和增益自動(dòng)控制電路ACG；5)濾波采用有源濾波器數(shù)值濾波。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)與仿真

本文采用石英晶體作為發(fā)射電路的振動(dòng)電路，具體組成為：

1)振蕩電路。原理如圖2所示，電阻器R1通常取0.7～2 kΩ之間；相對(duì)于CMOS反相器，電阻值通常取10～100 MΩ之間。電容器C在電路振動(dòng)頻率為f0時(shí)，其容抗非常的小，可以忽略不計(jì)，使得兩個(gè)反相器之間形成正反饋通路。當(dāng)接入外部電源時(shí)，電路就能產(chǎn)生振蕩電流。

圖2 石英晶體振蕩電路

2)對(duì)石英晶體的振蕩電路進(jìn)行變形。通過集成運(yùn)放組成的加減運(yùn)算電路，將0～5 V的脈沖電壓轉(zhuǎn)換為-2.5～2.5 V之間的脈沖電壓。輸出電壓為

Uo=R3(U2/R1-U1/R4)

(1)

3)調(diào)制電路。通過555定時(shí)器產(chǎn)生的方波脈沖和石英脈沖振蕩器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行乘法運(yùn)算，調(diào)制成間斷脈沖波形。如圖3所示。

圖3 間斷脈沖發(fā)生電路

由于二極管的單導(dǎo)通，電流充放電不同，充電電流只流經(jīng)R10，D1，而電容器C充電時(shí)間為

T≈0.693RAC

(2)

放電電流只流經(jīng)R11，D2 ，三極管T，放電時(shí)間為

T2≈0.693RBC

(3)

總的周期T=T1+T2，故電路頻率為

f=1/T=1.443/((RA+RB)C)

(4)

電路占空比為

q=RA/(RA+RB)

(5)

通過調(diào)節(jié)RC的大小，使脈沖串的大小間隔滿足發(fā)射系統(tǒng)的需求。利用除法器，使得輸出的電壓大小為0 V和1 V。將上面兩個(gè)電路整合如圖3。

4)電路采用變壓器直接對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行升壓，提高發(fā)射信號(hào)的功率，以達(dá)到超聲波換能器的電壓要求。

仿真模擬如圖4，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波形經(jīng)過變壓器直接升壓后波形并沒有發(fā)生過度的失真。

圖4 仿真電路

2.2 接收信號(hào)電路設(shè)計(jì)與仿真

超聲波信號(hào)經(jīng)過發(fā)射反射接收的過程后，有效信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)下降,因此對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理：1)超聲波換能器應(yīng)與放大電路符合最佳匹配的需求，提高接收信號(hào)的靈敏度；2)由于采用空氣耦合，回波信號(hào)的衰弱比普通超聲探傷大，所以放大電路的增益應(yīng)該比普通放大電路高；3)由于超聲波在空氣中傳播的衰弱，其回波信號(hào)有很大的動(dòng)態(tài)范圍，需要考慮到電路增益是否太大而使得放大器出現(xiàn)飽和而無法工作，因此需要在不失真的情況下有效地放大信號(hào)，放大器一定要具有一定帶寬。

考慮到以上因素，本文采用前置放大電路和增益可調(diào)的放大電路兩級(jí)放大相結(jié)合的方式，使得電路的增益能達(dá)到要求，且能通過調(diào)節(jié)二級(jí)放大電路調(diào)節(jié)電路的增益。

2.2.1 前置放大電路

為了滿足空氣耦合對(duì)空氣介質(zhì)的要求，前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)達(dá)到80 dB,采用兩級(jí)放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大。應(yīng)用集成運(yùn)放構(gòu)成同相放大電路，放大倍數(shù)為

Vout/Vin=(R2/R1)×(R7/R3)

(6)

式中R1，R3=10 kΩ；R2，R7=1 MΩ。經(jīng)計(jì)算，兩級(jí)放大電路放大倍數(shù)都為40 dB，兩級(jí)電路之間通過1 μF的電容器進(jìn)行級(jí)間耦合，兩者的放大增益近似為80 dB。電路如圖5。

圖5 前置放大電路

2.2.2 增益可調(diào)節(jié)放大電路

在實(shí)際的超聲檢測時(shí)，由于待測物體薄厚不一以及待測電壓的高低，容易導(dǎo)致回波信號(hào)在接收時(shí)產(chǎn)生較大的差異。需要設(shè)計(jì)既能在小信號(hào)輸入時(shí)得到適當(dāng)?shù)姆糯螅帜鼙ＷC強(qiáng)信號(hào)放大不會(huì)使電路出現(xiàn)飽和過載，以此提高系統(tǒng)的可適應(yīng)性以及擴(kuò)展其檢測范圍。

圖6所示，自動(dòng)增益放大器采用了ADI研制的AD603壓控VGA芯片。使用兩塊AD603芯片，通過兩級(jí)放大電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，以此來構(gòu)成這個(gè)可控增益放大電路。

圖6 AD603自動(dòng)增益電路

2.3 帶通濾波電路

為了去除回波信號(hào)中的噪聲信號(hào)，須采用濾波電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

圖7中，R1和C1構(gòu)成低通電路(LPF)，C2和R3構(gòu)成高通網(wǎng)絡(luò)(HPF)，兩者通過級(jí)聯(lián)連接到一起構(gòu)成帶通濾波器。Up為電路的同相比例運(yùn)算電路的輸入，比例系數(shù)為

Auf=1+R5/R1

(7)

圖7 帶通濾波器

設(shè)C1=C2=C，R1=R4=R，R3=2R，電路傳遞函數(shù)為

Au(s)=[(Auf·sRC)/[1+(3-Auf)sRC+(SRC)2]

(8)

令中心頻率f0=1/(2πRC),電壓的放大倍數(shù)為

(9)

當(dāng)f=f0時(shí)，就能獲得通頻帶的放大倍數(shù)Aup，令其分母的模值等于2，亦即使Au的分母虛部的絕對(duì)值等于1，通過解方程，取正根，就能得到電路的上下限截止頻率分別為

(10)

(11)

該電路的通頻帶

fbw=fp2-fp1=|3-Auf|f0=f0/Q

(12)

通過超聲探頭具體規(guī)格，可知其中心頻率f0，其工作帶寬BW，先假設(shè)確定電容值C的大小，則有

R=1/(ω0C)=1/(2πf0C)

(13)

再由

Q=f0/BW,Auf=(1-3Q)/(-Q)

(14)

代入式(7)，可以確定R5和R4的比例關(guān)系，從而確定了各個(gè)元件的比例大小。最終確定圖7中各元件參數(shù)為:R1=16 kΩ,R2=1.5 kΩ,R3=32 kΩ,R4=1.5 kΩ,R5=1 kΩ,C1=C2=10 pF。且電路的濾波特性是根據(jù)探頭的參數(shù)確定的，圖8模擬的中心頻率f0=1 MHz，帶寬BW=0.5 MHz。

3 仿真結(jié)果分析

1)空氣耦合超聲波發(fā)射電路及仿真結(jié)果如圖8、圖9所示(在變壓器次級(jí)線圈端使用2 kΩ電阻器模擬超聲波換能器)。發(fā)射電路發(fā)射大約600 V的電壓。實(shí)現(xiàn)了超聲波換能器的固有頻率和石英晶體的振蕩頻率一致。

圖8 2 kΩ電阻模擬超聲波換能器發(fā)射電路

圖9 2 kΩ電阻模擬超聲波換能器發(fā)射端仿真結(jié)果

2) 接收端的放大電路及仿真如圖10、圖11所示，其中信號(hào)發(fā)生器模擬發(fā)射2 μV時(shí)信號(hào)的放大情況。仿真結(jié)果顯示接收的信號(hào)被放大1.046 V，穩(wěn)定在1 V左右。

圖10 接收端放大電路

圖11 2 μV時(shí)接收端信號(hào)的放大情況

4 結(jié) 論

1)發(fā)射電路。通過石英晶體振蕩電路產(chǎn)生的直流矩形脈沖信號(hào)，調(diào)制電路將連續(xù)的脈沖信號(hào)變成間斷的脈沖信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行加壓處理，提高了信號(hào)的發(fā)射功率，達(dá)到600 V，滿足了超聲波換能器的電壓(10～600 V)要求。

2)接收電路。采用前置放大電路和增益可調(diào)的放大電路兩級(jí)放大相結(jié)合的方式，使得電路的增益能達(dá)到要求，前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)達(dá)到80 dB。仿真輸出電壓放大了79.43 dB，基本能滿足要求。且能通過調(diào)節(jié)二級(jí)放大電路調(diào)節(jié)電路的增益，能有效解決空氣耦合中對(duì)電路增益的要求，滿足系統(tǒng)接收信號(hào)時(shí)的阻抗匹配問題，提高了系統(tǒng)的可適應(yīng)性以及擴(kuò)展其檢測范圍。

3)濾波電路。中心頻率f0=1 MHz，帶寬BW=0.5 MHz可接收頻率0.5～1.5 MHz的超聲波。實(shí)現(xiàn)了對(duì)回波中噪聲信號(hào)的削減，達(dá)到降噪的效果。

由于空氣耦合對(duì)于超聲波換能器的特殊要求，在仿真上不能完全模擬，分步對(duì)各個(gè)部分電路進(jìn)行模擬檢測，每個(gè)部分都能良好的完成工作，取得滿意的仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。