专利名称：激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡的制作方法
技术领域：
实现了一种用于激励压电换能器阵列产生任意波形的超声导波激励板卡，属于无损检测领域。
背景技术：
在工业领域中基于超声导波技术对管道及板类结构健康状况检测是一门正快速发展的检测技术，它的最大优点是检测时安全、简便、可靠、准确而且精度高。该技术的核心是要激励出适合在检测对象中传播的超声导波，鉴于检测对象结构材料的复杂多样性和检测小缺陷算法的需要，激励板卡应提供能激励频率幅值可调的任意波形的能力。如要实现超声导波的时反聚焦来提高小缺陷检测能力，需要激励板卡能发射幅值可程控的任意形状高压脉冲波形；如要实现扫频检测需要激励板卡能发射具有一定带宽的高压扫频波，以提高检测速度。目前，国际上广泛使用的用于长距离检测的两种导波检测设备，一种是英国 GUL公司的针对压电换能器阵列设计的WaveMarker G3，另外一种是由美国西南研究院针对磁致伸缩换能器开发的MsSR3030导波检测系统，这两种设备都是通过在频散较小的频率点激励单一模态来实现缺陷检测。因而，这些设备中的激励板卡都只能生成某种固定类型的窄带脉冲，不具备激励压电换能器产生任意波形的功能，对导波检测技术的进一步发展产生了极大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种可激励任意波形的可程控、宽带、大功率、小体积、易扩展的激励板卡。本发明中的激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡，包括可接收上位机波形数据点的USB接口电路，用于存储波形数据点的SRAM，将波形数据点按照一定时序转换形成波形模拟信号的波形合成电路，控制USB接口电路、SRAM、波形合成电路进行波形数据点接收、存储和合成的FPGA，将波形模拟信号进行功率放大的波形功放电路；其中波形功放电路采用差分放大结构，可有效减少放大信号的干扰和失真，与能够形成各种波形的波形合成电路配合，实现了能够产生各种波形的超声导波激励板卡。所述的波形功放电路的主要功能是将波形合成激励�？樗男」β始だㄐ涡藕沤泄β史糯螅员隳苡行Ъだ沟绱衅髡罅胁疾ㄐ藕牛貌糠忠苁迪挚泶蠊β氏咝苑糯�。为实现上述目的，首先将不平衡信号用功率分配器变成两路平衡信号，然后将两路信号分别进行功率放大，用功率合成器将放大后的两路信号进行功率合成为一路不平衡信号，采用差分放大的结构，可有效减小谐波失真。为进行大范围长距离检测，需要产生有较大能量的激励信号，选用大功率的MOS场效应管和大功率分立元件构成的外围电路来实现功率放大系统。为了拓展输出信号的带宽，在每路放大电路的场效应管的漏极和栅极之间引入负反馈。所述波形功放电路由下面器件连接而成
其中的场效应管为U27和U14，U14和U27的偏置电压由电压源VCC3提供，VCC3 经滤波后分别通过两路偏置电路为U27和U14提供偏置电压，其中一路偏置电路由电位器 R50、二极管D10、电阻R25串联接至U27的栅极，再由U27的栅极串接电阻R32至地而成，另一路偏置电路由电位器R53、二极管D11、电阻R33、电阻R34串联接至U14的栅极，再由U14 的栅极串接电阻R35至地而成，其中的二极管DlO和二极管Dll皆正向连接；U27和U14的漏极分别经电阻R26和电阻R30再通过滤波电路接VCC3 ；U27和U14的源极分别经并联的电阻R9、电容ClO和并联的电阻R10、电容C18接地。其中的功率分配变压器为TR1，TRl的原端接波形模拟信号，TRl的输出形成两路差模信号，分别接到U27和U14，其中一路通过电容C7、电阻R31接至U27的栅极，另外一路通过电容C20、电阻R34接至U14的栅极。U27和U14的漏极作为输出分别经电容以8和电容以9接到功率合成变压器TR2 的1脚和3脚；TR2的2脚和TR3的1脚、4脚相连，TR2的4脚和TR3的3脚接地，TR3的2 脚作为合成信号输出，其中TR3的2脚直接BNC2，且经电阻R36接地。所述反馈电路分别接在U27和U14的漏极和栅极之间，该反馈电路由电阻和电容组成，其中，U27的漏极和栅极间由电容C9和电阻R38相连 ’U14的漏极和栅极间由电容C48 和电阻R39相连。在U27和U14的源极和栅极间分别接有保护电路，该保护电路由两个对接的二极管构成，其中，U27的漏极和栅极间为D14、D15 ；U14的漏极和栅极间为D12、D13。在电压源VCC3与场效应管U27和U14的栅极和漏极间设有滤波电路，该滤波电路皆采用由电容和电感组成的滤波器，其结构分为三路，一路电压源VCC3经电容CP^接地，同时电压源VCC3接电感L24，电感LM与电感L25异名端串接后分别与U27和U14的偏置电路连接，且电感LM与电感L25的连接处通过电容C6接地。二路电压源VCC3经电容CP8接地，同时电压源VCC3接电感L17，电感L17与电感LlO异名端串接后经电阻似6接U27的漏极，且电感L17与电感LlO的连接处通过电容 C8接地。三路电压源VCC3经电容CP9接地，同时电压源VCC3接电感L18，电感L18与电感L16异名端串接后经电阻R30接U14的漏极，且电感L18与电感L16的连接处通过电容 C27接地。
图1、本发明激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡的原理框图；图2、本发明激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡中的波形功放电路的一实施例电路图。图3、归一化处理后的时反波波形4、合成电路合成的时反波波形5、波形功放电路的规一化频响曲线
具体实施例方式下面结合图1 图5对本发明作进一步的说明本激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡的结构框图如图1所示，上位机产生波形数据点，FPGA控制USB接口电路接收波形数据点，并将其送到激励板卡中的SRAM存储器，FPGA从SRAM取出波形数据点并将波形数据点进行时序转换，然后发送到波形合成电路形成波形模拟信号，经波形功放电路将波形模拟信号进行功率放大，然后输送到压电换能器阵列。本实施例中的FPGA为Xilinx公司的Spartan-Ill系列现场可编程门阵列。在 FPGA控制波形数据的传输、存储、波形合成的整个过程。波形合成中含有14位数模转换器，数模转换器将波形数据点转换成对应的模拟信号，然后通过后续的放大电路进行放大。 为说明该任意波形激励板卡的波形合成功能，在实际检测时需要合成的时反波的如图3所示，经该电路合成的波形如图4所示，两者比较相似，说明该激励板卡具有生成时反波的功能。本实施例中的波形功放电路如图2，主要采用两个场效应管作为放大器件，两组变压器分别作为功率分配变压器和功率合成变压器，另外还包括功率电阻、电容、二极管、功率电感、滑动变阻器、电感等元器件。上述的波形功放电路实现如下其中，场效应管为U27和U14，U14和U27的偏置电压由电压源VCCO提供，VCCO 经两路偏置电路分别为U27和U14提供偏置电压，其中一路偏置电路由电位器R50、二极管 D10、电阻R25、电阻R31串联接至U27的栅极，再由U27的栅极串接电阻R32至地而成，另一路偏置电路由电位器R53、二极管D11、电阻R33、电阻R34串联接至U14的栅极，再由U14 的栅极串接电阻R35至地而成，其中的二极管DlO和二极管Dll皆正向连接；U27和U14的漏极分别经电阻R26和电阻R30接VCCl和VCC2 ；U27和U14的源极分别经并联的电阻R9、 电容ClO和并联的电阻R10、电容C18接地。由4个3V的磷酸铁锂电池串联成12V的电源， 直接提供给VCC0，经升压变换后分别生成数百伏的高压提供给VCCl和VCC2。其中的功率分配变压器为TR1，TRl的原端接波形模拟信号，TRl的输出形成差模信号，分别接到U27和U14，其中一路通过电容C7、电阻R31接至U27的栅极，另外一路通过电容C20、电阻R34接至U14的栅极。U27和U14的漏极作为输出分别经电容以8和电容以9接到功率合成变压器TR2 的1脚和3脚；TR2的2脚和TR3的1脚、4脚相连，TR2的4脚和TR3的3脚接地，TR3的2 脚作为合成信号输出，其中TR3的2脚直接BNC2，且经电阻R36接地。为了拓展输出信号的带宽，U27和U14的漏极和栅极间分别接有反馈电路，该反馈电路由电阻和电容组成。其中，U27的漏极和栅极间由电容C9和电阻R38相连 ’U14的漏极和栅极间由电容C48和电阻R39相连。为了使输出信号稳定和防止突然断电对场效应管的影响，U27和U14的源极和栅极间分别接有保护电路，该保护电路由两个对接的二极管构成。其中，U27的漏极和栅极间为D14、D15 ；U14的漏极和栅极间为D12、D13。为了防止直流电源的干扰进入电路，同时也防止交流信号窜入直流电源，电压源 VCC3与场效应管U27和U14的栅极和漏极间设有滤波电路，该滤波电路皆采用由电容和电感组成的滤波器，其结构分为三路，一路电压源VCC3经电容CP^接地，同时电压源VCC3接电感L24，电感LM与电感L25异名端串接后分别与U27和U14的偏置电路连接，且电感LM与电感L25的连接处通过电容C6接地。二路电压源VCC3经电容CP8接地，同时电压源VCC3接电感L17，电感L17与电感LlO异名端串接后经电阻似6接U27的漏极，且电感L17与电感LlO的连接处通过电容 C8接地。三路电压源VCC3经电容CP9接地，同时电压源VCC3接电感L18，电感L18与电感L16异名端串接后经电阻R30接U14的漏极，且电感L18与电感L16的连接处通过电容 C27接地。在设计完成该部分电路后，对其性能进行测试，得到的频率响应曲线，如图5。该功放电路的带宽至少为2MHz，且在超声导波的检测范围内具有较好的通带平坦度。该板卡不仅能用于时反聚焦检测，还能用于其它的聚焦检测方法研究。最后应说明的是以上实施例仅说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡，包括可接收上位机波形数据点的USB接口电路，用于存储波形数据点的SRAM，将波形数据点按一定时序转换形成波形模拟信号的波形合成电路，控制USB接口电路、SRAM、波形合成电路进行波形数据点接收、存储和合成的FPGA，将波形模拟信号进行功率放大的波形功放电路；其特征在于所述波形功放电路采用如下方法实现a)将输入的不平衡信号用功率分配变压器变成两路平衡信号，b)用两个大功率场效应管和大功率分立元件构成的外围电路将两路信号分别进行功率放大；c)采用宽带功率合成变压器，将放大后的两路信号合成为一路不平衡信号。d)每条支路采用电压负反馈拓展输出信号带宽。
2.如权利要求1所述的激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡，其特征在于，所述波形功放电路由下面器件连接而成包括两个场效应管U27和U14、一个功率分配变压器TRl、两个功率合成变压器TR2和TR3，其中，U14和U27的偏置电压由电压源VCC3提供，其中VCC3经滤波后分别通过两路偏置电路为U27和U14提供偏置电压，其中一路偏置电路由电位器R50、二极管D10、电阻R25串联接至U27的栅极，再由U27的栅极串接电阻R32至地而成，另一路偏置电路由电位器R53、二极管D11、电阻R33、电阻R34串联接至U14的栅极，再由U14的栅极串接电阻R35至地而成，其中的二极管DlO和二极管Dll皆正向连接；U27和U14的漏极分别经电阻似6和电阻R30再通过滤波电路接VCC3 ；U27和U14的源极分别经并联的电阻R9、电容ClO和并联的电阻R10、电容C18接地；TRl的2脚接第一 BNC接头的1脚，TRl的1脚和第一 BNC接头的2、3、4脚均接地，TRl的输出为差分信号分别从TRl的3脚和4脚输出，其中TRl的3脚通过电容C20、电阻R34接至U14的栅极，TRl的4脚通过电容C7、电阻R31接至U27的栅极；U27和U14的漏极作为输出分别经电容C28和电容C29接到TR2的1脚和3脚；TR2的2脚和TR3的1脚、4脚相连，TR2的4脚和TR3的3脚接地，TR3的2脚作为合成信号输出，并经电阻R37接至第二BNC接头的1脚，同时经电阻R36接地。所述反馈电路分别接在U27和U14的漏极和栅极之间，该反馈电路由电阻和电容组成，其中，U27的漏极和栅极间由电容C9和电阻R38相连 ’U14的漏极和栅极间由电容C48和电阻R39相连。
3.如权利要求2所述的激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡，其特征在于U27和U14的源极和栅极间分别接有保护电路，该保护电路由两个对接的二极管构成，其中，U27的漏极和栅极间为D14、D15 ；U14的漏极和栅极间为D12、D13。
4.如权利要求2所述的激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡，其特征在于电压源VCC3与U27和U14的栅极和漏极间设有滤波电路，该滤波电路皆采用由电容和电感组成的滤波器，其结构分为三路，一路电压源VCC3经电容CP^接地，同时电压源VCC3接电感L24，电感LM与电感L25异名端串接后分别与U27和U14的偏置电路连接，且电感LM与电感L25的连接处通过电容C6接地。二路电压源VCC3经电容CP8接地，同时电压源VCC3接电感L17，电感L17与电感LlO异名端串接后经电阻R26接U27的漏极，且电感L17与电感LlO的连接处通过电容C8接地。三路电压源VCC3经电容CP9接地，同时电压源VCC3接电感L18，电感L18与电感L16异名端串接后经电阻R30接U14的漏极，且电感L18与电感L16的连接处通过电容C27接地。
全文摘要
一种激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡，用于激励压电换能器阵列产生超声导波，属于无损检测领域。包括可接收上位机波形数据点的USB接口电路，和用于存储波形数据点的SRAM，将波形数据点按一定时序转换形成波形模拟信号的波形合成电路，FPGA控制波形数据点的接收、存储和合成，将波形模拟信号进行功率放大的波形功放电路；其中波形功放电路整体结构采用差分放大形式可有效抑制谐波失真和温漂，与能够形成各种波形的波形合成电路配合，实现了能够产生任意波形的超声导波激励板卡。
文档编号G01N29/34GK102565200SQ20121003406
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者何存富, 吴斌, 周进节, 郑阳 申请人:北京工业大学
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