專利名稱：激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實(shí)現(xiàn)了一種用于激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生任意波形的超聲導(dǎo)波激勵(lì)板卡，屬于無損檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)領(lǐng)域中基于超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)管道及板類結(jié)構(gòu)健康狀況檢測(cè)是一門正快速發(fā)展的檢測(cè)技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)時(shí)安全、簡(jiǎn)便、可靠、準(zhǔn)確而且精度高。該技術(shù)的核心是要激勵(lì)出適合在檢測(cè)對(duì)象中傳播的超聲導(dǎo)波，鑒于檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)材料的復(fù)雜多樣性和檢測(cè)小缺陷算法的需要，激勵(lì)板卡應(yīng)提供能激勵(lì)頻率幅值可調(diào)的任意波形的能力。如要實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的時(shí)反聚焦來提高小缺陷檢測(cè)能力，需要激勵(lì)板卡能發(fā)射幅值可程控的任意形狀高壓脈沖波形；如要實(shí)現(xiàn)掃頻檢測(cè)需要激勵(lì)板卡能發(fā)射具有一定帶寬的高壓掃頻波，以提高檢測(cè)速度。目前，國(guó)際上廣泛使用的用于長(zhǎng)距離檢測(cè)的兩種導(dǎo)波檢測(cè)設(shè)備，一種是英國(guó) GUL公司的針對(duì)壓電換能器陣列設(shè)計(jì)的WaveMarker G3，另外一種是由美國(guó)西南研究院針對(duì)磁致伸縮換能器開發(fā)的MsSR3030導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，這兩種設(shè)備都是通過在頻散較小的頻率點(diǎn)激勵(lì)單一模態(tài)來實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)。因而，這些設(shè)備中的激勵(lì)板卡都只能生成某種固定類型的窄帶脈沖，不具備激勵(lì)壓電換能器產(chǎn)生任意波形的功能，對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生了極大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可激勵(lì)任意波形的可程控、寬帶、大功率、小體積、易擴(kuò)展的激勵(lì)板卡。本發(fā)明中的激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡，包括可接收上位機(jī)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的USB接口電路，用于存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的SRAM，將波形數(shù)據(jù)點(diǎn)按照一定時(shí)序轉(zhuǎn)換形成波形模擬信號(hào)的波形合成電路，控制USB接口電路、SRAM、波形合成電路進(jìn)行波形數(shù)據(jù)點(diǎn)接收、存儲(chǔ)和合成的FPGA，將波形模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大的波形功放電路；其中波形功放電路采用差分放大結(jié)構(gòu)，可有效減少放大信號(hào)的干擾和失真，與能夠形成各種波形的波形合成電路配合，實(shí)現(xiàn)了能夠產(chǎn)生各種波形的超聲導(dǎo)波激勵(lì)板卡。所述的波形功放電路的主要功能是將波形合成激勵(lì)模塊所產(chǎn)生的小功率激勵(lì)波形信號(hào)進(jìn)行功率放大，以便能有效激勵(lì)壓電傳感器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波信號(hào)，該部分要能實(shí)現(xiàn)寬帶大功率線性放大。為實(shí)現(xiàn)上述目的，首先將不平衡信號(hào)用功率分配器變成兩路平衡信號(hào)，然后將兩路信號(hào)分別進(jìn)行功率放大，用功率合成器將放大后的兩路信號(hào)進(jìn)行功率合成為一路不平衡信號(hào)，采用差分放大的結(jié)構(gòu)，可有效減小諧波失真。為進(jìn)行大范圍長(zhǎng)距離檢測(cè)，需要產(chǎn)生有較大能量的激勵(lì)信號(hào)，選用大功率的MOS場(chǎng)效應(yīng)管和大功率分立元件構(gòu)成的外圍電路來實(shí)現(xiàn)功率放大系統(tǒng)。為了拓展輸出信號(hào)的帶寬，在每路放大電路的場(chǎng)效應(yīng)管的漏極和柵極之間引入負(fù)反饋。所述波形功放電路由下面器件連接而成
其中的場(chǎng)效應(yīng)管為U27和U14，U14和U27的偏置電壓由電壓源VCC3提供，VCC3 經(jīng)濾波后分別通過兩路偏置電路為U27和U14提供偏置電壓，其中一路偏置電路由電位器 R50、二極管D10、電阻R25串聯(lián)接至U27的柵極，再由U27的柵極串接電阻R32至地而成，另一路偏置電路由電位器R53、二極管D11、電阻R33、電阻R34串聯(lián)接至U14的柵極，再由U14 的柵極串接電阻R35至地而成，其中的二極管DlO和二極管Dll皆正向連接；U27和U14的漏極分別經(jīng)電阻R26和電阻R30再通過濾波電路接VCC3 ；U27和U14的源極分別經(jīng)并聯(lián)的電阻R9、電容ClO和并聯(lián)的電阻R10、電容C18接地。其中的功率分配變壓器為TR1，TRl的原端接波形模擬信號(hào)，TRl的輸出形成兩路差模信號(hào)，分別接到U27和U14，其中一路通過電容C7、電阻R31接至U27的柵極，另外一路通過電容C20、電阻R34接至U14的柵極。U27和U14的漏極作為輸出分別經(jīng)電容以8和電容以9接到功率合成變壓器TR2 的1腳和3腳；TR2的2腳和TR3的1腳、4腳相連，TR2的4腳和TR3的3腳接地，TR3的2 腳作為合成信號(hào)輸出，其中TR3的2腳直接BNC2，且經(jīng)電阻R36接地。所述反饋電路分別接在U27和U14的漏極和柵極之間，該反饋電路由電阻和電容組成，其中，U27的漏極和柵極間由電容C9和電阻R38相連 ’U14的漏極和柵極間由電容C48 和電阻R39相連。在U27和U14的源極和柵極間分別接有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由兩個(gè)對(duì)接的二極管構(gòu)成，其中，U27的漏極和柵極間為D14、D15 ；U14的漏極和柵極間為D12、D13。在電壓源VCC3與場(chǎng)效應(yīng)管U27和U14的柵極和漏極間設(shè)有濾波電路，該濾波電路皆采用由電容和電感組成的濾波器，其結(jié)構(gòu)分為三路，一路電壓源VCC3經(jīng)電容CP^接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L24，電感LM與電感L25異名端串接后分別與U27和U14的偏置電路連接，且電感LM與電感L25的連接處通過電容C6接地。二路電壓源VCC3經(jīng)電容CP8接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L17，電感L17與電感LlO異名端串接后經(jīng)電阻似6接U27的漏極，且電感L17與電感LlO的連接處通過電容 C8接地。三路電壓源VCC3經(jīng)電容CP9接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L18，電感L18與電感L16異名端串接后經(jīng)電阻R30接U14的漏極，且電感L18與電感L16的連接處通過電容 C27接地。


圖1、本發(fā)明激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡的原理框圖；圖2、本發(fā)明激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡中的波形功放電路的一實(shí)施例電路圖。圖3、歸一化處理后的時(shí)反波波形4、合成電路合成的時(shí)反波波形5、波形功放電路的規(guī)一化頻響曲線
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1 圖5對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明本激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，上位機(jī)產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)點(diǎn)，F(xiàn)PGA控制USB接口電路接收波形數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將其送到激勵(lì)板卡中的SRAM存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA從SRAM取出波形數(shù)據(jù)點(diǎn)并將波形數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送到波形合成電路形成波形模擬信號(hào)，經(jīng)波形功放電路將波形模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后輸送到壓電換能器陣列。本實(shí)施例中的FPGA為Xilinx公司的Spartan-Ill系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。在 FPGA控制波形數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)、波形合成的整個(gè)過程。波形合成中含有14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將波形數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，然后通過后續(xù)的放大電路進(jìn)行放大。 為說明該任意波形激勵(lì)板卡的波形合成功能，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要合成的時(shí)反波的如圖3所示，經(jīng)該電路合成的波形如圖4所示，兩者比較相似，說明該激勵(lì)板卡具有生成時(shí)反波的功能。本實(shí)施例中的波形功放電路如圖2，主要采用兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管作為放大器件，兩組變壓器分別作為功率分配變壓器和功率合成變壓器，另外還包括功率電阻、電容、二極管、功率電感、滑動(dòng)變阻器、電感等元器件。上述的波形功放電路實(shí)現(xiàn)如下其中，場(chǎng)效應(yīng)管為U27和U14，U14和U27的偏置電壓由電壓源VCCO提供，VCCO 經(jīng)兩路偏置電路分別為U27和U14提供偏置電壓，其中一路偏置電路由電位器R50、二極管 D10、電阻R25、電阻R31串聯(lián)接至U27的柵極，再由U27的柵極串接電阻R32至地而成，另一路偏置電路由電位器R53、二極管D11、電阻R33、電阻R34串聯(lián)接至U14的柵極，再由U14 的柵極串接電阻R35至地而成，其中的二極管DlO和二極管Dll皆正向連接；U27和U14的漏極分別經(jīng)電阻R26和電阻R30接VCCl和VCC2 ；U27和U14的源極分別經(jīng)并聯(lián)的電阻R9、 電容ClO和并聯(lián)的電阻R10、電容C18接地。由4個(gè)3V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)成12V的電源， 直接提供給VCC0，經(jīng)升壓變換后分別生成數(shù)百伏的高壓提供給VCCl和VCC2。其中的功率分配變壓器為TR1，TRl的原端接波形模擬信號(hào)，TRl的輸出形成差模信號(hào)，分別接到U27和U14，其中一路通過電容C7、電阻R31接至U27的柵極，另外一路通過電容C20、電阻R34接至U14的柵極。U27和U14的漏極作為輸出分別經(jīng)電容以8和電容以9接到功率合成變壓器TR2 的1腳和3腳；TR2的2腳和TR3的1腳、4腳相連，TR2的4腳和TR3的3腳接地，TR3的2 腳作為合成信號(hào)輸出，其中TR3的2腳直接BNC2，且經(jīng)電阻R36接地。為了拓展輸出信號(hào)的帶寬，U27和U14的漏極和柵極間分別接有反饋電路，該反饋電路由電阻和電容組成。其中，U27的漏極和柵極間由電容C9和電阻R38相連 ’U14的漏極和柵極間由電容C48和電阻R39相連。為了使輸出信號(hào)穩(wěn)定和防止突然斷電對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的影響，U27和U14的源極和柵極間分別接有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由兩個(gè)對(duì)接的二極管構(gòu)成。其中，U27的漏極和柵極間為D14、D15 ；U14的漏極和柵極間為D12、D13。為了防止直流電源的干擾進(jìn)入電路，同時(shí)也防止交流信號(hào)竄入直流電源，電壓源 VCC3與場(chǎng)效應(yīng)管U27和U14的柵極和漏極間設(shè)有濾波電路，該濾波電路皆采用由電容和電感組成的濾波器，其結(jié)構(gòu)分為三路，一路電壓源VCC3經(jīng)電容CP^接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L24，電感LM與電感L25異名端串接后分別與U27和U14的偏置電路連接，且電感LM與電感L25的連接處通過電容C6接地。二路電壓源VCC3經(jīng)電容CP8接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L17，電感L17與電感LlO異名端串接后經(jīng)電阻似6接U27的漏極，且電感L17與電感LlO的連接處通過電容 C8接地。三路電壓源VCC3經(jīng)電容CP9接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L18，電感L18與電感L16異名端串接后經(jīng)電阻R30接U14的漏極，且電感L18與電感L16的連接處通過電容 C27接地。在設(shè)計(jì)完成該部分電路后，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，得到的頻率響應(yīng)曲線，如圖5。該功放電路的帶寬至少為2MHz，且在超聲導(dǎo)波的檢測(cè)范圍內(nèi)具有較好的通帶平坦度。該板卡不僅能用于時(shí)反聚焦檢測(cè)，還能用于其它的聚焦檢測(cè)方法研究。最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡，包括可接收上位機(jī)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的USB接口電路，用于存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的SRAM，將波形數(shù)據(jù)點(diǎn)按一定時(shí)序轉(zhuǎn)換形成波形模擬信號(hào)的波形合成電路，控制USB接口電路、SRAM、波形合成電路進(jìn)行波形數(shù)據(jù)點(diǎn)接收、存儲(chǔ)和合成的FPGA，將波形模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大的波形功放電路；其特征在于所述波形功放電路采用如下方法實(shí)現(xiàn)a)將輸入的不平衡信號(hào)用功率分配變壓器變成兩路平衡信號(hào)，b)用兩個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管和大功率分立元件構(gòu)成的外圍電路將兩路信號(hào)分別進(jìn)行功率放大；c)采用寬帶功率合成變壓器，將放大后的兩路信號(hào)合成為一路不平衡信號(hào)。d)每條支路采用電壓負(fù)反饋拓展輸出信號(hào)帶寬。
2.如權(quán)利要求1所述的激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡，其特征在于，所述波形功放電路由下面器件連接而成包括兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管U27和U14、一個(gè)功率分配變壓器TRl、兩個(gè)功率合成變壓器TR2和TR3，其中，U14和U27的偏置電壓由電壓源VCC3提供，其中VCC3經(jīng)濾波后分別通過兩路偏置電路為U27和U14提供偏置電壓，其中一路偏置電路由電位器R50、二極管D10、電阻R25串聯(lián)接至U27的柵極，再由U27的柵極串接電阻R32至地而成，另一路偏置電路由電位器R53、二極管D11、電阻R33、電阻R34串聯(lián)接至U14的柵極，再由U14的柵極串接電阻R35至地而成，其中的二極管DlO和二極管Dll皆正向連接；U27和U14的漏極分別經(jīng)電阻似6和電阻R30再通過濾波電路接VCC3 ；U27和U14的源極分別經(jīng)并聯(lián)的電阻R9、電容ClO和并聯(lián)的電阻R10、電容C18接地；TRl的2腳接第一 BNC接頭的1腳，TRl的1腳和第一 BNC接頭的2、3、4腳均接地，TRl的輸出為差分信號(hào)分別從TRl的3腳和4腳輸出，其中TRl的3腳通過電容C20、電阻R34接至U14的柵極，TRl的4腳通過電容C7、電阻R31接至U27的柵極；U27和U14的漏極作為輸出分別經(jīng)電容C28和電容C29接到TR2的1腳和3腳；TR2的2腳和TR3的1腳、4腳相連，TR2的4腳和TR3的3腳接地，TR3的2腳作為合成信號(hào)輸出，并經(jīng)電阻R37接至第二BNC接頭的1腳，同時(shí)經(jīng)電阻R36接地。所述反饋電路分別接在U27和U14的漏極和柵極之間，該反饋電路由電阻和電容組成，其中，U27的漏極和柵極間由電容C9和電阻R38相連 ’U14的漏極和柵極間由電容C48和電阻R39相連。
3.如權(quán)利要求2所述的激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡，其特征在于U27和U14的源極和柵極間分別接有保護(hù)電路，該保護(hù)電路由兩個(gè)對(duì)接的二極管構(gòu)成，其中，U27的漏極和柵極間為D14、D15 ；U14的漏極和柵極間為D12、D13。
4.如權(quán)利要求2所述的激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡，其特征在于電壓源VCC3與U27和U14的柵極和漏極間設(shè)有濾波電路，該濾波電路皆采用由電容和電感組成的濾波器，其結(jié)構(gòu)分為三路，一路電壓源VCC3經(jīng)電容CP^接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L24，電感LM與電感L25異名端串接后分別與U27和U14的偏置電路連接，且電感LM與電感L25的連接處通過電容C6接地。二路電壓源VCC3經(jīng)電容CP8接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L17，電感L17與電感LlO異名端串接后經(jīng)電阻R26接U27的漏極，且電感L17與電感LlO的連接處通過電容C8接地。三路電壓源VCC3經(jīng)電容CP9接地，同時(shí)電壓源VCC3接電感L18，電感L18與電感L16異名端串接后經(jīng)電阻R30接U14的漏極，且電感L18與電感L16的連接處通過電容C27接地。
全文摘要
一種激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的任意波形激勵(lì)板卡，用于激勵(lì)壓電換能器陣列產(chǎn)生超聲導(dǎo)波，屬于無損檢測(cè)領(lǐng)域。包括可接收上位機(jī)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的USB接口電路，和用于存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的SRAM，將波形數(shù)據(jù)點(diǎn)按一定時(shí)序轉(zhuǎn)換形成波形模擬信號(hào)的波形合成電路，F(xiàn)PGA控制波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的接收、存儲(chǔ)和合成，將波形模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大的波形功放電路；其中波形功放電路整體結(jié)構(gòu)采用差分放大形式可有效抑制諧波失真和溫漂，與能夠形成各種波形的波形合成電路配合，實(shí)現(xiàn)了能夠產(chǎn)生任意波形的超聲導(dǎo)波激勵(lì)板卡。
文檔編號(hào)G01N29/34GK102565200SQ20121003406
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者何存富, 吳斌, 周進(jìn)節(jié), 鄭陽 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)