本實(shí)用新型屬于超聲檢測(cè)及高頻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓陣列超聲脈沖激發(fā)裝置。
背景技術(shù)：
目前超聲探傷所使用的單脈沖信號(hào)源都是小功率的，而大壩的混凝土結(jié)構(gòu)以及核電站壓力容器的奧氏鋼體結(jié)構(gòu)對(duì)聲波的散射衰減很大，如信號(hào)功率不強(qiáng)，將無(wú)法檢測(cè)到回波信號(hào)，就不能很好地完成深度探傷檢測(cè)。
申請(qǐng)?zhí)枮椤?01120198403”名稱為“一種大功率超聲波發(fā)生機(jī)”的專利申請(qǐng)，公開(kāi)的是一種大功率超聲波發(fā)生機(jī)，包括380V的電源、整流器、功放I、功放II、合成器和換能器，其特征在于：還包括電壓調(diào)節(jié)器、單片機(jī)、信號(hào)源、匹配網(wǎng)絡(luò)，以及電纜，所述電源經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器微調(diào)后進(jìn)入整流器，整流后的電源經(jīng)過(guò)功放I和功放II輸送到合成器，所述單片機(jī)通過(guò)信號(hào)源對(duì)功放I、功放II進(jìn)行控制，所述合成器通過(guò)傳感器與匹配網(wǎng)絡(luò)連通，所述匹配網(wǎng)絡(luò)通過(guò)電纜與換能器連通。該實(shí)用新型采用了先進(jìn)的元器件，電路設(shè)計(jì)為脈沖功率轉(zhuǎn)換多單元一次合成技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，性能可靠，具有頻率，脈寬和功率協(xié)調(diào)功能，電流沖擊小，輸出功率大而穩(wěn)定，但是輸出的是正弦波信號(hào)，無(wú)法用于超聲探傷。
申請(qǐng)?zhí)枮椤?00980144195”名稱為“脈沖信號(hào)發(fā)生裝置”的專利申請(qǐng)，公開(kāi)的是一種脈沖信號(hào)發(fā)生裝置，其特征在于：為了在諧振腔發(fā)生負(fù)阻使三電極高頻放大元件集成化，并且為了共用向空間放射電磁波的天線功能構(gòu)成放射型振蕩器，通過(guò)使上述三電極高頻放大元件短時(shí)間進(jìn)行動(dòng)作而獲得短時(shí)間的負(fù)阻，發(fā)生基于該負(fù)阻和上述諧振腔之構(gòu)造所決定的振蕩頻率/頻率帶寬的高頻脈沖信號(hào)，并同時(shí)將其向空間放射。該實(shí)用新型具有構(gòu)造單純化、高性能化、小型集成化、設(shè)計(jì)容易化、低耗電化、低成本化的特點(diǎn)，但是屬于微波/毫米波段的高頻脈沖信號(hào)發(fā)生裝置，功率小，不能達(dá)到所需的探傷深度及精確度。
申請(qǐng)?zhí)枮椤?01210063255.3”名稱為“大功率單脈沖超聲信號(hào)發(fā)生器及其無(wú)損探傷的方法”的專利申請(qǐng)，公開(kāi)的是一種大功率的單脈沖超聲波發(fā)生器，其特征在于：通過(guò)控制單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波作為控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)緩沖放大電路對(duì)電流進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管的通斷，控制電容充放電的目的，從而控制脈沖激發(fā)電路輸出所需脈寬的單脈沖信號(hào)，定時(shí)將脈沖幅度反饋給單片機(jī)，對(duì)設(shè)備空載及過(guò)熱現(xiàn)象及時(shí)采取保護(hù)措施，最終經(jīng)過(guò)單脈沖變壓器使脈沖幅度大大提升。該實(shí)用新型雖然克服了以往脈沖功率源輸出功率過(guò)低的弊端，但其脈沖寬度不可調(diào)，脈沖信號(hào)主頻無(wú)法與任意換能器固有頻率達(dá)成一致形成諧振，浪費(fèi)了能量，消弱了探測(cè)效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的是提供一種高壓陣列超聲脈沖激發(fā)裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確、有效地對(duì)聲波散射衰減比較強(qiáng)介質(zhì)(如混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物、核電站壓力容器)進(jìn)行超聲探傷檢測(cè)的技術(shù)問(wèn)題。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種高壓陣列超聲脈沖激發(fā)裝置，包括：FPGA控制模塊、與FPGA控制模塊相連的若干超聲激發(fā)模塊，以及與各超聲激發(fā)模塊相匹配的超聲接收模塊；其中所述FPGA控制模塊適于輸出多路控制信號(hào)分別接入各超聲激發(fā)模塊，以使其產(chǎn)生單脈沖超聲信號(hào)；以及所述FPGA控制模塊還適于將產(chǎn)生的同步信號(hào)分別發(fā)送至各超聲接收模塊。
進(jìn)一步，所述超聲激發(fā)模塊包括：
與FPGA控制模塊一控制輸出端依次相連的脈寬寬度調(diào)節(jié)器、電平轉(zhuǎn)換模塊和脈沖功率變換發(fā)射電路；其中所述脈寬寬度調(diào)節(jié)器適于調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的脈寬；所述電平轉(zhuǎn)換模塊適于放大脈沖信號(hào)。
進(jìn)一步，所述脈沖功率變換發(fā)射電路包括：
適于產(chǎn)生單脈沖信號(hào)的RC電路，適于控制電容充放電的功率開(kāi)關(guān)管，適于放大單脈沖信號(hào)的脈沖變壓器，以及發(fā)射換能器；其中
所述RC電路中電容與電阻串聯(lián)后的兩端分別連接電源正極和地，所述電容與電阻之間節(jié)點(diǎn)通過(guò)脈沖變壓器的初級(jí)線圈連通功率開(kāi)關(guān)管的漏極；
所述功率開(kāi)關(guān)管的柵極連接電平轉(zhuǎn)換模塊的輸出端，并通過(guò)相應(yīng)脈沖信號(hào)的電平控制功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷或?qū)?，且在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后，使所述初級(jí)線圈得電導(dǎo)通；所述脈沖變壓器的次級(jí)線圈耦合得電，使發(fā)射換能器工作。
進(jìn)一步，所述超聲激發(fā)模塊還包括空載及過(guò)熱保護(hù)模塊，所述空載及過(guò)熱保護(hù)模塊的輸入端與脈沖功率變換發(fā)射電路的輸出端相連；同時(shí)
該空載及過(guò)熱保護(hù)模塊的輸出端與FPGA控制模塊的反饋端相連。
進(jìn)一步，所述超聲接收模塊還包括接收換能器和接收器；其中所述接收換能器適于在接收器獲得同步信號(hào)時(shí)，接收發(fā)射換能器發(fā)射的單脈沖超聲信號(hào)。
進(jìn)一步，所述多路超聲激發(fā)模塊之間設(shè)有電磁屏蔽裝置。
進(jìn)一步，所述脈寬寬度調(diào)節(jié)器采用型號(hào)為74HC123的雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。
進(jìn)一步，所述電阻為大功率電阻；以及所述電容為油浸電容。
進(jìn)一步，所述電平轉(zhuǎn)換模塊采用型號(hào)為NE5532的放大器。
進(jìn)一步，所述功率開(kāi)關(guān)管采用IGBT絕緣柵雙極型晶體管。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是，本實(shí)用新型的高壓陣列超聲脈沖激發(fā)裝置可用于混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物、核電關(guān)鍵壓力容器等散射比較強(qiáng)介質(zhì)的超聲檢測(cè)，與現(xiàn)有的單脈沖信號(hào)發(fā)生器相比，該高壓陣列超聲脈沖激發(fā)裝置在進(jìn)行無(wú)損探傷測(cè)量時(shí)可以得到明顯的回波信號(hào)，大大提高了探傷的深度與精確度，并對(duì)產(chǎn)生大功率脈沖提供了新思路。
附圖說(shuō)明
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本實(shí)用新型的一種高壓陣列超聲脈沖激發(fā)裝置的示意圖。
其中
電阻R1、電容C、功率開(kāi)關(guān)管VT、脈沖變壓器T、發(fā)射換能器B、接收換能器R。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖，僅以示意方式說(shuō)明本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本實(shí)用新型有關(guān)的構(gòu)成。
實(shí)施例1
如圖1所示，本實(shí)施例1提供了一種高壓陣列超聲脈沖激發(fā)裝置，包括：FPGA控制模塊、與FPGA控制模塊相連的若干超聲激發(fā)模塊，以及與各超聲激發(fā)模塊相匹配的超聲接收模塊；其中所述FPGA控制模塊適于輸出多路控制信號(hào)分別接入各超聲激發(fā)模塊，以使其產(chǎn)生單脈沖超聲信號(hào)；以及所述FPGA控制模塊還適于將產(chǎn)生的同步信號(hào)分別發(fā)送至各超聲接收模塊。
具體的，本實(shí)用新型使用Basys2FPGA開(kāi)發(fā)板作為控制模塊FPGA，內(nèi)置有Spartan-3E FPGA芯片，其負(fù)責(zé)產(chǎn)生有序的超聲波控制信號(hào)和同步信號(hào)以及對(duì)裝置反饋信號(hào)進(jìn)行處理，判斷裝置是否工作異常從而采取保護(hù)措施。
所述超聲激發(fā)模塊包括：
與FPGA控制模塊一控制輸出端依次相連的脈寬寬度調(diào)節(jié)器、電平轉(zhuǎn)換模塊和脈沖功率變換發(fā)射電路；其中所述脈寬寬度調(diào)節(jié)器適于調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的脈寬；所述電平轉(zhuǎn)換模塊適于放大脈沖信號(hào)。
優(yōu)選的，所述脈寬寬度調(diào)節(jié)器選用的是由雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC123為核心的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。74HC123的輸出脈沖寬度有三種控制方式。一是通過(guò)選擇外部元件電容CEXT和電阻RT值來(lái)確定脈寬，二是通過(guò)正觸發(fā)輸入端或負(fù)觸發(fā)輸入端的重觸發(fā)延長(zhǎng)輸出脈寬，三是通過(guò)清除端的清除來(lái)縮短脈寬。本實(shí)施例采用第一種方式，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器改變RT的值從而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬進(jìn)行細(xì)調(diào)和粗調(diào)。
由于74HC123產(chǎn)生的單穩(wěn)態(tài)信號(hào)，電流值很小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管VT正常工作，因而所述電平轉(zhuǎn)換模塊采用運(yùn)算放大器例如但不限于NE5532對(duì)電流進(jìn)行緩沖放大，NE5532是一種雙運(yùn)放、高性能、低噪聲運(yùn)算放大器，可以提高輸出驅(qū)動(dòng)能力，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管VT的目的。
所述脈沖功率變換發(fā)射電路包括：適于產(chǎn)生單脈沖信號(hào)的RC電路，適于控制電容C充放電的功率開(kāi)關(guān)管VT，適于放大單脈沖信號(hào)的脈沖變壓器T，以及發(fā)射換能器；其中
所述RC電路中電容C與電阻R1串聯(lián)后的兩端分別連接電源正極和地，所述電容C與電阻R1之間節(jié)點(diǎn)通過(guò)脈沖變壓器T的初級(jí)線圈連通功率開(kāi)關(guān)管VT的漏極；
所述功率開(kāi)關(guān)管VT的柵極連接電平轉(zhuǎn)換模塊的輸出端，并通過(guò)相應(yīng)脈沖信號(hào)的電平控制功率開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷或?qū)ǎ以诠β书_(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通后，使所述初級(jí)線圈得電導(dǎo)通；所述脈沖變壓器T的次級(jí)線圈耦合得電，使發(fā)射換能器工作。
具體的，RC電路的時(shí)間常數(shù)：τ＝RC，通過(guò)74HC123構(gòu)成的觸發(fā)電路控制功率開(kāi)關(guān)管VT的通斷時(shí)間，從而控制電容C放電時(shí)間，產(chǎn)生相應(yīng)脈寬的脈沖信號(hào)，信號(hào)再經(jīng)過(guò)脈沖變壓器T對(duì)單脈沖信號(hào)的幅值進(jìn)行放大。
由于容抗和電容成反比，與頻率也成反比；設(shè)容抗為XC，電容為C，頻率為f，即容抗對(duì)應(yīng)的公式為：
為了使等效感抗盡量小，所以電容C要盡量大且耐壓值要高，則電容C兩端電壓為：
其中VH是電源電壓，t是時(shí)間變量；在放電時(shí)，其中Uo是放電前電容C上電壓。
RC電路的時(shí)間常數(shù)τ決定了電容C上的電量變化率；時(shí)間常數(shù)τ較大者，電量變化較慢，要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值；反之，時(shí)間常數(shù)τ較小者，電量變化較快，較快達(dá)到穩(wěn)定值。在本實(shí)施例中要求有較大的功率，且τ＝R1C不可過(guò)大，優(yōu)選的，電容C為20uF，耐壓值為630V的油浸電容，而電阻R1為阻值500Ω、10W的功率水泥電阻。
另外，在本實(shí)施例中，需要以很快速度改變電路的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電容C連續(xù)的充放電，故通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管VT以控制電容C的連續(xù)充放電；雙極型三極管BJT飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流大；絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS和雙極型三極管BJT組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，絕緣柵雙極型晶體管IGBT融和了絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS和雙極型三極管BJT這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，可以采用低成本的驅(qū)動(dòng)電路；開(kāi)關(guān)速度快；導(dǎo)通狀態(tài)低損耗。所以優(yōu)選的，本實(shí)施例中選擇絕緣柵雙極型晶體管IGBT用作功率開(kāi)關(guān)管。
又一方面，為使高壓陣列超聲脈沖激發(fā)裝置正常工作，脈沖變壓器T在繞制變壓器且設(shè)計(jì)鐵心的尺寸規(guī)格時(shí)，輸出功率與磁性材料的性質(zhì)，幾何形狀和尺寸的關(guān)系公式可表示為：
式中的Bm—工作磁通密度
Ac—鐵心的有效截面積，單位cm2；
Ae—鐵心窗口面積，單位cm2；
Pt—變壓器計(jì)算功率，單位W(瓦)；
其中Po為輸出功率，η為變壓器效率；
f—工作頻率；
Ko—窗口占空系數(shù)；
Kj—繞組的電流密度系數(shù)。
由此可以計(jì)算出變壓器的尺寸規(guī)格。一次側(cè)的匝數(shù)假設(shè)本實(shí)施例所用脈沖變壓器T的匝比為1:10，由此根據(jù)一次側(cè)的匝數(shù)可以確定二次側(cè)的匝數(shù)。
所述超聲激發(fā)模塊還包括空載及過(guò)熱保護(hù)模塊，所述空載及過(guò)熱保護(hù)模塊的輸入端與脈沖功率變換發(fā)射電路的輸出端相連；同時(shí)該空載及過(guò)熱保護(hù)模塊的輸出端與FPGA控制模塊的反饋端相連。
所述超聲接收模塊還包括接收換能器和接收器；其中所述接收換能器適于在接收器獲得同步信號(hào)時(shí)，接收發(fā)射換能器發(fā)射的單脈沖超聲信號(hào)。
具體的，在FPGA控制模塊產(chǎn)生控制信號(hào)的同時(shí)，還產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)通過(guò)同步信號(hào)線傳輸給接收器。
所述多路超聲激發(fā)模塊之間設(shè)有電磁屏蔽裝置。
以上述依據(jù)本實(shí)用新型的理想實(shí)施例為啟示，通過(guò)上述的說(shuō)明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)實(shí)用新型技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)實(shí)用新型的技術(shù)性范圍并不局限于說(shuō)明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來(lái)確定其技術(shù)性范圍。