数字超声波探伤仪发射电路的参数分析

詹湘琳，石志超

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）

数字超声波探伤仪发射电路的参数分析

詹湘琳，石志超

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）

通过介绍数字探伤仪内部电路系统的组成和具体的性能指标，进一步分析研究超声发射电路的工作原理和参数要求。在理论推导基础上，详细分析电路中电阻、电容和激励脉冲之间的关系。对发射电路进行了仿真和测试，结果表明设计的发射电路能够产生理想的激励脉冲，具有实用价值。

超声波探伤仪；发射电路；系统性能；电阻电容；激励脉冲

超声无损检测是工业无损检测中最常用的一种检测方法，数字式超声探伤仪具有携带方便和能够保存检测结果的优点，因而被越来越多地用于超声无损检测场合。数字式超声探伤仪是在传统超声探伤仪的基础上，把发射、接收电路的参数控制和接收信号的处理、显示均数字化，不仅保留了传统检测仪的基本功能，而且增加了数字化带来的数据测量、显示、存储与输出功能。近年来，数字式仪器发展很快，有替代模拟式仪器的趋势[1]。

1 超声波探伤系统和性能指标

数字式超声波探伤系统由超声波探头、发射电路、限幅电路、一级放大电路、程控放大电路、滤波电路、高速模/数转换电路、数字信号处理器TMS320F28335和输入输出设备等组成，其电路框图如图1所示。

探伤系统的基本原理[2]是：TMS320F28335产生频率可调的触发脉冲，控制发射电路产生激励脉冲加载到探头上，探头发出的超声波进入试件中在工件表面和缺陷处发生反射，反射的回波由已停止激振的原探头接收，转变成电脉冲给接收电路，经过限幅、放大、滤波、模/数转换后成为数字信号。TMS320F28335实时采集和存储A/D转换电路输出的信号，采集完成后调用缺陷检测算法程序，对回波信号进行处理后得出被测物缺陷特征，将绘制出的波形和处理结果输出到显示屏或打印机。TMS320F28335为整个系统的核心，通过程序协调各部分的工作。

图1 数字式超声波探伤系统框图Fig.1 System block diagram of digital ultrasonic inspection

超声波探伤仪的性能决定了检测质量，在脉冲回波法超声探伤仪中，发射电路是最关键的一部分，与发射电路有关的系统性能指标主要有纵向分辨率、灵敏度和盲区[3]。

1）纵向分辨率代表了垂直方向上系统辨别相邻而不连续缺陷的能力。系统的纵向分辨率d和探头的中心频率f0、波速c以及振荡周期个数N的关系为

纵向分辨率与探头发出的脉冲超声长度成正比，发射电路的激励脉冲宽度越窄，其频带就会越宽，激励探头产生的脉冲超声波就会越短，纵向分辨率就会越好。

2）灵敏度代表了系统发现最小缺陷的能力。要想提高系统灵敏度，就要求激励脉冲幅度尽可能高，宽度尽可能窄，上升时间尽可能短。

3）盲区指在一定条件下，系统能够检测到的区域边缘和不能被检测平面之间的距离。盲区主要受激励脉冲幅度和宽度的影响，脉冲幅度越高，宽度越窄，盲区就越小。

综上所述，要获得好的系统探伤性能，对发射电路的要求是：激励脉冲幅度要高，上升时间要短，宽度要小。

2 激励脉冲和发射电路原理

上述激励脉冲是由发射电路产生并最终加载到探头上的波形，通常情况下探头的激励方式可分为窄带激励和宽带激励，宽带指的是频带宽。窄带激励因其可以对相位进行控制，主要用在相控阵探头上；对于脉冲发射法来说，宽带激励具有频谱更宽、激发探头产生的声脉冲较短等优点，其中单极窄脉冲应用最早、最常见，所以本文选择单极窄脉冲进行分析。激励脉冲参数主要有脉冲幅度、脉冲上升时间Tr和脉冲宽度Td，其原理如图2所示。

图2 单极窄脉冲激励方式Fig.2 Single pole narrow pulse incentive method

脉冲回波法超声波探伤仪中发射电路多选用非调谐式，其原理图可以参考文献[4]。本文采用的发射电路如图3所示，在电容C后边加上了快速恢复型二极管，从而实现滤除充电正脉冲等噪声，避免其加到探头上。激励脉冲产生的原理是：当触发脉冲处于低电平时MOS管不导通，直流高压通过电阻R1对电容C进行充电，使其两端的电压差接近DC；触发脉冲从低电平到高电平时Q导通，此时C通过MOS管和R0放电，由于Q一导通，其漏极就会出现接地现象，A点电位值瞬间降为0，而这一瞬间电容两端的电压差无法突变，导致了电容另一端出现了高压负脉冲，此负脉冲通过二极管D2加到探头上产生了超声波[5]。一般触发脉冲频率为几十赫兹到几千赫兹，设计范围为10～1 000 Hz。

图3 超声波发射电路Fig.3 Ultrasonic wave transmitting circuit

被测材料的种类、厚度不同，要求检测时使用不同中心频率的探头，通常为2.5 MHz和5 MHz两种；激励脉冲的电压幅值一般为几百伏特；脉冲上升时间一般不超过100 ns。从频域角度可知脉冲宽度与探头中心频率的关系[6]为

其中：f0为探头中心频率；2a为激励脉冲宽度。本设计采用5 MHz的单晶直探头，取n=1，由式（2）可确定脉冲宽度为0.3 μs，放电时间尽量控制在此范围之内。

3 发射电路阻容参数分析

分析发射电路充放电时，MOS管IRF840可等效为一个理想开关和电阻R4串联，根据二极管的原理，D1在充电回路、D2在放电回路分别相当于电阻R2、R3，等效电路如图4所示。

充电回路充电过程相当于一阶RC电路的0状态响应[7-8]，由基尔霍夫电压定律可得电容电压与时间的关系为

图4 超声发射等效电路图Fig.4 Ultrasonic transmitting equivalent circuit

其中：VH为高压直流的幅值；τ1=C（R1+R2）为充电时间常数。

当时间t→∞时，UC→VH，求得充电时间为

通常情况下，限流电阻R1取几十千欧姆，R2为二极管导通电阻，仅为R1的千分之一，从而充电时间t≈τ1。

放电回路放电过程相当于一阶RC电路的0输入响应，同理回路电压方程为

设放电时间常数τ2=C（R4+R0+R3）并考虑初始条件uc（0）=VH，求得电容电压uc为

从而得到发射电路输出电压为

将式（6）带入式（7）可得输出电压最终形式为

同理，放电时间为

电路中阻容的取值原则：

1）一方面，电阻R1在充电时限制电流过大从而保护高压电源和避免电容C受到大电流的冲击，因此被称为限流电阻；放电时根据式（8）可知，增大电阻R1可提高输出电压Vout，从这两点考虑R1应该越大越好。另一方面，电容充电时间很短，由式（4）可知电阻R1太大会增加电容充电时间。实际取值时主要考虑电阻的限流作用，如果充电电流过大会烧坏电阻R1，设计中取47 kΩ。

2）由充放电时间常数τ1、τ2和式（4）、式（9）可知，电容越小充放电时间越短，脉宽和上升时间就小，这会提高仪器纵向分辨率和灵敏度。但是，电容越小稳定性就差，产生的激励脉冲幅值很不稳定，而且小电容存储的能量少，脉冲幅值会大大降低。同时一次触发脉冲到来之前要保证电容充满电，即要满足充电时间t≈CR1＜T/2，综合稳定性和充电时间两方面的考虑，设计中电容取0.01 μF。

3）由式（8）、式（9）可知电阻R0在整个电路中主要有两个作用，首先是调节超声波的发射电压和通过调整放电时间调节激励脉冲宽度；其次是可以对脉冲超声波长度进行调整，起到阻尼作用，因而也被称为阻尼电阻。通常把R0设置成可调电阻，系统工作时改变其阻值来调节发射强度和脉冲宽度，从而改善盲区和纵向分辨率，设计中R0为0～1 kΩ可调。

4 发射电路仿真分析

图5 测试用的发射电路Fig.5 Tested transmitting circuit

实际设计的发射电路如图5所示，对发射电路进行了仿真测试。pulse为来自TMS320F28335的触发脉冲，光耦HCPL2631将强弱电分开从而保护控制芯片TMS320F28335，ICL7667作为功率驱动器配合触发脉冲有效控制IRF840的开闭。电阻R3取值47 kΩ，电容C1为0.01 μF，由式（4）计算充电时间约为470 μs；采用5 MHz的单晶直探头，由式（2）可确定脉冲宽度约为0.3 μs；触发脉冲频率设置为1 kHz，占空比20%，能满足充放电时间要求，高压电源设置为320 V，结果如图6～图8所示。

图6 充电时输出波形Fig.6 Charging output waveform

图7 R0=100 Ω的激励脉冲Fig.7 Exciting pulse when R0=100 Ω

图8 R0=300 Ω的激励脉冲Fig.8 Exciting pulse when R0=300 Ω

图6中输出波形幅值约为310 V，上升时间约为500 μs，接近所设定的值。

图7中激励脉冲幅值为232 V，脉冲宽度约为300 μs，可满足5 MHz中心频率探头对脉宽的要求。

图8中激励脉冲幅值为236 V，幅值和脉冲宽度较图7中均偏大，验证了电阻R0在发射电路中的阻尼作用。由式（7）可知，由于限流电阻R1、阻尼电阻R0和二极管、MOS管导通内阻的影响，激励脉冲电压小于高压电源的输出电压。

5 结语

通过介绍超声波探伤仪的组成部分以及与超声发射电路有关的系统性能，得出了激励脉冲幅度要高、脉冲上升时间要短、脉冲宽度要小的结论。运用基尔霍夫电压定律推导了电容的充放电时间和输出电压幅值，并分析了发射电路中阻容参数对激励脉冲宽度、幅值以及上升时间的影响，从实际应用的角度得到了阻容参数取值的原则。通过发射电路的仿真测试验证了电阻R0在发射电路中的阻尼作用，同时，所设计的发射电路能够产生很好的激励脉冲，具有很高的实用价值。

[1]《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会.超声检测[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]王晓蕊,张晓青,贾三山.超声波探伤发射电路及参数分析[J].仪表技术与传感器,2012(9):30-32.

[3]周军伟.基于虚拟仪器的超声检测的研究[D].西安:西安理工大学, 2005.

[4]张俊哲.无损检测技术及其应用[M].北京:科学出版社,2010.

[5]廖强.数字化超声波探伤仪的设计与实现[D].重庆:重庆大学, 2008.

[6]朱建峰,陈建辉,王广龙.基于ARM的超声波发射与控制电路设计[J].电子设计工程,2010,18(7):148-150.

[7]郑君,张冬泉,张勇.超声波探伤发射电路中电阻的影响[J].无损检测,2009,31(3):229-232.

[8]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,1999.

（责任编辑：黄月）

Parameter analyses of transmitting circuit in digital ultrasonic inspection instrument

ZHAN Xianglin,SHI Zhichao
（College of Electronic Information and Automation,CAUC,Tianjin 300300,China）

Transmitting circuits are introduced at first.And then the system principle is explained.On the basis of theoretical calculation,detailed relations between circuit resistors,capacitors and exciting pulses are concluded.Finally, transmitting circuit is simulated and tested,and experiment results show that the designed circuit can produce ideal exciting pulse and has practical value.

ultrasonic inspection instrument;transmitting circuit;system performance;resistor and capacitor;exciting pulse

TG115.28

A

1674－5590（2017）01－0052－04

2016-05-09；

2016-06-10基金项目：国家自然科学基金项目（61405246，61102097）；天津市高等学校科技发展基金计划项目（20100412）；中国民航大学研究生科技创新基金项目（Y15-08）

詹湘琳（1976—），女，湖南常德人，副教授，博士，研究方向为超声波无损检测技术.