数字超声波探伤仪发射电路的参数分析.pdf

第3 5 卷第1 期 2 0 1 7 年2 月 中国民航大学学报 J O U R N A Lo FC I V I LA V I A T I O NU N I V E R S I T YO FC H I N A V 0 1 3 5N o 1 F e b r u a 珥2 0 1 7 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3 0 0 3 0 0 ) 摘要：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。 关键词：超声波探伤仪；发射电路；系统性能；电阻电容；激励脉冲 中图分类号：T G l1 5 2 8文献标志码：A文章编号：1 6 7 4 5 5 9 0 ( 2 0 1 7 ) 叭一0 0 5 2 0 4 P a r a m e t e ra n a l y s e so ft r a n s m i t t i n gc i r c u i ti nd i g i t a lu l t r a s o n i ci n s p e c t i o ni n s t r u m e n t Z H AN X i a n g l i n , S H IZ h i c h a o ( C o l l e g eo f E l e c t r o n i cI n f o r m a t i o na n dA u t o m a t i o n , C AU C , T i a n j i n3 0 0 3 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T r a n s m i t t i n gc i r c u i t sa r ei n t r o d u c e da tf i r s t A n dt h e nt h es y s t e mp r i n c i p l ei se x p l a i n e d O nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ，d e t a i l e dr e l a t i o n sb e t w e e nc i r c u i tr e s i s t o r s ，c a p a c i t o r sa n de x c i t i n gp u l s e sa r ec o n c l u d e d F i n a l l y ， t r a n s m i t t i n gc i r c u i ti ss i m u l a t e da n dt e s t e d ，a n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dc i r c u i tc anp r o d u c e i d e a le x c i t i n gp u l s ea n dh a sp r a c t i c a lv a l u e K e yw o r d s ：u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ni n s t r u m e n t ；t r a n s m i t t i n gc i r c u i t ；s y s t e mp e r f o r m a n c e ；r e s i s t o ra n dc a p a c i t o r ；e x c i t i n gp u l s e 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【l l 。 1 超声波探伤系统和性能P - , T + 匕I l l 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T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 和输人输出设备等组成，其电路框图如图1 所示。 探伤系统的基本原理 2 1 是：T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 产生频 1 堂塑堕童H 匝酬 营 T M S 罟 3 2 0 F 2 8 3 3 5 图l 数字式超声波探伤系统框图 F i g 1S y s t e mb l o c kd i a g r a mo fd i g i t a lu l t r a s o n i ci n s p e c t i o n 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。T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 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 收稿日期：2 0 1 6 0 5 0 9 ；修回日期：2 0 1 6 0 6 1 0基金项目：国家自然科学基金项目( 6 1 4 0 5 2 4 6 ，6 1 1 0 2 0 9 7 ) ；天津市高等学校科技发展基金计划项 目( 2 0 1 0 0 4 1 2 ) ；中国民航大学研究生科技创新基金项目( Y 1 5 0 8 ) 作者简介：詹湘琳( 1 9 7 6 一) ，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 万方数据 第3 5 卷第1 期詹湘琳，石志超：数字超声波探伤仪发射电路的参数分析 一5 3 一 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。T M S 3 2 0 F 2 8 3 3 5 为整个系统的核心，通 过程序协调各部分的工作。 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。 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 中心频率而、波速c 以及振荡周期个数的关系为 J c N 一丽 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n 和脉冲宽 度喇，其原理如图2 所示 0 0 9 0 一 。 删一 图2 单极窄脉冲激励方式 F i g 2S i n g l ep o l en a r r o wp u l s ei n c e n t i v em e t h o d 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M O S 管不导通，直流高压通过电阻R 。对电容 C 进行充电，使其两端的电压差接近D C ；触发脉冲从 低电平到高电平时Q 导通，此时C 通过M O S 管和尺。 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D ：加到探头上产生了超声波1 5 1 。一般 触发脉冲频率为几十赫兹到几千赫兹，设计范围为1 0 10 0 0H z ， r 剑 触发脉冲f l 图3 超声波发射电路 F i g 3 U l t r 嬲o m cw a v et r a n s m i t t i n gc i r c u i t 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 5M H z 和5M H z 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1 0 0B S 。从频域角度可知脉冲宽度与探头 中心频率的关系【6 1 为 2 盯届= 罢n = 1 ，2 ， ( 2 ) Z 以 其中：f o 为探头中心频率；2 a 为激励脉冲宽度。本设计 采用5M H z 的单晶直探头，取n = 1 ，由式( 2 ) 可确定脉 冲宽度为0 3 斗s ，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，M O S 管I R F 8 4 0 可等效 为一个理想开关和电阻尺。串联，根据二极管的原理， D 在充电回路、D ：在放电回路分别相当于电阻R ：、R 3 ， 等效电路如图4 所示。 充电回路充电过程相当于一阶R C 电路的0 状 态响应m I ，由基尔霍夫电压定律可得电容电压与时间 的关系为 万方数据 一5 4 厂 触发脉冲 月 中民航大学学报 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 图4 超声发射等效电路图 F i g 4 U l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n ge q u i v a l e n tc i r c u i t 魄叫加一书杀e ) ( 3 ) 其中：“为高压直流的幅值；丁。= C ( R ，+ R ：) 为充电时 间常数。 当时间_ 时，一，求得充电时间为 t = 丁， I n ( 1 + R 2 R 1 ) ( 4 ) 通常情况下，限流电阻R 。取几十千欧姆，R ：为二 极管导通电阻，仅为尺。的千分之一，从而充电时间f 一丁。 放电回路放电过程相当于一阶R C 电路的0 输 人响应，同理回路电压方程为 C ( R 。低憾) 等饥= 采i ( 5 ) 设放电时间常数丁：= C ( R 。+ R 。+ R 。) 并考虑初 始条件M 。( 0 ) = V H ，求得电容电压u 。为 一盘m q ( 6 ) 从而得到发射电路输出电压为 V 。= R o i 。= R o C 芈 ( 7 ) 将式( 6 ) 带入式( 7 ) 可得输出电压最终形式为 y 。= 一- i R i j = _ R i ；R 盘 而R y H et(8) _ “一 ( 4 + o + 3 ) ( R l + 4 ) 5 7 2 0 1 7 年2 月 同理，放电时间为 t 一下2( 9 ) 电路中阻容的取值原则： 1 ) 一