便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置，其特征在于該裝置包括直流電源、1#隔離電源、2#隔離電源、升壓電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、儲(chǔ)能電容、功率放大電路、調(diào)諧電路和電磁超聲換能器，其中，所述直流電源為1#隔離電源和2#隔離電源供電，2#隔離電源與驅(qū)動(dòng)電路的控制側(cè)電源VDDI相連，1#隔離電源與驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源VDDB和VDDA相連，1#隔離電源和2#隔離電源同時(shí)為所述驅(qū)動(dòng)電路供電，1#隔離電源與升壓電路的輸入電壓Vi相連，為升壓電路供電；所述控制電路同時(shí)與驅(qū)動(dòng)電路和升壓電路連接，升壓電路的輸出端與儲(chǔ)能電容以及功率放大電路的直流母線端連接，驅(qū)動(dòng)電路與功率放大電路的輸入端連接，功率放大電路的輸出端經(jīng)調(diào)諧電路與電磁超聲換能器連接。
【專利說明】
便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置。該裝置檢測效率高、體積小、功率大、結(jié)構(gòu)簡單。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，無損檢測技術(shù)對工業(yè)設(shè)備可靠性和安全性的檢測和評估起到越來越重要的作用。電磁超聲技術(shù)利用電磁耦合的方法激勵(lì)和接收超聲波，與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比，它具有非接觸、不需要耦合劑、精度高、適于高溫檢測以及容易激發(fā)各種超聲波形等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)應(yīng)用中，電磁超聲檢測技術(shù)正越來越受到人們的關(guān)注和重視。
[0003]然而，電磁超聲換能器作為電磁超聲無損檢測技術(shù)的核心器件，一方面，其換能效率較低，電磁超聲信號微弱，甚至?xí)椭廖⒎?，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。另一方面，在普遍采用D類功率放大電路的電磁超聲脈沖激發(fā)電源中，由于受驅(qū)動(dòng)電路工作頻率的限制，導(dǎo)致激發(fā)頻率不高，也使得其應(yīng)用場合受限。在便攜式檢測設(shè)備中，脈沖激發(fā)裝置的輸出功率也更是受到限制。
[0004]在文獻(xiàn)《磁致伸縮管道缺陷超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)研制》(電測與儀表，2013，50(9):21-25)中，為了提高激勵(lì)超聲導(dǎo)波所需的高電壓和大功率，采用兩級Boost電路級聯(lián)的方式將電壓從24V升至500V給儲(chǔ)能電容充電，由于采用兩級Boost升壓電路，成本較高、體積較大、效率較低。文獻(xiàn)《一種電磁超聲檢測用脈沖激勵(lì)電源的研制》(電測與儀表，2012,49(2):76-79)涉及了一種D類功率放大電路的驅(qū)動(dòng)電路，采用集成電路芯片IR2110來驅(qū)動(dòng)M0SFET，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但最高驅(qū)動(dòng)頻率僅有300kHz。文獻(xiàn)《電磁超聲脈沖激勵(lì)電路的設(shè)計(jì)》(理化檢驗(yàn)-物理分冊，2013 ,49(3):174-176)也涉及了一種D類功率放大電路的驅(qū)動(dòng)電路，采用4片光耦芯片與4片集成電路芯片來驅(qū)動(dòng)MOSFET，雖驅(qū)動(dòng)頻率較高，由于使用器件較多，使得成本高、體積大，不適合用于便攜式設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種小體積、低功耗、低成本、驅(qū)動(dòng)頻率高，且在野外工作條件下能夠提供大功率、激發(fā)出較強(qiáng)的電磁超聲信號的便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置。
[0006]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，提供一種便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置，其特征在于該裝置包括直流電源、1#隔離電源、2#隔離電源、升壓電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、儲(chǔ)能電容、功率放大電路、調(diào)諧電路和電磁超聲換能器，其中，所述直流電源為1#隔離電源和2#隔離電源供電，2#隔離電源與驅(qū)動(dòng)電路的控制側(cè)電源VDDI相連，1#隔離電源與驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源VDDB和VDDA相連，1#隔離電源和2#隔離電源同時(shí)為所述驅(qū)動(dòng)電路供電，1#隔離電源與升壓電路的輸入電壓Vi相連，為升壓電路供電;所述控制電路同時(shí)與驅(qū)動(dòng)電路和升壓電路連接，升壓電路的輸出端與儲(chǔ)能電容以及功率放大電路的直流母線端連接，驅(qū)動(dòng)電路與功率放大電路的輸入端連接，功率放大電路的輸出端經(jīng)調(diào)諧電路與電磁超聲換能器連接；
[0007]所述控制電路向所述升壓電路輸出TTL控制信號，控制升壓電路開啟升壓，對儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電；儲(chǔ)能電容充滿電之后，控制電路向驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)輸出使能信號和脈沖方波信號;驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率放大電路將儲(chǔ)能電容中的高壓直流電逆變?yōu)榻涣麟?，然后，交流電?jīng)過調(diào)諧電路之后傳送給電磁超聲換能器。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0009]本發(fā)明采用基于耦合電感的DC-DC升壓變換器作為升壓電路，為一種全新的升壓電路結(jié)構(gòu)，一方面，此升壓電路的開關(guān)損耗較低，對儲(chǔ)能電容的充電速度較快，即在較短的時(shí)間內(nèi)可將儲(chǔ)能電容充電至高壓，可以提高整個(gè)裝置的工作重復(fù)頻率;另一方面，此升壓電路對MOSFET的電壓應(yīng)力要求低，可以使用低導(dǎo)通電阻的M0SFET，進(jìn)一步降低損耗，同時(shí)降低成本，與傳統(tǒng)的反激升壓和級聯(lián)Boos t電路相比具有升壓(電容充電)速度快、體積小、效率高、成本低的特點(diǎn)。采用硅隔離驅(qū)動(dòng)芯片作為驅(qū)動(dòng)電路，可以實(shí)現(xiàn)更高的驅(qū)動(dòng)頻率，而且省去了現(xiàn)有技術(shù)中的光耦隔離，使得電路結(jié)構(gòu)變得簡單，縮小了體積，降低了成本。整個(gè)裝置體積較小，攜帶更加方便，在野外工作條件下也能夠提供較大的能量，激發(fā)出較強(qiáng)的電磁超聲信號。
【附圖說明】
[0010]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
[0011]圖1為本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)框圖；
[0012]圖2為本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置一種實(shí)施例的門控使能信號及脈沖方波信號示意圖；
[0013]圖3為本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置一種實(shí)施例的升壓電路4的電路圖；
[0014]圖4為本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置一種實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路5的電路圖；其中圖4-1是功率放大電路8的左半橋驅(qū)動(dòng)電路;圖4-2是功率放大電路8的右半橋驅(qū)動(dòng)電路；
[0015]圖5為本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置一種實(shí)施例的功率放大電路8的電路圖；
[0016]圖6為應(yīng)用本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置進(jìn)行測試的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖7為應(yīng)用本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置進(jìn)行測試得到的檢測波形圖。
[0018]圖中，1.直流電源，2.1#隔離電源，3.2#隔離電源，4.升壓電路，5.控制電路，6.驅(qū)動(dòng)電路，7.儲(chǔ)能電容，8.功率放大電路，9.調(diào)諧電路，10.電磁超聲換能器。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了引用和清楚起見，下文中使用的技術(shù)名詞、簡寫或縮寫總結(jié)如下:
[0020]EMAT:Electromagnetic Acoustic Transducer，電磁超聲換能器；
[0021 ] MOSFET:Metal Oxide Semiconductor FET，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(以下簡稱場效應(yīng)管)；
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完善地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下獲得的其它實(shí)施例，都屬于本申請權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0023]本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置(簡稱裝置，參見圖1-5)包括:直流電源1、1#隔離電源2、2#隔離電源3、升壓電路4、控制電路5、驅(qū)動(dòng)電路6、儲(chǔ)能電容7、功率放大電路8、調(diào)諧電路9和電磁超聲換能器10，其中，所述直流電源I為1#隔離電源2和2#隔離電源3供電，2#隔離電源3與驅(qū)動(dòng)電路的控制側(cè)電源VDDI相連，1#隔離電源2與驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源VDDB和VDDA相連，1#隔離電源2和2#隔離電源3同時(shí)為所述驅(qū)動(dòng)電路6供電，1#隔離電源2與升壓電路的輸入電壓Vi相連，為升壓電路4供電;所述控制電路5同時(shí)與驅(qū)動(dòng)電路6和升壓電路4連接，升壓電路4的輸出端與儲(chǔ)能電容7以及功率放大電路8的直流母線端連接，驅(qū)動(dòng)電路6與功率放大電路8的輸入端連接，功率放大電路8的輸出端經(jīng)調(diào)諧電路9與電磁超聲換能器1連接。
[0024]所述控制電路5向所述升壓電路4輸出TTL控制信號，控制升壓電路4開啟升壓，對儲(chǔ)能電容7進(jìn)行充電；儲(chǔ)能電容7充滿電之后，控制電路5向驅(qū)動(dòng)電路6同時(shí)輸出使能信號和脈沖方波信號;驅(qū)動(dòng)電路6驅(qū)動(dòng)功率放大電路8將儲(chǔ)能電容7中的高壓直流電逆變?yōu)榻涣麟?，然后，交流電?jīng)過調(diào)諧電路9之后傳送給電磁超聲換能器。
[0025 ]具體地，控制電路5向升壓電路4輸出一充電使能信號charge，通過該使能信號控制升壓電路4的開啟，在升壓電路4開啟的時(shí)間t2內(nèi)，1#隔離電源3為升壓電路4提供直流偏置電壓，升壓電路4對儲(chǔ)能電容7進(jìn)行充電；充電結(jié)束后，控制電路5向驅(qū)動(dòng)電路6輸出一對互補(bǔ)的方波脈沖信號driver I和dr iver2，以及一路門控使能信號EN，信號driver 1、driver2、EN、charge均為TTL電平(參見圖2)，EN為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路6開啟，此時(shí)方波脈沖信號driverl和driver2通過驅(qū)動(dòng)電路6驅(qū)動(dòng)功率放大電路8將儲(chǔ)能電容7里的高壓直流逆變?yōu)榻涣麟?；逆變后的交流電通過調(diào)諧電路9將電流波形調(diào)諧為正弦波，最后送入電磁超聲換能器10; EN為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路6停止工作，使得功率放大電路8處于關(guān)閉狀態(tài)。
[0026]所述升壓電路4 (參見圖3)包括輸入電解電容C1、輸出電容Co、耦合電感的初級電感Lp、耦合電感的次級電感Ls、電容Cbl、電容Cb2、電容C。、電阻Rg、電阻Re、電阻Rs、電阻RFBidf動(dòng)變阻器RFB2、場效應(yīng)管3、即~型雙極性三極管08、即~型雙極性三極管如、即~型雙極性三極管Qu、PNP型雙極性三極管Qd、電阻Rh)、電阻Re、電阻Rf、電阻Rb、電阻Rt、電容CT、電容Cf、電容Cpl、電容Cp2和集成芯片UC3843，具體電路組成是輸入電解電容Ci的負(fù)端接地，正端同時(shí)與耦合電感的初級電感Lp的第I端和輸入電壓Vi的正極相連，輸入電壓Vi的負(fù)極接地;所述耦合電感的初級電感Lp的第2端同時(shí)連接電容Cbi的一端、場效應(yīng)管S的漏極、二極管Dc的陽極；二極管Dc的陰極同時(shí)與二極管Dbl的陽極、電容C。的一端連接;場效應(yīng)管S的柵極與電阻仏的一端、電阻Rg的一端連接;場效應(yīng)管S的源極同時(shí)與電阻Rg的另一端、電阻Rs的一端、電容Cc的另一端、電阻Re的一端、Rf的一端連接;電阻Rs的另一端接地；電容Cbl的另一端同時(shí)連接耦合電感的次級電感Ls的第I端、二極管Db2的陽極;耦合電感的次級電感Ls的第2端同時(shí)連接二極管Dbi的陰極、電容Cb2的一端；電容Cb2的另一端同時(shí)連接二極管Db2的陰極、二極管D。的陽極；二極管D。的陰極同時(shí)連接輸出電容Co的一端和電阻Rfbi的一端，且輸出高壓HV，高壓HV為儲(chǔ)能電容7充電;所述輸出電容Co的另一端接地;電阻Rfb1的另一端與滑動(dòng)變阻器Rfb2的一端連接，滑動(dòng)變阻器Rfb2的另一端接地，滑動(dòng)變阻器Rfb2的滑動(dòng)端與集成芯片UC3843的Vfb腳連接；
?0027] 所述電阻Rbo的一端接控制電路的TTL控制信號charge，另一端接所述NPN型雙極性三極管Qs的基極;所述NPN型雙極性三極管Qs的集電極接集成芯片UC3843的COMP腳，發(fā)射極接地;所述集成芯片UC3843的Vref腳同時(shí)連接電容Cpl的一端、電阻Rt的一端、NPN型雙極性三極管Qt的集電極;所述電容Cpl的另一端接地；電阻Rt的另一端同時(shí)連接NPN型雙極性三極管Qt的基極、集成芯片UC3843的Rt/Ct腳、電容Ct的一端；電容Ct的另一端接地；電阻Re的另一端與NPN型雙極性三極管Qt的發(fā)射極連接;所述電阻Rf的另一端同時(shí)連接電容Cf的一端和集成芯片UC3843的Isense腳；電容Cf的另一端接地;集成芯片UC3843的GND腳接地，OUTPUT腳與電阻Rb的一端相連，Vd3卻同時(shí)連接電容Cp2的一端、輸入電壓V1、NPN型雙極性三極管Qu的集電極；電阻Rb的另一端同時(shí)連接NPN型雙極性三極管Qu的基極和PNP型雙極性三極管Qd的基極;PNP型雙極性三極管Qd的集電極接地，發(fā)射極同時(shí)連接NPN型雙極性三極管Qu的發(fā)射極和電阻Rg的另一端。
[0028]上述升壓電路的具體原理結(jié)構(gòu)及工作過程如下:
[0029]由基于耦合電感的高升壓比DC-DC變換器構(gòu)成升壓電路，將輸入的1#隔離電源Vi升壓至高壓(HV)，與傳統(tǒng)的Boost升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，圖3所示的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，融合了開關(guān)電容、電壓舉升、耦合電感等三項(xiàng)技術(shù)，基于耦合電感的升壓變換器具有更高的升壓比，且主開關(guān)的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的電壓應(yīng)力，可以減少開關(guān)損耗;另一方面，由于開關(guān)管的電壓應(yīng)力小，可以選擇低壓的M0SFET，低壓MOSFET具有較小的導(dǎo)通電阻Rds—)，從而進(jìn)一步減少損耗，提高效率;S為場效應(yīng)管;Np為耦合電感的一次側(cè)電感(或初級電感)的匝數(shù)，Ns為耦合電感的二次側(cè)電感(或次級電感)的匝數(shù)，η為Ns與Np的比值;Ci為輸入電容，Co為輸出濾波電容，Do為輸出整流二極管，Ce為鉗位電容，Dc箝位二極管，Ce與Dc構(gòu)成無源緩沖吸收電路，抑制場效應(yīng)管S漏源兩端的電壓尖峰，對泄露電感的能量進(jìn)行吸收利用，減小損耗，提高效率;Cbi與Cb2為阻塞電容，Dbi與Db2為阻塞二極管?；陂_關(guān)電容的原理，Cbi與Cb2并聯(lián)充電，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，通過耦合電感的二次側(cè)電感Ls串聯(lián)放電;基于電壓舉升原理，電容Ce吸收的耦合電感的漏感能量疊加到電容Cbl，以上兩種措施均提高了電壓增益。升壓電路的主要運(yùn)行過程為:當(dāng)場效應(yīng)管S導(dǎo)通時(shí)，磁性器件在耦合電感的二次側(cè)電感Ls中感生出電壓VsjM能開始增加，感生電壓Vs開始對Cbl充電。同時(shí)，感生電壓Vs對Cb2充電，因此，Cb^Cb2被并聯(lián)充電，此時(shí)磁性器件作為一個(gè)變壓器工作于正激變換器模式。當(dāng)場效應(yīng)管S關(guān)斷時(shí)，磁能被釋放，在二次側(cè)電感Ls感生出極性相反的電壓，感生電壓Vs使得輸入電壓V1、電容Cbl兩端電壓Vcbl、電容Cb2兩端電壓Vcb2串聯(lián)起來對輸出濾波電容Co和高壓儲(chǔ)能電容7充電，從而實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益，此時(shí)，磁性器件作為一個(gè)耦合電感工作于反激變換器模式。Rs為電流檢測電阻;控制芯片選用電流模式控制集成芯片UC3843。其中，Rt與Ct構(gòu)成振蕩電路，Rt與Ct的值決定了開關(guān)頻率;集成芯片UC3843的VCC腳以及Vref腳附近的電容Cpl、Cp2為電源的旁路電容，減少電源線上的噪聲對集成芯片UC3843造成的影響；電阻Rf與電容Cf構(gòu)成低通濾波電路，濾除電流檢測電阻Rs上電壓Vlsense的噪聲，提高控制精度;Rfbi與Rfb2為分壓電阻，構(gòu)成電壓反饋電路，通過調(diào)節(jié)Rfb2的值即可改變輸出電壓;集成芯片UC3843的COMP腳連接一個(gè)NPN型雙極性三極管Qs，其中Rb為基極限流電阻，在基極施加TTL邏輯高電平關(guān)斷集成芯片UC3843，停止充電，施加低電平或懸空則啟動(dòng)集成芯片UC3843，開啟充電，可以方便地控制升壓電路的工作周期；與集成芯片UC3843的OUTPUT腳連接的電阻Rb為限流電阻，與Qu、Qd—起構(gòu)成圖騰柱結(jié)構(gòu)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，輸出驅(qū)動(dòng)信號drvier，提高驅(qū)動(dòng)能力，增強(qiáng)穩(wěn)定性Ag為柵極限流電阻；與Rg相連的電阻Rg為下拉電阻，確保場效應(yīng)管S可靠關(guān)斷;集成芯片UC3843的Vref腳連接NPN型雙極性三極管Qt的集電極，Rt/Ct腳連接Qt的基極，發(fā)射極通過隔離電阻Re連接至Rf的一端，對電流控制模式進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。
[0030]所述驅(qū)動(dòng)電路(參見圖4)包括左半橋驅(qū)動(dòng)電路和右半橋驅(qū)動(dòng)電路，兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及所有器件的參數(shù)均一致，以左半橋驅(qū)動(dòng)電路(參見圖4-1)為例，包括:電阻Rn、電容Ci1、芳路電容Cvddi1、芯片Si8234、芳路電容Ca1、電阻Rbqqt1、二極管Dbqqt1、自舉電容Cbqot1、電阻Rm、旁路電容Cb1、電阻Rgl、電阻Rbl、電阻Rg2、電阻Rb2、肖特基二極管Dgl、肖特基二極管Dg2、雙向穩(wěn)壓二極管Dzl和雙向穩(wěn)壓二極管Dz2，其中，電阻R11的一端連接所述控制電路的TTL控制信號drvierl;芯片Si8234的DISABLE腳連接所述控制電路的TTL控制信號EN;電阻1^的另一端同時(shí)連接電容Cii的一端和芯片Si8234的PffM腳，電容(^的另一端接地;所述電阻Rdti的一端接芯片Si8234的DT腳，另一端接地；電容Cvddi1的一端同時(shí)接芯片Si8234的VDDI腳和控制側(cè)電源VDDI，另一端和芯片Si8234的GNDI腳均接地;旁路電容Cm的一端同時(shí)接驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源VDDA和電阻Rbqciti的一端，另一端接地；電阻Rbqciti的另一端接二極管Dbqciti的陽極;二極管Dbqqti的陰極同時(shí)接芯片Si8234的VDDA腳和自舉電容Cbqqti的一端；自舉電容Cbqqti的另一端同時(shí)接芯片Si8234的GNDA腳、雙向穩(wěn)壓管DzI的一端、電阻Rbi的一端、場效應(yīng)管Qi的源極、場效應(yīng)管Q2的漏極;旁路電容Cb1的一端同時(shí)接驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源VDDB和芯片Si8234的VDDB腳，另一端接地，芯片Si8234的GNDB腳接地；肖特基二極管Dgl的陰極與電阻Rgl的一端連接之后接芯片Si8234的VOA腳，陽極與電阻Rgl的另一端連接之后同時(shí)接雙向穩(wěn)壓管Dzl的另一端、電阻1^的另一端、場效應(yīng)管&的柵極;場效應(yīng)管&的漏極接儲(chǔ)能電容7，輸出高壓HV;肖特基二極管Dg2的陰極與電阻Rg2的一端連接之后接芯片Si8234的VOB腳，陽極與電阻Rg2的另一端連接之后同時(shí)接雙向穩(wěn)壓管DZ2的一端、電阻Rb2的一端、場效應(yīng)管Q2的柵極;雙向穩(wěn)壓管Dz2的另一端與電阻Rb2的另一端、場效應(yīng)管出的源極連接之后接地。
[0031]上述驅(qū)動(dòng)電路5由兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及所有器件的參數(shù)均一致，均由硅隔離型驅(qū)動(dòng)芯片Si8234、自舉電源、濾波電路等構(gòu)成。Si8234采用硅隔離技術(shù)，使得控制電路部分與功率放大電路部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，減少電磁干擾對控制電路部分的影響，省去了傳統(tǒng)技術(shù)中使用的光耦隔離器，節(jié)省了成本，同時(shí)也縮小了體積。采用自舉電源供電的方式為高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)提供能量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)。圖4-1和圖4-2的電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)一樣，以圖4-1為例，電阻Rn與電容Cn構(gòu)成低通濾波器，濾除輸入信號driverl中的高頻噪聲干擾;在驅(qū)動(dòng)芯片Si8234內(nèi)部，drvierl信號變?yōu)橐粚パa(bǔ)的信號，通過改變Rm的阻值可以調(diào)節(jié)死區(qū)控制時(shí)間，避免上下場效應(yīng)管的直通，防止燒壞場效應(yīng)管Ql、Q2;電阻Rgi與電阻Rg2為柵極限流電阻，電阻Rbi與電阻Rb2為柵極下拉電阻;Dgi與Dg2為肖特基二極管，起加速場效應(yīng)管關(guān)斷的作用;Dzl與Dz2為雙向穩(wěn)壓二極管，使得場效應(yīng)管柵極與源極之間的電壓不超過穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓，保護(hù)場效應(yīng)管Ql、Q2;電容Cbqqti為自舉電容，二極管Dbci?τι為自舉二極管；電容Cvddii為控制側(cè)電源的旁路電容，電容Cai與Cbi為輸出側(cè)電源的旁路電容，一般Cm彡1Cbooti ；電阻Rbqqti為充電限流電阻，當(dāng)頻率大于10kHz時(shí)，電阻Rbooti可以去掉；電源VDDA與電源VDDB相同，同時(shí)連接1#隔離電源。當(dāng)Ql關(guān)斷，Q2導(dǎo)通時(shí)，VDDA通過Rbciqti與Dbqqti給Cbqqti充電；當(dāng)Ql導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，Ql的源級電壓迅速接近漏極電壓，導(dǎo)致自舉二極管Dbqciti反偏，從而阻斷了相對于地電位的Vdda向Cbqciti充電。從此刻開始，直到驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)結(jié)束的這段時(shí)期，C_n提供了維持高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)正常工作所需的電流，實(shí)現(xiàn)電源的自舉。
[0032]所述儲(chǔ)能電容7為焊針型電解電容，該儲(chǔ)能電容容量大、耐高壓，具有優(yōu)良的高頻、超長壽命、尚可靠性、尚紋波電流等特性。
[0033]所述調(diào)諧電路9由不同容值的銀云母電容組構(gòu)成，銀云母電容具有耐高壓、介質(zhì)損耗小、高頻特性好的特點(diǎn)。
[0034]所述功率放大電路8(參見圖5)的具體原理結(jié)構(gòu)如下:
[0035]一個(gè)D類全橋逆變功率放大裝置，通過控制驅(qū)動(dòng)電路5中的場效應(yīng)管QdPQ4的交替開通和關(guān)斷將儲(chǔ)能電容的高壓直流電逆變?yōu)榻蛔冸姡瑸檎{(diào)諧電容Cx和EMAT發(fā)射探頭組成的并聯(lián)諧振回路提供能量，驅(qū)動(dòng)EMAT在待測金屬材料中激勵(lì)出超聲波。其中，EMAT線圈可以等效為一個(gè)電感Leq與一個(gè)電阻Req的串聯(lián)。電阻R1、電容Ci和二極管Di，電阻R2、電容C2和二極管D2，電阻R3、電容C3和二極管D3，電阻R4、電容C4和二極管D4分別構(gòu)成場效應(yīng)管Ql、Q2、Q3和Q4的緩沖吸收電路，來消除場效應(yīng)管QlQ^Q3和Q4在關(guān)斷時(shí)漏源兩端產(chǎn)生的尖峰電壓。
[0036]為了說明上述便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置能夠滿足驅(qū)動(dòng)電磁超聲換能器所要求的大功率激勵(lì)信號，在本實(shí)施例中，搭建了如圖6所示的測試系統(tǒng)。其中，鐵板試樣的厚度為1mm，在采用本發(fā)明的便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置進(jìn)行測試時(shí)，升壓電路4將高壓儲(chǔ)能電容7充電至200V，控制電路5產(chǎn)生一對互補(bǔ)的4周期猝發(fā)脈沖方波信號，頻率為700kHz，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路6控制功率放大電路8驅(qū)動(dòng)激勵(lì)EMAT在鐵板試樣中產(chǎn)生超聲波，另一接收EMAT經(jīng)過放大/濾波模塊后由示波器顯示，波形圖如圖7所示。其中，放大/模塊包括一個(gè)增益為60dB的低噪前置放大器和一個(gè)截止頻率為2MHz的低通濾波器。從圖7可以看出，檢測到的波形信噪比較高，能夠明顯分辨出直達(dá)波和端面回波，說明本發(fā)明便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置能夠驅(qū)動(dòng)電磁超聲換能器產(chǎn)生超聲波。
[0037]本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置，其特征在于該裝置包括直流電源、1#隔離電源、2#隔離電源、升壓電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、儲(chǔ)能電容、功率放大電路、調(diào)諧電路和電磁超聲換能器，其中，所述直流電源為1#隔離電源和2#隔離電源供電，2#隔離電源與驅(qū)動(dòng)電路的控制側(cè)電源VDDI相連，I#隔離電源與驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源VDDB和VDDA相連，I#隔離電源和2#隔離電源同時(shí)為所述驅(qū)動(dòng)電路供電，1#隔離電源與升壓電路的輸入電壓Vi相連，為升壓電路供電；所述控制電路同時(shí)與驅(qū)動(dòng)電路和升壓電路連接，升壓電路的輸出端與儲(chǔ)能電容以及功率放大電路的直流母線端連接，驅(qū)動(dòng)電路與功率放大電路的輸入端連接，功率放大電路的輸出端經(jīng)調(diào)諧電路與電磁超聲換能器連接； 所述控制電路向所述升壓電路輸出TTL控制信號，控制升壓電路開啟升壓，對儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電;儲(chǔ)能電容充滿電之后，控制電路向驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)輸出使能信號和脈沖方波信號；驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率放大電路將儲(chǔ)能電容中的高壓直流電逆變?yōu)榻涣麟姡缓?，交流電?jīng)過調(diào)諧電路之后傳送給電磁超聲換能器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置，其特征在于所述升壓電路包括輸入電解電容C1、輸出電容Co、耦合電感的初級電感Lp、耦合電感的次級電感Ls、電容Cbl、電容Cb2、電容Cc、電阻Rg、電阻Rg、電阻Rs、電阻Rfb1、滑動(dòng)變阻器Rfb2、場效應(yīng)管S、NPN型雙極性三極管Qs、NPN型雙極性三極管QT、NPN型雙極性三極管Qu、PNP型雙極性三極管Qd、電阻Rb0、電阻Re、電阻Rf、電阻Rb、電阻Rt、電容Ct、電容Cf、電容Cpl、電容Cp2和集成芯片UC3843，具體電路組成是輸入電解電容Ci的負(fù)端接地，正端同時(shí)與耦合電感的初級電感Lp的第I端和輸入電壓Vi的正極相連，輸入電壓Vi的負(fù)極接地;所述耦合電感的初級電感Lp的第2端同時(shí)連接電容Cbl的一端、場效應(yīng)管S的漏極、二極管Dc的陽極;二極管Dc的陰極同時(shí)與二極管Dbl的陽極、電容C。的一端連接;場效應(yīng)管S的柵極與電阻Rg的一端、電阻Re的一端連接;場效應(yīng)管S的源極同時(shí)與電阻Rg的另一端、電阻Rs的一端、電容Cc的另一端、電阻Re的一端、Rf的一端連接；電阻Rs的另一端接地;電容Cbi的另一端同時(shí)連接耦合電感的次級電感Ls的第I端、二極管Db2的陽極;耦合電感的次級電感Ls的第2端同時(shí)連接二極管Dbi的陰極、電容Cb2的一端；電容Cb2的另一端同時(shí)連接二極管Db2的陰極、二極管D。的陽極;二極管D。的陰極同時(shí)連接輸出電容Co的一端和電阻Rfb1的一端，且輸出高壓HV，高壓HV為儲(chǔ)能電容充電；所述輸出電容Co的另一端接地；電阻Rfbi的另一端與滑動(dòng)變阻器Rfb2的一端連接，滑動(dòng)變阻器Rfb2的另一端接地，滑動(dòng)變阻器Rfb2的滑動(dòng)端與集成芯片UC3843的Vfb腳連接； 所述電阻Rbo的一端接控制電路的TTL控制信號charge，另一端接所述NPN型雙極性三極管Qs的基極;所述NPN型雙極性三極管Qs的集電極接集成芯片UC3843的COMP腳，發(fā)射極接地;所述集成芯片UC3843的Vref腳同時(shí)連接電容Cpl的一端、電阻Rt的一端、NPN型雙極性三極管Qt的集電極;所述電容Cpl的另一端接地；電阻Rt的另一端同時(shí)連接NPN型雙極性三極管Qt的基極、集成芯片UC3843的Rt/Ct腳、電容Ct的一端；電容Ct的另一端接地；電阻Re的另一端與NPN型雙極性三極管Qt的發(fā)射極連接;所述電阻Rf的另一端同時(shí)連接電容Cf的一端和集成芯片UC3843的Isense腳；電容Cf的另一端接地;集成芯片UC3843的GND腳接地，OUTPUT腳與電阻Rb的一端相連，Vd3卻同時(shí)連接電容Cp2的一端、輸入電壓V1、NPN型雙極性三極管Qu的集電極；電阻Rb的另一端同時(shí)連接NPN型雙極性三極管Qu的基極和PNP型雙極性三極管Qd的基極；PNP型雙極性三極管Qd的集電極接地，發(fā)射極同時(shí)連接NPN型雙極性三極管Qu的發(fā)射極和電阻仏的另一端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電路包括左半橋驅(qū)動(dòng)電路和右半橋驅(qū)動(dòng)電路，兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及所有器件的參數(shù)均一致，以左半橋驅(qū)動(dòng)電路為例，包括:電阻Rn、電容Cu、旁路電容Cvddh、芯片Si8234、旁路電容Ca1、電阻Rbqqt1、二極管Dbqqt1、自舉電容Cbqcit1、電阻Rdt1、芳路電容Cb1、電阻Rg1、電阻Rb1、電阻Rg2、電阻Rb2、肖特基二極管Dgl、肖特基二極管Dg2、雙向穩(wěn)壓二極管Dzl和雙向穩(wěn)壓二極管Dz2，其中，電阻Rn的一端連接所述控制電路的TTL控制信號drvierl;芯片Si8234的DISABLE腳連接所述控制電路的TTL控制信號EN;電阻R11的另一端同時(shí)連接電容C11的一端和芯片Si8234的PffM腳，電容C11的另一端接地;所述電阻Rdti的一端接芯片Si8234的DT腳，另一端接地；電容Cvddi1的一端同時(shí)接芯片Si8234的VDDI腳和控制側(cè)電源VDDI，另一端和芯片Si8234的GNDI腳均接地;旁路電容Cai的一端同時(shí)接驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源VDDA和電阻Rbqciti的一端，另一端接地；電阻Rbqqti的另一端接二極管Dbqqti的陽極;二極管Dbqqti的陰極同時(shí)接芯片Si8234的VDDA腳和自舉電容Cbqciti的一端；自舉電容Cbqciti的另一端同時(shí)接芯片Si8234的GNDA腳、雙向穩(wěn)壓管DzI的一端、電阻Rbi的一端、場效應(yīng)管Qi的源極、場效應(yīng)管Q2的漏極;旁路電容Cbi的一端同時(shí)接驅(qū)動(dòng)側(cè)的電源VDDB和芯片Si8234的VDDB腳，另一端接地，芯片Si8234的GNDB腳接地；肖特基二極管DgI的陰極與電阻RgI的一端連接之后接芯片Si8234的VOA腳，陽極與電阻Rgl的另一端連接之后同時(shí)接雙向穩(wěn)壓管Dzl的另一端、電阻1^的另一端、場效應(yīng)管&的柵極;場效應(yīng)管Qi的漏極接儲(chǔ)能電容，輸出高壓HV;肖特基二極管Dg2的陰極與電阻Rg2的一端連接之后接芯片Si8234的VOB腳，陽極與電阻Rg2的另一端連接之后同時(shí)接雙向穩(wěn)壓管Dz2的一端、電阻Rb2的一端、場效應(yīng)管Q2的柵極;雙向穩(wěn)壓管Dz2的另一端與電阻Rb2的另一端、場效應(yīng)管Q2的源極連接之后接地。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置，其特征在于所述儲(chǔ)能電容為焊針型電解電容。5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的便攜式電磁超聲脈沖激發(fā)裝置，其特征在于所述調(diào)諧電路由不同容值的銀云母電容組構(gòu)成。
【文檔編號】G01N29/24GK106093213SQ201610638592
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月4日 公開號201610638592.9, CN 106093213 A, CN 106093213A, CN 201610638592, CN-A-106093213, CN106093213 A, CN106093213A, CN201610638592, CN201610638592.9
【發(fā)明人】劉素貞, 李麗濱, 張闖, 金亮, 楊慶新
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)