超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊,比如軍事上的聲納技術(shù),工業(yè)上的無損探傷、測距、測厚,生物醫(yī)學上的診斷和手術(shù),農(nóng)業(yè)上的超聲育種、超聲培苗、超聲催產(chǎn)等。
在超聲波應(yīng)用領(lǐng)域中,超聲波發(fā)射電路" title="發(fā)射電路">發(fā)射電路是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和測量系統(tǒng)等在性能和精度方面的要求不斷提高,檢測儀器向高集成度、高靈敏度、低功耗及模塊化方向發(fā)展。其中,超聲發(fā)射電路是影響其性能的關(guān)鍵技術(shù)。超聲發(fā)射電路的主要功能是用來產(chǎn)生不同形式的超聲波,以滿足實際需要。目前,超聲波發(fā)射電路設(shè)計方法眾多,其供電直流電壓一般較高,以產(chǎn)生幾十到幾百伏的超聲脈沖激發(fā)電信號。利用低的直流電壓產(chǎn)生高的電壓激發(fā)脈沖,不僅可以提高檢測靈敏度,增加檢測有效范圍,提高檢測信號的抗干擾能力,同時可以使得發(fā)射電路的體積減小,成本降低,便于儀器小型化。
本文通過對現(xiàn)有超聲波檢測發(fā)射電路的研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種簡單、可靠、實用的發(fā)射電路。該電路以5V低壓電源供電,RLC串聯(lián)諧振產(chǎn)生高壓脈沖" title="高壓脈沖">高壓脈沖信號,滿足電路便攜和安全性要求,改善了檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力,取得了良好的效果。
2、超聲波檢測發(fā)射電路基本結(jié)構(gòu)
檢測電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由控制信號、隔離環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路、RLC電路和直流高壓等部分組成??刂菩盘枌崿F(xiàn)脈沖超聲波發(fā)射控制的功能。隔離電路用來防止發(fā)射電路可能對其它電路造成電磁干擾,防止其它電路被燒壞。脈沖信號通過功率絕緣柵場效應(yīng)管" title="場效應(yīng)管">場效應(yīng)管的高速關(guān)斷" title="關(guān)斷">關(guān)斷來產(chǎn)生,驅(qū)動功率絕緣柵場效應(yīng)管相當于驅(qū)動帶容性負載的網(wǎng)絡(luò),在高頻工作時電子開關(guān)的電氣特性對系統(tǒng)的性能有很大影響,絕緣柵場效應(yīng)管電容的充、放電造成的損耗十分顯著,為提高脈沖幅值需增強絕緣柵場效應(yīng)管的開關(guān)特性,需要合理的驅(qū)動電路,常用的場效應(yīng)管驅(qū)動電路有CMOS緩沖器并聯(lián)驅(qū)動、場效應(yīng)管對管驅(qū)動和雙極性三極管功率驅(qū)動3種形式[1]。RLC電路通過諧振產(chǎn)生高頻信號,通過匹配網(wǎng)絡(luò)來調(diào)諧使電路工作在換能器的諧振頻率。直流高壓電源由直流逆變器或其它電源模塊來實現(xiàn)。
一般的直流高壓脈沖發(fā)射電路工作過程,其電路如圖2所示。當控制電平V為低電平,開關(guān)管Q關(guān)斷時,電容C充電,高壓電源通過漏極電阻R1對電容C充電,由于充電過程在短時間內(nèi)完成,故R1、C不可取值過大,且C耐高壓。當控制電平V為高電平時導通" title="導通">導通,電容C通過R2和D2放電,在探頭上產(chǎn)生負脈沖電壓,激勵產(chǎn)生超聲信號[1-3]。
3、基于低壓電源的RLC串聯(lián)諧振超聲波發(fā)射電路設(shè)計
高壓窄帶脈沖的產(chǎn)生有兩種方案:第一種是用預(yù)先充電到高壓的電容迅速向換能器放電產(chǎn)生;另一種是由儲能" title="儲能">儲能電感瞬時放電產(chǎn)生。測試表明,要使裝置中換能器發(fā)射超聲波,需要在其兩端加上百伏的瞬時高壓脈沖。第一種方案中,需要外加幾百伏的直流高壓電源。而第二種方案是利用儲能電感瞬時放電產(chǎn)生瞬時高壓脈沖,只需要直流低壓供電就能達到要求?;诖讼敕?,我們選用儲能電感瞬時放電產(chǎn)生瞬時高壓,R1用電感L取代,電源換為5V低壓電源。其諧振電路如圖3所示。
此電路以功率開關(guān)管Q為開關(guān)元件,電感L儲能形成觸發(fā)脈沖,不需要提供直流高壓,經(jīng)過光電偶合器作為隔離器,來減少電磁干擾,防止燒壞其它電路。當輸入到Q的脈沖為正時,Q導通,Q相當于一個小電阻,與電阻R1、電感L串聯(lián),和低壓電源一起構(gòu)成回路,L中的電流快速上升進行儲能。當輸入到Q的脈沖為負時,Q的柵極置低,Q迅速關(guān)斷,L,C, R2組成諧振電路快速放電,在電阻R2上形成高壓脈沖,可達到百伏電壓,如圖4所示,D1,D2起單向開關(guān)作用,匹配網(wǎng)絡(luò)由可調(diào)電阻和電感并聯(lián)實現(xiàn),通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電阻來改變脈沖的幅度,調(diào)諧匹配電感使其電路工作在諧振頻率上。經(jīng)過調(diào)諧匹配后測得加在探頭上的高壓窄帶脈沖如圖5所示
4、等效模型分析
場效應(yīng)管的導通,關(guān)斷對應(yīng)于發(fā)射電路的充電和放電狀態(tài),使發(fā)射電路重復(fù)交替工作在這兩種模式。
充電狀態(tài)原理分析:控制信號為高電平,開關(guān)管導通時,將Q視為理想開關(guān),其導通電阻R0 ,低壓電源V1與L、R1、Q構(gòu)成回路,L電阻為RL,且流過電感L中的電流可以近似由下式表示:
此時電感L上的儲能與換路時的電流平方成正比。
放電狀態(tài)原理分析:控制信號為低電平,開關(guān)管關(guān)斷時,L、C、R2組成串聯(lián)諧振電路,RLC零輸入響應(yīng), 等效電路如圖6所示,初始狀態(tài)如(2),且電流不發(fā)生躍變,據(jù)圖6得到方程(3)。
式(3)以為未知量的RLC串聯(lián)電路放電的微分方程,特征方程是
從電流表達式可以看出,在整個過程中,波形將呈現(xiàn)衰減振蕩的狀態(tài)。根據(jù)(6)式可以得出:即為電流的極值點。綜合上述分析要使電路產(chǎn)生高頻尖脈沖在電路參數(shù)選擇上,要合理選擇參數(shù),晶體管的開啟和響應(yīng)時間要短,阻尼比盡可能小,衰減因子要大,振蕩頻率要高。當頻率匹配時探頭工作在最佳狀態(tài)[4-6]。
5、總結(jié)
超聲檢測發(fā)射電路以5V低壓電源供電。RLC串聯(lián)諧振,電感儲能產(chǎn)生高頻觸發(fā)脈沖,電路不需要高壓直流電源供電,就能獲得理想的觸發(fā)信號。并闡述了電路參數(shù)對脈沖信號的影響。所設(shè)計的電路簡單、安全、實用,對檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力有所改善。