超声波检测系统前端电路设计

冯国亮，于天暝

(1.东北电力大学自动化工程学院;2.吉林市污水处理公司，吉林吉林132012)

在多种现代检测技术中，超声波技术以其快速、无损无害、实时在线以及检测信息丰富等多种优点，得到了广泛的应用。尤其超声波脉冲时域反射法(UTDR，Ultrasonic Time-Domain Reflectometry)作为一种简单、方便的检测方法，已广泛用于无损探伤、材料测厚等领域。在进行管道的污垢检测研究时，污垢层与管道壁界面具有不同的声阻抗，从而在二者交界面处产生回波。通过超声波时域反射法进行检测时，每层介质具有各自的回波出现［1，2］。本文设计的超声波前端电路用于管道污垢的检测。

1 超声波电路总体结构

超声波检测系统前端电路主要包括高压电源、发射电路、接收电路［3］。如图1超声波收发电路框图所示，设计的电路基于RC脉冲放电原理发射高压窄脉冲。由单片机控制发射脉冲的宽度及脉冲重复发射频率;回波信号经放大后由示波器采集，并将采集的信号通过串口输入PC机;利用PC机内丰富的软件资源对数据进行分析处理。

当加到超声波探头两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，超声波探头才能工作在最佳性能状态［4］。在不同的应用场合，需要不同的探头以及对回波信号的处理方法也不相同。实际应用中，一种超声波装置，往往只适用于某一种特定的场合。设计中对于不同标称频率的超声波探头，通过调节单片机发射的驱动脉冲宽度改变超声波发射电路的脉冲频率;采集的回波信号利用PC机内丰富的软件资源对信号进行运算处理。

图1 超声波收发电路框图

2 高压电源电路设计

设计的超声波检测系统中使用超声波技术对管道的污垢厚度检测，探头发射的超声波需要穿透数毫米到数厘米厚的污垢层，并需要一定强度的回波信号返回到探头。这要求驱动电路和发射探头能发射高能量超声波，作用在探头上的激励脉冲电压值一般在100 V以上［5］。设计的电源输入DC24V，输出DC300V。

设计的升压电源变换电路核心控制芯片为UC3842，采用反激电路设计，UC3842是UNITRODE公司生产的一种电流型PWM控制芯片，其突出的优点是成本低，外接元件少，性能稳定可靠，其主要特性为:完整的PWM控制电路，5 V的参考电压，电流可达50 mA。

外部电阻RT、电容CT及其振荡器组成振荡电路，产生锯齿波与外部控制电压及反馈放大器电压比较，形成一定占空比的控制脉冲。UC3842具有图滕柱式输出，驱动能力可达lA。输出频率可由式(1)近似得出:

设计的DC/DC变换高压电源如图2所示，UC3842输出为6脚控制开关管的导通，其输出脉冲的频率由式(1)及8、4脚的电容、电阻值可得，振荡频率为106 KHz。该芯片3脚为取样输入，电流取样放大器的反相输入端的电压通常被钳位在1 V。该放大器的同向输入端的电压达到该门限值时，开关电源将产生限流作用。变压器次级输出升高的高电压，由变压器结构原理可知，次级输出电压极性不变。输出电压经整流、滤波后输出300 V的直流电压。电阻R15及R16形成分压反馈到1脚.输入为300 V时，R15上电压为2.5 V，则输出控制脉冲占空比不变，当电源输出高于300 V时，反馈分压超过2.5 V，则UC3842输出脉冲占空比降低，一直到输出电压300 V为止，反之输出占空比则升高。

电源设计中高频变压器的设计比较关键，设计中选用的磁芯型号为EI28。脉冲占空比的设计留有一定余量，选择总占空比为40%。变压器绕线的截面积的选择需要考虑导线的集肤效应。集肤效应，是指当导线中流过交流电流时，导线横截面上的电流分布不均，中间电流密度小，边缘部分电流密度大，是导线的有效导电面积减小，电阻增加。用穿透深度Δ表示，即电流密度下降到导线表面密度的0.368时的径向深度。

式中:w为角频率，w=2πf;μ为铜的磁导率，u=4π×10－7H/m;r为铜的电导率，r=58×106/Ωm。一般要求导线直径R≤2Δ。而铜导线最大导通电流为4～6 A/mm2。变压器绕线，使用夹层绕制法，将原级线圈夹绕在次级线圈之间，这样具有更好的耦合性。

图2 DC/DC升压电路

3 超声波发射电路设计

基于电容瞬间放电原理的超声波脉冲发射电路如图3所示，ATmega16产生一个只有800 ns的控制脉冲，但是电平只有5 V，而MOS管的控制电压在10 V以上时，才能达到饱和开通，故通过一个高速光耦6N137将脉冲电平转换为12 V。同时，光耦将控制部分和高压发射电路隔离。功率开关管IRF830具有抗500 V的漏源极电压值，4.5 A的漏电流。开关管的控制脉冲由单片机输出脉冲经过光耦变换后与高速MOSFET驱动器TPS2813组成的电路提供。

控制脉冲为低电平时，MOSFET－N管Q1截至，高压电源通过电阻R4向电容C3充电，并与二极管D1构成回路，C3选用高耐压值电容。控制脉冲为高电平时，Q1导通。电容C3存储的电荷通过Q1、电阻R3以及探头P1组成的电路放电。当MOSFET－N管Q1关断时，R4、C3相当于组成一个零状态响应电路，Q1管关断时间为T1即充电时间，T1＞5R4C3。同理Q1导通时，C3与换能器、放电电阻R5组成零输入放电电路，此时C3对换能器输出一个指数衰减的负脉冲。

图3 超声波脉冲发射电路

TPS28xx系列高速MOSFET驱动器能够将高至2 A的峰值电流提供给大电容负载。MOSFET作为电压驱动器件，虽然只需要非常小的稳态驱动电流。然而，这些器件的大输入电容(200 pF至3 000 pF甚至更高)却需要大电流冲击以减小开关时间。TPS2813高速驱动器可以为一个MOSFET提供高至2 A的电流，大大减小了开关时间。图4中TPS2813将光耦输出的尖脉冲，整形为平整的MOS管控制脉冲波形，控制正脉冲期间峰值均超过10 V。

图5是超声发射电路的空载脉冲波波形。电容瞬间放电电路中需要注意的问题是，电容器的参数与控制脉冲宽度基本决定了最终发射的脉冲宽度。发射功率是发射电路中一个很重要的指标。为了穿透较厚的工件，就需要较大的发射电功率，发射功率:

式中:V为放电时电容上的即时电压;C为电容量;t为放电时间。

图4 MOS管控制脉冲波形

当工作频率以及放电时间常数确定后，电功率的增加主要决定于V和C，然而加大C，影响充电时间，实际加大发射电压是提高发射功率的主要途径。同时，为了获得窄脉冲，在电容放电过程中及时关断MOS管，图5中的控制脉冲，为单片机发射800 ns的脉冲宽度时，超声波发射电路发射的脉冲，从图中可以看出发射脉冲也在800 ns左右。激励不同频率探头时，只需通过单片机改变输出脉冲宽度即可，设计的超声波发射电路可以激励频率5 MHz以下的探头。如果要激励更高频率的超声波探头，则需要将MOS管更换为开关速度更高的开关管。

超声波发射电路另一个需要注意的问题是脉冲重复发射频率的选择，即每秒内超声波发射电路的脉冲发射频率。过高的重复发射频率，会导致没有充分衰减的发射信号进入下一周期，过低重复频率降低检测效率，现场检测中50Hz工频是最重要干扰。一般脉冲重复发射频率设置在100 Hz以上即可，设计的电路重复脉冲频率为300 Hz。

图5 超声发射电路的空载脉冲波形

4 超声波回波信号接收电路设计

设计中采用收发共用的超声波探头，因为高灵敏度的接收电路必须与大功率的超声波发射电路相连接，为了避免接收电路被高压发射脉冲所击毁，在超声波回波信号接收端，必须加入隔离电路。要求大幅度的发射脉冲不能通过，或将幅度限制在较小的范围内;而对较小的回波信号几乎无衰减的通过，使隔离电路对整机灵敏度没有明显影响。如图6所示，二极管D1、D2的存在使－0.7～0.7 V之间的电压才能通过。超声回波信号一般比较小，当高压激励信号到来时，二极管D1或D2导通，在R和D的串联回路中，高压几乎全部降到电阻R5上，回波信号到来时，由于信号很小，一般小于100 mV，二极管不导通，信号电压进入下级。

图6 超声波信号接收电路

由于接收到的信号范围比较大，包含了“伏级”到“微伏级”的信号，而测量时只需要知道回波时刻即可对幅值的测量要求并不苛刻。所以使用对数放大器对信号进行非线性放大，AD8307是一款基于连续压缩技术的完全单片500 MHz解调对数放大器，该对数放大器提供92 dB的动态范围。AD8307输出电压斜率为25 mV/dB(截止点为－84 dBm，20 uV)。输出信号进一步通过轨对轨(rail to rail)放大器AD8031进行放大，通过示波器进行信号的采集。

图7 超声波接收电路输出信号

超声波接收信号中存在着一定量的噪声。由于接收的回波信号是通过PC机软件中进行分析处理的，可以通过软件滤波的方法对接收的信号进行灵活的滤波处理，所以超声波接收电路中未加入带通滤波电路，简化了硬件电路的设计。图7为超声波接收电路测得的回波信号。

5 结语

介绍了超声波检测系统前端电路的设计与实现，所设计的电路实现了超声波收发的功能。设计的电路，已成功应用于管道污垢的检测研究中。通过改变控制器发射脉冲的宽度，调整信号接收电路放大器的增益及电压截至点，处理回波信号的算法，可以将该电路用于工作频率不同的超声波探头。

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［4］林书玉.超声换能器的原理及设计［M］.北京:科学出版社，2004.

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