双门选超声波收发模拟电路的设计

李卞俊,杨　录,张艳花

(中北大学 信息与通信工程学院,山西 太原　030051)



双门选超声波收发模拟电路的设计

李卞俊,杨录,张艳花

(中北大学 信息与通信工程学院,山西 太原030051)

摘要针对现有模拟板中存在冗余的电容导致建波信号拖尾较长,致使超声信号经模拟板处理后分辨率低的问题,提出了一种以差分接收、双门选回波处理硬件电路设计。在检波放大之前设计一个门选电路,直接从全波信号中选取缺陷信号,避免了界面波经过检波放大电路后,形成拖尾淹没缺陷信号,提高了接收电路信号的可靠性。文中从硬件方面介绍了接收电路的调整。实验表明,电路性能稳定、精度高、成本低,并具有良好的应用前景。

关键词超声波收发;差分接收;双门选;高精度

Design of Double-gated Ultrasonic Analog Circuits

LI Bianjun,YANG Lu,ZHANG Yanhua

(School of Information and Communication Engineering,North Central University,Taiyuan 03005,China)

AbstractA hardware circuit design characterized by differential-receiving,double-gated and peak-keeping is proposed for the long tail of detection signals and the low resolution of ultrasonic signals caused by redundancy capacitors existing in the analog board.Flaw signals are selected from the full-wave signal by designing a gate-select circuit in front of the detecting circuit to remove the tail of detection signal effectively and improve the reliability of ultrasonic signal.This article introduces the adjustment of receiving circuit in terms of hardware.The experiment shows the system has stable performance,high precision,and large range,and with a broad application prospect.

Keywordsreceive and dispatch of ultrasonic;differential receiver;double-gated;high-precision

超声探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法[1]。

在超声探伤系统中,超声收发模拟电路设计的好坏直接影响回波信号的可靠性和超声探伤系统的精度,所以超声收发模拟电路在超声探伤系统中起着重要的作用。针对现有模拟板中存在冗余的电容导致建波信号拖尾较长,致使超声信号经模拟板处理后分辨率低的缺点,设计了一种高精度、高分辨率的超声波发射接收电路。

1超声波检测方法

超声波探伤方法按原理分类,可分为脉冲发射法、穿透法和共振法,脉冲反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法[2]。本系统采用缺陷回波法进行探伤,缺陷回波法是通过测量由探头产生的超声短脉冲信号,经过材料缺陷或厚度产生回波,再回到探头所需的时间来计算的,计算公式如下[3]

(1)

式中,δ为被测钢管的缺陷位置或厚度;v为超声波在钢体中的传播速度;t为所测得的往返时间。

在检测过程中,探头会接收到多个波,包括始发波、水钢界面波、钢底波以及可能存在的伤波[4],如图1所示,调整合适门选信号,选出存在的缺陷信号,根据缺陷信号进行判伤。

图1　回波信号特征与门选信号时序关系

2超声探伤系统结构

超声波通过发射电路发射超声波至待检测试件处,由接收电路接收反射全波,经接收电路处理取出检波信号和峰保信号,最终通过FPGA连接到计算机,并在Visual Studio 2013环境中采样C++编写上位机显示出波形及波形特性,得出是否有缺陷的结论。

图2　超声探伤系统结构示意图

3超声波发射电路的设计

超声波的发射电路是在发射窄脉冲控制之下,产生激励超声探头的高压控制信号,从而实现了超声波发射[5]。

3.1窄脉冲信号的产生

窄脉冲信号是通过555定时器构成的单稳态电路和RC组成的微分电路产生的,该电路是将5 V的矩形脉冲变成10 V的窄脉冲信号。

3.2超声波发射电路

超声波探头中的压电晶片具有压电效应,当高频电脉冲激励压电晶片时,发生逆压电效应,将电能转换为声能(机械能),探头发射超声波。当探头接收超声波时,发生正压电效应,将声能转换为电能[6]。在实际

的超声探伤中,通常是将几百伏的高电压窄脉冲信号加到超声探头上,激励超声探头的压电晶片振动,使其发射超声波。

4超声波接收电路的设计

现有的超声接收电路将接收的全波信号放大后直接进行检波放大,导致检波信号中水钢界面波的拖尾较长,若缺陷波和界面波相邻较近,易造成缺陷波淹没在界面波中,大幅降低了回波信号的可靠性和探伤的灵敏度,文中提出的双门选电路将解决这一问题。

4.1差分接收电路

由于生产车间环境复杂、PLC控制系统影响以及电机干扰,导致采回的信号会存在噪声,为提高接收电路的抗干扰能力,采用差分放大器AD830接收回波信号。电路如图3所示,HSMS-2822是两个二极管,提供输入保护。AD830可提供增益>1的差动放大,差分连接输入信号,增益通过反馈电阻确定[7]。图中的放大倍数约为10倍

(2)

输出电压为

(3)

图3　差分接收电路

4.2门选电路1

由于现有的超声接收电路是将全波信号放大后直接经检波放大电路,造成检波信号中界面波拖尾较长。本文提出在检波信号之前添加一个门选电路,先将缺陷信号选出再经过检波放大,这样就有效避免了界面波在检波信号中被放大造成拖尾,可较好地去除界面波对判伤精度的影响。电路如图4所示,门选芯片采用双电源供电的单刀双掷模拟开关ADG419,当MK1信号为高时,输出信号VG为低电平,当MK1信号为低时,输出信号VG为VE信号,可由门选信号MK1控制,选出缺陷信号。

图4　门选电路1

4.3双向检波放大电路

接收电路采样双向检波再经AD830差分放大,保证模拟电路的抗干扰能力。将正峰检波输出和负峰检波输出共同输入到差分放大器AD830进行差分放大。

4.4门选电路2

为保证缺陷信号的可靠性,在检波信号后再加一个门选电路,如图5所示,可将缺陷信号清晰有效地选出,利于有效地判伤。门选芯片采用单电源供电的单刀双掷模拟开关ISL84544。

图5　门选电路2

4.5峰值保持电路

峰值保持电路用来获取通过门选电路的输入信号的最大峰值[8],并保持最大峰值直到电路被复位,系统读取回波信号最大峰值的电压来判定是否有缺陷。采用具有通频带宽、响应速度快、线性度好以及峰值保持精度高等优点的 PKD01峰值保持器[9]。

5结果对比与分析

图6和图5设置参数相同,增益均为25 dB,从图6中可看出,现有的超声接收电路在经检波放大后界面波的拖尾较长,缺陷波淹没在界面波中,经采样后不能区分。

图6　常规超声收发电路信号

如图7所示,由于在检波电路前端设计了门选电路,全波信号经门选电路后不存在界面波,只存在伤波,界面波不会对缺陷波造成干扰。

图7　双门选超声收发电路信号

6结束语

在实验调试过程中发现,当缺陷信号离界面波较近时,现有的超声接收模拟电路无法有效地去除界面波对缺陷波影响,直接降低了判伤的灵敏度。本文提

出了双门选电路设计,在检波放大之前设计一个门选电路,直接从全波信号中选取缺陷信号,避免了界面波经检波放大电路后形成拖尾淹没缺陷信号,提高了超声系统的判伤精度。另外,采用差分接收电路和带通滤波器也提高了系统的抗干扰能力,在超声探伤领域有着良好的应用前景。

参考文献

[1]仲维畅.超声波探伤技术的局限性和可靠性[J].无损检测,1996,18(3):65-67.

[2]崔立元,张雁翱.螺旋缝埋弧焊管超声波脉冲反射法检测技术[J].辽宁化工,2014,43(10):1262-1265.

[3]杨顺民,宋文爱,杨录.小口径火炮身管超声检测技术研究[J].弹箭与制导学报,2007,27(1):241-243.

[4]张刚.水浸超声扫描检测系统的设计[D].太原:中北大学,2012.

[5]李勇峰,杨录,张艳花.超声探伤仪收发电路的改进研究[J].仪表技术与传感器,2013(7):38-41.

[6]张俊哲.无损检测技术及其应用[M].北京:科学出版社,1993.

[7]Analog Devices,Inc.AD830 datasheet[M].United States of America:Analog Devices,Inc,2010.

[8]胡创业,席宏强.一种实用的峰值保持电路[J].核电子学与探测技术,2009,29(2):379-380.

[9]何光祖.基于USB2.0的多通道超声检测系统的设计[D].太原:中北大学,2014.

中图分类号TN713

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-151-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.039

作者简介:李卞俊(1990—),男,硕士研究生。研究方向:超声无损检测与信号处理。

收稿日期:2015- 08- 05