简易超声波换能器频率测试仪的研究

　　1　综述

　　超声波换能器(也称超声波传感器或超声波探头),是超声波产生和接收的最必要器件,它具有压电效应特性,可以将加在其上面的电信号,转换为超声机械波向外辐射;也可以将作用在其上面的超声机械波,转换为相应的电信号,起着能量转换的作用.而频率是超声波换能器的一个重要参量,超声波换能器的很多物理量的计算都与频率有关,随着超声波检测技术的发展,缺陷定量AVG的曲线的应用,更引起了人们对超声波换能器频率的重视.

　　实际应用中,超声波换能器频率的测试,主要是指测量超声波换能器的最佳工作频率.目前应用较广泛的测量超声波换能器频率的方法是频率特性图示法,用此法可以测得换能器的最小阻抗频率和最大阻抗频率,但得不到换能器的声频响应.声频响应的获取要通过传输超声波的试块来实现,方法有2种:

　　1)扫频穿透法;

　　2)用示波器测频法.

　　但以上的测频仪都要用扫频仪或探伤仪,这两种仪器均较昂贵.

　　现设想采用目前较为常用的“用示波器测量超声波换能器频率”的方法2)改装,研究出一种简易的测量仪,不用借助于扫频仪或探伤仪,只用示波器配合,采用一组较简易的电路来代替扫频仪或探伤仪在频率测量中的作用,就可以测出超声波换能器的频率及声频响应曲线.

　　本文着重对这组电路进行研究:设计电路,分析原理,进行实验,并对结果分析比较.

　　用示波器测量超声波换能器的频率测量原理框图如图1所示.

　　测量原理是:探伤仪产生一激励大幅度窄脉冲,加在换能器上,换能器向试块中发射声脉冲,声脉冲遇到试块底面就有反射(即回波)脉冲,回波脉冲被换能接收后又被转化为回波电脉冲,用示波器测量回波电脉冲,即可得换能器的频率及声频响应曲线.

　　2　简易超声波换能器频率测试仪的电路及原理

　　原理框图如图2所示,电路如图3所示.

　　电路组成中,关键部分是换能器激励电路.由DC-DC变换电路为激励电路提供600V的直流高压.可控硅的触发信号由双基极二极管的张弛振荡器来产生,并经二级功放后,加在可控硅控制极上. 600V高压电源通过电阻R4接可控硅阳极,并向电容C4充电,充电时间常量τ=R4C4=1×10^-4s;张弛振荡器中,充电时间常量τ=R5C6=22×10^-4s,电容C4充电比C6要快得多,充满后等待控制极来的触发脉冲.触发信号到达,可控硅迅速导通,阳极电位瞬间降至0.3V左右,此时电容器C4就通过可控硅、换能器及电位器RW组成的电路放电,电脉冲加到换能器上,换能器产生谐振,从而激起超声波.但因C4容量很小,放电经过衰减后,放电电流就小于可控硅的工作维持电流,可控硅又迅速关断.超声波经试块产生回波,回波又通过换能器转化为电脉冲,但这个脉冲要比发射脉冲小得多,用一般示波器较难直接准确测量,可进行适当放大,由宽带放大电路来完成.最后,用示波器对回波观察和测量,可得出换能器的声频响应曲线及其频率.