大功率单脉冲超声信号发生器的设计

    1 引言

    大坝在水利水电方面起着至关重要的作用，一旦大坝坍塌，后果不堪设想，为了避免这种情况的发生，越早检测出大坝的裂缝采取措施越好。为此希望能利用超声波对大坝等大型建筑进行超声探伤，及早发现这些建筑物的裂痕从而采取措施预防灾难的发生。目前超声探伤所使用的单脉冲信号源都是小功率的，大都用于小器械及金属的探伤，而大坝的混凝土结构对声波的散射衰减很大，如信号功率不强，将无法检测到信号[1-2]。另外，检测超声为了获得明显的回波信号，同时也为了能得到宽带激发，通常的小功率脉冲激励方式无法实现[3]，因研发大功率脉冲超声激励信号源是非常有必要且及具重要意义的。

    本文所研究的大功率单脉冲超声信号发生器，在外接 10V 电源的情况下可瞬时产生上千伏的脉冲信号，只需外接压电陶瓷片即可把脉冲信号转化为超声信号发射出去，功率与已有产品相比从过去的毫瓦级别提升到了百瓦级。

    2 硬件设计

    本设计的电路包括空载及过热保护装置，控制模块（Micro Control Unit，MCU）、脉宽宽度调节器、电平转换装置、脉冲功率变换发射电路、接收换能器等。其中，脉冲功率变换发射电路由功率开关、大功率电阻、油浸电容、脉冲变压器、发射换能器组成。数字示波器用于接收数据的采集。装置整体工作框图如图 1 所示。

    通过控制模块 MCU 产生控制信号，经过脉宽宽度调节器实现对输出信号脉宽的物理调节，再经过电平转换装置，使输出信号足以驱动脉冲功率变换发射电路中的功率开关的通断，从而控制油浸电容充放电，输出所需的单脉冲信号，并经过脉冲变压器产生所需的大功率脉冲信号激发发射换能器，发射换能器产生的超声波通过被测物体由接收换能器接收并显示在数字示波器上，通过分析处理数字示波器上的数据信息即可知道被测物体的内部结构情况信息。

    2.1 换能器的设计

    已知物体的共振程度是由无量纲因子 Q 来表征的，Q 因子类似于电学中的品质因数，定义如下：

    式中的能量耗散是指边界反射损失，物体内部的吸收以及由于对物体采取固定措施所造成的能量损耗等。

    换能元件的频率响应依赖于其Q值。Q值又可根据换能材料的特性阻抗1R 及导波介质的特性阻抗2R 表示为：

    式中 K 是一无量纲数，其大小与所有换能材料对声波的吸收系数有关，同时也与换能元件受到的支撑方式有关。