超声波探伤发射电路及参数分析

　　0 引言

　　近年来大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，尤其是突破了高速低功耗 A/D 转换、大容量高速缓存的限制后，推动了仪器仪表工业向数字化、小型化、图像化和自动化趋势发展[1]。无损探伤是间歇性重复发射超声波，发射电压很高一般几百伏特，发射脉冲的宽度频率如何控制、MOSFET 开关速度以及电容充放电时间都制约着超声波探伤性能好坏。

　　1 超声波探伤系统电路设计结构

　　基于 ARM 和 FPGA 的超声波探伤系统电路结构框图如图1 所示。超声波探伤系统分为: 电源模块、发射模块、接收模块、ARM 主控模块、FPGA 同步和数据处理模块五部分，其中接收电路包括限幅电路、前端放大电路、可编程增益放大器( PGA) 、滤波器和A/D 转换。

　　超声波探伤系统基本原理，发射: FPGA 将触发信号给发射电路，产生高压脉冲发送给探头，探头产生超声波进入检测工件开始探伤。接收: 超声波在检测工件中遇到缺陷或工件表面发生反射，反射波由检测工件返回到探头( 压电效应) 将超声波转换成电信号进入接收电路，电信号进行放大、滤波、模数转换后送入 FPGA 进一步数据处理。FPGA 提取回波特征值绘制波形，并将处理结果发给 ARM. ARM 对特征值数据进一步处理反送回，与波形仪器送显。FPGA 还承担键盘扫描、模拟电路控制、声光报警、USB 通信等功能。

　　2 超声波探伤发射电路

　　超声波无损探伤应用领域广工作环境复杂多变，要求超声波探伤发射幅度可调。FPGA 器件提供控制信号来控制发射脉冲频率，高幅值电脉冲可激励探头压电晶片产生超声波。发射电路发射频率范围0. 2 ～15 MHz，其中2. 5 MHz 和 5 MHz 应用最广泛。超声波发射电路硬件设计电路如图2 所示，电路由可控场效用管、电阻、储能电容、二极管。HV 提供高压，输出400VDC.

　　Q₁为MOSFET 开关，利用二极管D₁、D₂的单向导通性让输出只有负脉冲，R₀为负载电阻( 探头阻尼) ，V₁提供脉冲来控制Q₁开关。一般触发脉冲上升沿上升时间小于20ns，触发脉冲高电平持续时间一般由FPGA 控制，实验采用60Hz，脉冲幅值一般400 V.

　　2. 1 MOSFET 开关原理及影响因素

　　高速转换开关选择IRF840 型号的N 沟道低阻抗 MOSFET，对IRF840 作为开关，栅电压VG高电平时S、D 导通，否则 S、D断开。随着栅电压VG的增加，耗尽层宽度和氧化物与硅界面处的电势也增加。当界面电势达到足够高时，电子从源极流向界面最终流到漏极，形成了“沟道”，同时晶体管“导通”。形成沟道的栅电压称为阈值电压。根据MOSFET 开关理论，I/V 特性推导如下: