超声波探伤发射电路中电阻的影响

　　超声波探伤法的种类很多,实际运用中,大部分选用脉冲反射法,其发射电路多选用非调谐式,发射电路图见参考文献[1]。在该发射电路中充电过程对应于一阶RC电路的零状态响应,而放电过程对应于一阶RC电路的零输入响应[2],电阻所起的作用似乎只是决定充放电时间常数的大小,而在软件仿真和理论分析后得出的结论却并非如此。由此提出了两个问题:放电回路中,开关器件阻值相对于电阻较大的R和R0是否可以忽略不计;充电回路中电阻R和R0阻值应如何分配,为何要将R0并联在超声波传感器两端以及R0所起到的作用。笔者将重点针对这两个问题进行深入研究与分析。

　　1　仿真试验

　　针对上述问题,首先选好电路中电阻和电容的参数,如图1所示。为了便于观察放电过程,将放电时间加长,电容选为0.1μF。开关器件选用增强型MOS管IRF840,用电路仿真软件Multisim 9进行仿真。测试信号在未接超声波换能器(探头)时,A点处的电压脉冲。

　　图2是IRF840的触发驱动脉冲,图3是对应　超声波探伤法的种类很多,实际运用中,大部分选用脉冲反射法,其发射电路多选用非调谐式,发射电路图见参考文献[1]。

　　在该发射电路中充电过程对应于一阶RC电路的零状态响应,而放电过程对应于一阶RC电路的零输入响应[2],电阻所起的作用似乎只是决定充放电时间常数的大小,而在软件仿真和理论分析后得出的结论却并非如此。由此提出了两个问题:放电回路中,开关器件阻值相对于电阻较大的R和R0是否可以忽略不计;充电回路中电阻R和R0阻值应如何分配,为何要将R0并联在超声波传感器两端以及R0所起到的作用。笔者将重点针对这两个问题进行深入研究与分析。

　　图2是IRF840的触发驱动脉冲,图3是对应于图2触发脉冲的A点信号响应。

　　综合分析图1~3可知,当触发脉冲从低电平到高电平时,增强型MOS管IRF840开始导通,B点和地相连,电压值瞬间变低,但电容两端的电压差不能突变,故A点电压UA瞬间变为-UB,同时电容开始放电,放电时间由放电回路中放电常数决定。

　　当触发脉冲从高电平到低电平时,IRF840不导通,B点电压瞬间变高,同样由于电容电压差不能突变的原因,A点电压UA瞬间变高且等于B点电压UB。由于充电回路放电常数较大,故在图示中明显可见其充电过程。充电过程与放电过程中A点电压分别为正电压和负电压,从而晶片振动方向相反。为避免产生杂波,在电路改进设计中加入快速恢复型二极管,电路参数如图4所示。改进后的超声发射电路中改变了电容的容量,

　　充电时间明显缩短。对比图5和6可知,在发射电路中加入二极管的作用很明显,滤去了充电脉冲,在A点只有放电时的负电压激励脉冲。由参考文献[1]可见,A点瞬间激励脉冲的峰值应该等于-300V,但从电路仿真结果可知峰值明显小于-300 V。究其原因可能是由于IRF840导通受其导通电阻R1的影响,尽管其阻值仅为0.85Ω,相对于阻值为1 kΩ的R和50Ω的R0来说,阻值很小,影响似乎微乎其微。笔者利用基尔霍夫电压定律,对电阻和激励电压数学公式进行了详细推导。