专利名称：高压超声导波测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高压超声导波测试仪，可用于各种需要精确控制发射脉冲波
形的高压超声导波检测领域，属于无损检测领域。
背景技术：
超声导波即在波导(有限体积，如板、棒等)中传播的超声波，其传播特性依赖于 介质的结构边界，超声波在波导中传播时呈现出非常复杂的特性，以金属圆杆为例，当在金 属杆的一端用超声波探头施加高频激励时，在杆内部会激发三种模态的波形，即纵波模态、 扭转波模态、弯曲波模态，各种模态下又有不同的振型，各种模态的波以能量速度在杆中传 播，其衰减率也各不相同。如附图2所示为直径20mm的金属杆在0 3MHz频率范围内各 阶模态的能量衰减图，从图中可看出在此频率范围内共有16个纵波模态，各模态的衰减率 不同，而且在不同的频率点出现的模态数量也不同，如果金属杆周围存在其他介质，导波在 杆内的传播更加复杂。 在对此类构件进行超声检测时，为了得到清晰的底端反射以获取整个检测段的信 息，需要选择衰减率小而且模态数少的频率点激发超声波，这样就需要采用高压、频带较 窄、能量集中的信号，如利用正弦脉冲调制信号作为激励脉冲，再将其放大到100V 200V 的峰峰值输出，图3所示为频率为一个5个周期55kHz正弦调制信号，图4为其对应的频 谱，可以看出，其频带集中在55kHz。通过改变激励脉冲载波的频率与调制波的脉宽可以设 定信号的频率范围。 针对高压超声导波检测的需要，目前在测试手段上存在着以下几方面的不足 1、发射脉冲不可控常规超声检测仪的发射电路如图5所示，电源对电容C充电 后，在脉冲控制信号作用下晶闸管导通，电容瞬时放电产生高压脉冲，这种方式产生的高压 脉冲为一尖脉冲，频带非常宽，且波形无法调整； 2、没有超声频率段的功率放大器以往的超声检测都是采用电容储能、瞬时放电 的方式获得高压脉冲，而导波检测中需要将用户设定好的高频脉冲调制信号放大，这需要 设计专用的高压放大电路来实现，由于以往没有这方面的需求，目前国内还没有此类产品， 而国外的超声功率放大器价格都在IO万元人民币的水平； 3、使用超声功率放大器直接驱动超声传感器无法用同一个传感器进行单发单收 的试验测试工作当超声传感器接收脉冲回波时，功率放大器与超声传感器组成的回路如 图6所示，此时，超声传感器相当于一个电压源，其阻抗为Zl，功率放大器的输出阻抗为Z2， 在A、B点测得的电压为(Z2/Z1+Z2)U，由于超声传感器的阻抗Z1远大于Z2，因此，基本测不 到回波信号。
发明内容为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高压超声导波测试仪，能够克服上述 的技术问题。[0009] 该一种高压超声导波测试仪，包括电源模块、输入模块、功率放大模块、脉宽调节 模块、信号切换模块、输出模块；其中电源模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、信号切 换模块、信号输出模块相连；输入模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、电源模块相连； 功率放大模块分别与输入模块、信号切换模块、电源模块相连；脉宽调节模块分别与输入模 块、信号切换模块、电源模块相连；信号切换模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、输出 模块、电源模块相连；信号输出模块分别与信号切换模块、电源模块相连；其中电源模块为 其他模块供电；输入模块外接用户输入峰值在±5V内的高频调制脉冲与同步脉冲，该高频 调制脉冲送往功率放大模块进行功率放大，并将功率放大后的脉冲送往脉宽调节模块生成 控制模拟开关通断的控制信号；该控制信号送至信号切换模块，信号切换模块控制模拟开 关通道闭合或断开。 其中，功率放大模块为一带偏置电压乙类互补对称功率放大电路。 其中，脉宽调节模块利用单稳态触发电路将同步脉冲Pl变换成一个脉宽为Td的
方波脉冲P2，时间Td的大小由可调电阻控制，P2经由移位寄存器和异或门电路分别在其上
升沿和下降沿生成脉冲对P3、P4作为信号切换模块的控制信号。 其中，信号切换模块为一可控高压模拟开关，DIN接脉宽调节模块的方波脉冲P2 输出端，CLK接脉宽调节模块的P3、P4输出端，功率放大模块输出的高压高频调制信号接在 C0M0端，NOO端接输出模块，当P3脉冲到达时，P2为高电平，此高电平信号被锁存入移位寄 存器，控制模拟开关通道0闭合，C0M0与N00接通，高压高频调制信号输出到输出模块，当 P4脉冲到达时，P2为低电平，模拟开关断开，功率放大模块与输出模块断路，在输出模块上 测得超声传感器上的回波脉冲信号。 其中，电源模块的输出为±100V/±5V的直流电源。 本发明的有益效果 本实用新型可外接波形由用户设置的脉冲信号将其放大输出(峰峰值可达 200V)，并由同一个超声波探头发射和接收脉冲信号，可用于各种需要精确控制发射脉冲波 形的高压超声导波检测领域。近年来，超声导波检测在各种无损检测领域的应用与研究工 作开展的越来越广泛，本仪器必将为超声导波检测研究工作的开展发挥极大的效益。
图1为本实用新型的结构示意图； 图2为直径20mm钢杆中纵波模态的能量衰减图； 图3为一个典型的导波检测发射脉冲波型； 图4为图3信号对应的频谱； 图5为尖脉冲发射电路； 图6为超声波传感器接收回波时与功放输出端构成的等效电路； 图7为功率放大电路原理图 图8脉宽调节电路的原理图； 图9为脉宽调节电路的信号变换图； 图10为信号切换模块的原理图； 图11为输出模块的子模块图；[0027] 图12为本实用新型进行实验测试时的接线示意图； 图13为采用本仪器对长150cm，直径20cm钢杆检测波形； 图14为采用超声探伤仪对长150cm，直径20cm钢杆检测波形； 其中，1-电源模块、2_输入模块、3_功率放大模块、4_脉宽调节模块、5_信号切换
模块、6-输出模块。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型的实施方式做进一步详细说明。 本实用新型结构组成如图1所示。包括电源模块1、输入模块2、功率放大模块3、 脉宽调节模块4、信号切换模块5、输出模块6。电源模块1与功率放大模块3、脉宽调节模 块4、信号切换模块5、信号输出模块6相连；输入模块2与功率放大模块3、脉宽调节模块 4、电源模块1相连；功率放大模块3与输入模块2、信号切换模块5、电源模块1相连；脉宽 调节模块4与输入模块2、信号切换模块5、电源模块1相连；信号切换模块5与功率放大模 块3、脉宽调节模块4、输出模块6、电源模块1相连；信号输出模块6与信号切换模块5、电 源模块1相连。 功率放大模块原理图如图7所示，Tl为输入级，T2与R2、R3为输出级T3、T4提供 偏置电压，T3、T4为IOOW射频晶体管，可将输入高频调制脉冲峰峰值放大到200V。 脉宽调节模块原理图如图8所示，利用单稳态触发电路将同步脉冲Pl变换成一 个脉宽为Td的方波脉冲P2，时间Td的大小由可调电阻控制，P2经由移位寄存器和异或门 电路分别在其上升沿和下降沿生成脉冲对P3、P4，如图9所示，作为信号切换模块的控制信 号。 信号切换模块原理图如图IO所示，为一可控高压模拟开关，输出模块与信号切换 模块的N00端连接，内部有三个字模块，如图11所示，其中匹配电路接超声传感器输出高压 高频调制脉冲(P端口 )，电压监控模块与N00直连，可在示波器上监控N00端输出的电压波 形(M端口 )，信号调理模块由限幅电路与电压放大电路组成，其增益可调，接示波器或数据 采集设备(A端口 )，可采集超声检测数据。 假定需要对长度为1. 5m，直径为20mm的钢杆进行导波测试。 首先，开启电源开关，电源模块为仪器供电； 如图12所示，高压超声导波收发仪前面板上的端口分别为I，脉冲信号输入端 口 ；E，外部触发脉冲输入端口 ；P，超声波传感器端口 ；A，数据采集设备端口 ；M，示波器电压 监控端口 ；0，脉宽调节旋钮；J，高压脉冲增益调节旋钮；K，回波信号增益调节旋钮；将任意 波形发生器ARB-1410的输出信号out与I端口连接，触发脉冲输出与E端口连接，P端口 接超声波传感器，并将传感器固定在钢杆端头，A端口接TDs3032B示波器1通道作数据采 集，M端口接TDs3032B示波器2通道作电压监控。 然后，进行高压超声导波测试。在任意波形发生器上设置好脉冲波形与脉冲重复 频率，脉冲波形如图3所示，为一 55kHz，5周期宽的正弦脉冲调制波，重复频率为1Hz，脉冲 波型时长为90us，因此高压超声导波收发仪上调节脉宽调节旋钮设置Td为100us，数据采 集设备和示波器的触发方式设为内触发。 最后，任意波形发生器发射脉冲，经仪器即可输出高压信号到超声传感器，，输出脉冲的波形可在示波器上显示，根据测试需要调节高压脉冲增益旋钮和回波信号增益调节 旋钮，可在示波器上看到超声波的多次反射波形，如图13所示，由于发射脉冲频带较窄，在 杆中激励的回波模态少，只有L(O，l)模态，因此回波非常的清晰。图14为采用一超声波探 伤仪对同一钢杆进行检测的波形，由于其发射的是尖脉冲，频带非常宽，因此在杆中激励的 回波模态非常多，叠加在一起形成了一个非常复杂的回波群，无法进行分析处理。由此两者 对比可知，本检测仪可以获得非常清晰的导波反射波型，是研究导波在波导介质中的传播 规律及进行各种导波无损检测应用研究非常理想的测试设备。
权利要求一种高压超声导波测试仪，包括电源模块、输入模块、功率放大模块、脉宽调节模块、信号切换模块、输出模块；其特征在于电源模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、信号切换模块、信号输出模块相连；输入模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、电源模块相连；功率放大模块分别与输入模块、信号切换模块、电源模块相连；脉宽调节模块分别与输入模块、信号切换模块、电源模块相连；信号切换模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、输出模块、电源模块相连；信号输出模块分别与信号切换模块、电源模块相连；其中电源模块为其他模块供电；输入模块外接用户输入峰值在±5V内的高频调制脉冲与同步脉冲，该高频调制脉冲送往功率放大模块进行功率放大，并将功率放大后的脉冲送往脉宽调节模块生成控制模拟开关通断的控制信号；该控制信号送至信号切换模块，信号切换模块控制模拟开关通道闭合或断开。
2. 根据权利要求1所述的一种高压超声导波测试仪，其特征在于所述的功率放大模 块为一带偏置电压乙类互补对称功率放大电路。
3. 根据权利要求1所述的一种高压超声导波测试仪，其特征在于所述的脉宽调节模 块利用单稳态触发电路将同步脉冲Pl变换成一个脉宽为Td的方波脉冲P2，时间Td的大 小由可调电阻控制，P2经由移位寄存器和异或门电路分别在其上升沿和下降沿生成脉冲对 P3、 P4作为信号切换模块的控制信号。
4. 根据权利要求1或2或3所述的一种高压超声导波测试仪，其特征在于所述的信 号切换模块为一可控高压模拟开关，DIN接脉宽调节模块的方波脉冲P2输出端，CLK接脉 宽调节模块的P3、 P4输出端，功率放大模块输出的高压高频调制信号接在C0M0端，N00端 接输出模块，当P3脉冲到达时，P2为高电平，此高电平信号被锁存入移位寄存器，控制模拟 开关通道0闭合，C0M0与N00接通，高压高频调制信号输出到输出模块，当P4脉冲到达时， P2为低电平，模拟开关断开，功率放大模块与输出模块断路，在输出模块上测得超声传感器 上的回波脉冲信号。
5. 根据权利要求1或2或3所述的一种高压超声导波测试仪，其特征在于所述的电 源模块的输出为士100V/士5V的直流电源。
专利摘要本实用新型为高压超声导波测试仪，其中电源模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、信号切换模块、信号输出模块相连；输入模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、电源模块相连；功率放大模块分别与输入模块、信号切换模块、电源模块相连；脉宽调节模块分别与输入模块、信号切换模块、电源模块相连；信号切换模块分别与功率放大模块、脉宽调节模块、输出模块、电源模块相连；信号输出模块分别与信号切换模块、电源模块相连。本实用新型可外接波形由用户设置的脉冲信号将其放大输出，并由同一个超声波探头发射和接收脉冲信号，可用于各种需要精确控制发射脉冲波形的高压超声导波检测领域。
文档编号G01N29/34GK201497730SQ20092022319
公开日2010年6月2日 申请日期2009年10月10日 优先权日2009年10月10日
发明者唐永刚, 宁建国, 王成 申请人:北京理工大学