一种电感式非金属超声波发射系统的制作方法

本发明公开了一种电感式非金属超声波发射系统，涉及一种新型的非金属超声换能器驱动系统，特别涉及一种适应各种功率大小、体积较小、驱动波形参数方便调节的超声波发射系统。

背景技术：

超声波发射系统是整个超声无损检测系统中比较重要的部分，关于超声探伤的效率以及最终检测的精度等指标均与超声波发射模块密切相关。最近几年关于超声换能器的驱动系统绝大部分采用的是通过储能电容在瞬间充放电过程中产生的脉冲信号对超声波换能器进行激励。图1是一种常规的超声波发射驱动电路图。详见西安工业大学公开发表的硕士论文《基于dsp和cpld超声探伤仪的研究与设计》。

图1中send信号是由cpld或者fpga产生的触发脉冲信号，其控制整个电路的工作状态。通过send信号的高低电平不同分别控制mos管q2的导通与截至。当mos管q2处于截至状态时，直流高压电源dc500v通过r64和r65对电容c59进行充电，充电完成后，c59两端的电压为+500v；而当mos处于导通状态时，由于电容两端的电压不能瞬间突变，电阻r67两段被瞬间钳位在-500v，通过q2，r67，r63和r61放电，激励探头产生超声波。

上述电路存在如下的缺陷：

①要求给配套稳定的直流高压电源，而且这种直流高压电源的一定要和发射电路部分匹配，目前通常采用的定制的高频变压器，这给整个发射系统带来体积过大，设计周期过长，开发成本过大的问题，同时+500v以上的高压也会带来非常大的安全隐患。

②电路参数调节困难。上述电路图绝大部分是模拟电路，系统参数调节没有明确的理论指导。如果对探头的激励信号存在特殊要求，那么如何去相应改变驱动电路参数比较困难。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本发明的目的旨在于提供一种不需要高压供电且参数调节方便的超声波探头驱动电路。

具体的，一种电感式非金属超声波发射系统，包括超声波发射电路，所述电感式非金属超声波发射系统还包括占空比可调的方波发生器，占空比可调的方波发生器包括集成芯片、第一电阻器、第二电阻器、滑动电阻器、第一电容器、第二电容器、作为开关元件的第一二极管和第二二极管，集成芯片的管脚6和管脚2接在一起，并在与接地端之间连接第一电容器，集成芯片的管脚和接地端之间连接第二电容器，集成芯片的管脚6和管脚7之间连接第一二极管，第一二极管的正极连接集成芯片的管脚7，第一二极管的负极连接集成芯片的管脚6，在集成芯片的管脚8和管脚6之间以串联的形式连接第一电阻器、滑动变阻器、第二二极管和第二电阻器，第二二极管的正极接第二电阻器，负极接滑动变阻器，滑动变阻器的滑动端接集成芯片的管脚7，集成芯片的管脚1接地，集成芯片的管脚8接直流电源+12v，集成芯片的管脚3为方波输出端。

进一步的，所述集成芯片为ne555。

进一步的，所述超声波发射电路包括电解电容、第四电容器、第三二极管、第五二极管、肖特基二极管、第三电阻器、第四电阻器、第五电阻器带铁芯电感器、n沟道增强型功率场效应管、探头；

电解电容正极接+12v电源，负极接地，第三二极管正极接地，负极接+12v电源，n沟道增强型功率场效应管和肖特基二极管并联，其中肖特基二极管的正极和n沟道增强型功率场效应管的源极相连后接地，肖特基二极管的负极和n沟道增强型功率场效应管的漏极相连后接第三电阻器，n沟道增强型功率场效应管的栅极集成芯片的管脚3相连，肖特基二极管正极接第五二极管的负极，肖特基二极管负极接第四电阻器，第四电阻器、第五电阻器与探头并联，第五二极管连接在第五电阻器与探头之间。

进一步的，所述超声波发射电路还包括并联在第五电阻器与探头之间的第二电感、第六电阻器、第七电阻器，第二电感、第六电阻器、第七电阻器组成谐振电路，第五二极管连接在第五电阻器与谐振电路之间。

本发明的有益效果在于：本发明提出一种不同于传统的电感式非金属超声波发射系统，包括一种由ne555组成的改进型间接反馈型无稳电路，通过该电路可以非常方便的调整开关脉冲的周期与占空比。还包括一种新型发射电路，通过对储能元件带铁芯电感器在瞬间产生脉冲高电压的原理作为超声波探头的激励源。并可以改变调整激励脉冲的幅值和探头的共振频率。

本发明无需提供直流高压电源，消除了安全隐患，同时减少发射电路的体积，降低设计成本和开发周期。

附图说明

图1为现有技术中超声波发射驱动电路图；

图2为本发明占空比可调的方波发生器电路图；

图3为本发明超声波发射电路图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

本发明提供一种不需要高压供电且参数调节方便的超声波探头驱动电路。它包含占空比可调的方波发生器和超声波发射电路两部分。其中占空比可调的方波发生器如图2所示。

图2中包括ne555集成芯片u1，电阻器r1，电阻器r2，滑动电阻器rv1,电容器c1，电容器c2,作为开关元件的二极管d1和d2。ne555的管脚6和2接在一起，并在与地之间连接电容器c1。ne555的管脚5和地之间连接电容器c2。ne555的管脚6和管脚7之间连接二极管d1，d1的正极连接ne555的管脚7，d1的负极连接ne555的管脚6。在ne555的管脚8和管脚6之间以串联的形式连接电阻器r1，滑动变阻器rv1，二极管d2和电阻器r2，二极管d2的正极接电阻器r2，负极接滑动变阻器rv1，滑动变阻器的滑动端接ne555的管脚7。ne555的管脚1接地，ne555的管脚8接直流电源+12v。ne555的管脚3为方波输出端。

图2所示的电路是由ne555组成的占空比可调脉冲振荡电路，是对间接反馈型无稳电路的一种改进电路。其中调整电容器c1,电阻器r1,电阻器r2和滑动变阻器rv1可以改变方波的频率。具体公式如下：

调节滑动变阻器rv1就可以改变占空比，其中rv11是滑动变阻器rv1上半部分电阻值，rv12是滑动变阻器rv1下半部分电阻值，rv11+rv12＝rv1。

高电平周期t1＝0.693×(r1+rv11)×c1

低电平周期t2＝0.693×(r2+rv12)×c1

从上面的公式就可以看出，调整激励脉冲的频率和占空比就变得非常明确，为适应不同的发射探头可以很方便的调整系统参数。

图3为超声波发射电路，包括电解电容c3，电容器c4，二极管d3、d5，肖特基二极管d4。电阻器r3、r4、r5、r6、r7。带铁芯电感器l1，电感器l2。n沟道增强型功率场效应管q1。探头detector。

其中最基本的电路由电解电容c3，电容器c4，二极管d3、d5，肖特基二极管d4，电阻器r3、r4、r5，带铁芯电感器l1和探头detector组成。而电阻器r6、电阻器r7和电感器l2是并联在一起构成的并联匹配回路，这个电路可以作为选用电路，用来调整激励脉冲的幅值和电路的谐振频率，取得最好的驱动效果，这在一些要求比较高的应用场合可以使用。

电解电容c3正极接+12v电源，负极接地。二极管d3正极接地，负极接+12v电源。n沟道增强型功率场效应管q1和肖特基二极管d6并联，其中肖特基二极管d6的正极和n沟道增强型功率场效应管q1的源极s相连后接地，肖特基二极管d6的负极和n沟道增强型功率场效应管q1的漏极d相连后接电阻器r3，n沟道增强型功率场效应管q1的栅极g与图2的ne555的管脚3相连。肖特基二极管d4正极接二极管d5的负极，肖特基二极管d4负极接电阻器r4。二极管d5正极接电阻器r6。

在图3中，n沟道增强型功率场效应管q1最为开关元件来使用，其有两种状态：当q1的栅极g输入为脉冲为正的时候，q1导通，这时q1就相当于一个非常小的电阻，就会和直流电源+12v、带铁芯电感器l1、电阻器串联在一起构成了一个阻值较小的回路，这时带铁芯电感器l1中的电流值快速上升进行储能；而当q1的栅极g输入为脉冲为负时，q1迅速关断，这时带铁芯电感器l1、电容器c4、电阻器r6和电阻器r7组成谐振电路快速放电，在电阻器r7上形成高压触发脉冲，可高达数百伏。肖特基二极管d4的特点是回复速度快，在这里是和储能元件配合防止电压电流突变。二极管d3和d5均起单向开关作用。其中要特别说明的是电阻器r6、电阻器r7和电感器l2是并联在一起构成了并联匹配回路，可以通过调整电阻器r6和电阻器r7的值来改变激励脉冲的幅值，而改变电感器l2的值可改变电路的谐振频率上，取得最好的驱动效果。

本发明提出一种不同于传统的电感式非金属超声波发射系统，其中图2所示的是一种由ne555组成的改进型间接反馈型无稳电路，通过该电路可以非常方便的调整开关脉冲的周期与占空比。图3采用了一种新型发射电路，通过对储能元件带铁芯电感器l1在瞬间产生脉冲高电压的原理作为超声波探头的激励源。并可以通过调整电阻器r6、电阻器r7，电感器l2的值来改变调整激励脉冲的幅值和探头的共振频率。

本发明无需提供直流高压电源，消除了安全隐患，同时减少发射电路的体积，降低设计成本和开发周期。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。