一种高速铁路桥梁检测用驱动电源及稀土超磁致震源系统的制作方法

本实用新型涉及高铁技术领域，尤其涉及一种高速铁路桥梁检测用驱动电源及稀土超磁致震源系统。

背景技术：

超磁震源随着土木工程的发展，高速公路大中型桥梁及水电站混凝土大坝的桥台、桥墩、箱梁等重要的大块体混凝土工程无损检测问题已成为了一个重要的检测难题。大块体混凝土易于产生温度裂缝、浇筑施工缝、混凝土漏振捣不密实区、低标准混凝土区等多种缺陷问题，由于超声波在大块体混凝土内的过度衰减，常规的超声波发射穿透能力和常规的接收换能器敏感性很难满足大块体混凝土测缺、测强的要求。稀土超磁大功率声波震源的诞生与成熟给混凝土超声无损检测的发展带来了曙光，它具有比传统的磁致伸缩材料和压电陶瓷高出几十倍的伸缩性能。用稀土超磁致伸缩材料制作的换能器与传统磁致伸缩材料及压电陶瓷(PRT)制作的换能器相比，具有能量转换率高、功率大、在混凝土中传播距离远、稳定性好、分辨率高、频带宽、余震短、信息丰富等优点。

驱动电源技术作为稀土超磁致伸缩换能器应用的关键技术之一，其性能的好坏直接关系到稀土超磁震源的可靠性和使用性能。如何设计一种驱动电源用于高速铁路用900T(吨)箱梁预应力管道注浆质量无损检测仪是亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种高速铁路桥梁检测用驱动电源及稀土超磁致震源系统，实现了高速铁路用900T箱梁预应力管道注浆质量无损检测仪。

为达到上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：

本实用新型实施例提供了一种高速铁路桥梁检测用驱动电源，包括供电电路、直流高压源、同步控制电路和发射电路，其中，所述供电电路分别通过所述直流高压源、所述同步控制电路与所述发射电路连接，所述供电电路通过所述直流高压源为所述发射电路提供高压直流脉动电流，所述同步控制电路在外部激励信号的触发下控制所述发射电路中储能元件组给换能器发电。

可选的，所述发射电路包括第一开关、第二开关以及储能元件组，所述直流高压源的输出端分别与所述第一开关以及所述储能元件组的第一端连接，所述储能元件组的第一端还通过所述第二开关接地，所述储能元件组的第二端与所述换能器连接，在所述第一开关、所述第二开关导通时，所述储能元件组与所述换能器组成第一电路回路，所述直流高压源与所述第一电路回路相互独立。

可选的，所述第一开关、所述第二开关均为N沟增强型场效应管，所述第一开关的栅极与所述第二开关的栅极均所述同步控制电路的输出端连接，所述第一开关的漏极与所述第二开关的漏极均与所述直流高压源的输出端连接，所述第一开关的源极与所述第二开关的源极均接地。

可选的，所述N沟增强型场效应管的导通电阻为Rg＜5Ω，击穿电压VDS＞1000V，最大漏极电流IDM＞14.1A，最大漏源击穿电压IDS＞858V。

可选的，所述储能元件组包括多个电容，所述多个电容之间串联连接，且每个电容上均并联连接有一电阻。

可选的，所述电阻取值以小于电容漏电电阻的十倍。

可选的，所述直流高压电源包括推挽电路和驱动电路，所述驱动电路产生互补的方波用于轮流导通所述推挽电路中对称的功率开关管。

可选的，所述同步控制电路包括第一与非门和第二与非门，所述第一与非门的第一输入端、第二输入端以及第三输入端分别连接电源，所述第一与非门的第四输入端与所述第二与非门的输出端连接，所述第二与非门中各输入端分别外部触发接口连接。

本实用新型实施例还提供了一种高速铁路桥梁检测用稀土超磁致震源系统，包括上述的驱动电源。

本实用新型实施例提供的高速铁路桥梁检测用驱动电源及稀土超磁致震源系统，其中，供电电路提供直流输入电能，可由电池或者电源适配器提供，输入电压为12V。输入电压在经过整流滤波后，通过直流高压源电路得到高压的直流脉动的电流。脉动电流对发射电路储能元件组进行充电，在外部激励信号和同步控制电路作用下，得到一宽度可调的脉冲电流。外部触发部分以仪器为控制器，主要作用是：在声波检测系统中为驱动电源提供同步触发信号，使检测系统声波的接收和发射同步；同时通过仪器设置换能器不同的激励脉冲，使得输入脉冲的频率、占空比等参数可调。同步控制电路通过驱动开关功率管的关断实现对发射电路中电容放电进行控制，达到输出短时脉冲电压输出的目的，实现了高速铁路用900T箱梁预应力管道注浆质量无损检测仪上驱动电源技术的设计。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的电话语音报时服务系统整体框图一；

图2为本实用新型实施例提供的电话语音报时服务系统整体框图二；

图3为本实用新型实施例提供的电话语音报时服务系统整体框图三。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种高速铁路桥梁检测用驱动电源，包括供电电路、直流高压源、同步控制电路和发射电路，其中，所述供电电路分别通过所述直流高压源、所述同步控制电路与所述发射电路连接，所述供电电路通过所述直流高压源为所述发射电路提供高压直流脉动电流，所述同步控制电路在外部激励信号的触发下控制所述发射电路中储能元件组给换能器发电。

本实用新型实施例提供的高速铁路桥梁检测用驱动电源，其中，供电电路提供直流输入电能，可由电池或者电源适配器提供，输入电压为12V。输入电压在经过整流滤波后，通过直流高压源电路得到高压的直流脉动的电流。脉动电流对发射电路储能元件组进行充电，在外部激励信号和同步控制电路作用下，得到一宽度可调的脉冲电流。外部触发部分以仪器为控制器，主要作用是：在声波检测系统中为驱动电源提供同步触发信号，使检测系统声波的接收和发射同步；同时通过仪器设置换能器不同的激励脉冲，使得输入脉冲的频率、占空比等参数可调。同步控制电路通过驱动开关功率管的关断实现对发射电路中电容放电进行控制，达到输出短时脉冲电压输出的目的，实现了高速铁路用900T箱梁预应力管道注浆质量无损检测仪上驱动电源技术的设计。

考虑到检测时需要对脉冲的上升时间短、宽度可控以及输出电压高等的要求，通常是通过专业定做高电压电源，和声波震源配合使用。但是，定制的高压电源往往为检测带来发射和接收不同步、并且具有设备体积大、转化效率低等。耿金登容放电法，设计了一种超磁致伸缩换能器驱动电源，但是忽略了电容在放电的过程中对驱动电路其他部分的冲击，没有采取隔离措施。结合稀土超磁致伸缩换能器的特点，选择大电容作为驱动能量来源，采用同步控制对管驱动控制电容储能放电瞬间产生高压激励脉冲的方法提供高压直流电源的电路进行设计优化。具体的，在一实施例中，所述发射电路包括第一开关、第二开关以及储能元件组，所述直流高压源的输出端分别与所述第一开关以及所述储能元件组的第一端连接，所述储能元件组的第一端还通过所述第二开关接地，所述储能元件组的第二端与所述换能器连接，在所述第一开关、所述第二开关导通时，所述储能元件组与所述换能器组成第一电路回路，所述直流高压源与所述第一电路回路相互独立。

在声波发射电路中，功率开关管具有线性度好、频带宽、电路简单、可靠性高等优点，因此对整个驱动电源性能有很大的影响。声波检测中对于功率开关管的性能要求主要有以下几个：导通时间(触发脉冲的上升沿到下降沿所持续的时间)，输入的最大峰值电流，导通电阻，最大的击穿电压等。MOSFET由于工作电压高(可达1KV)，开关速度达到ns级别和导通电阻低等特点，在声波检测设备驱动电路中可作为理想的‘开关’。具体的，所述第一开关和第二开关可以采用N沟增强型场效应管。在所述第一开关和第二开关采用N沟增强型场效应管时，如图2所示，所述发射电路中的所述第一开关Q3的栅极与所述第二开关Q4的栅极均所述同步控制电路的输出端连接，所述第一开关Q3的漏极与所述第二开关Q4的漏极均与所述直流高压源的输出端连接，所述第一开关Q3的源极与所述第二开关Q4的源极均接地。值得说明的时，在本实施例中优选的，所述N沟增强型场效应管的导通电阻为Rg＜5Ω，击穿电压VDS＞1000V，最大漏极电流IDM＞14.1A，最大漏源击穿电压IDS＞858V。

如图2所示的经过优化的声波发射电路，输入的直流高压E通过电阻R6对储能元件组(C10、C11、C12)充电，由于Q3、Q4在没有导通前的储能元件组没有放电回路，故储能元件组的两端电压最大可以达到2E并维持这个电压。当Q3、Q4导通时，储能元件组、Q3、Q4和换能器的线圈组成放电回路，储能元件组上的电荷迅速向换能器转移，产生脉冲电流。图2所示电路的独特之处在于利用Q3、Q4同时导通后，直流高压供电系统和电容放电系统是两个独立的回路，这样起到隔离作用避免了电容放电对其他部件的冲击，同时又减小了电路体积。

在一实施例中，所述储能元件组包括多个电容，所述多个电容之间串联连接，且每个电容上均并联连接有一电阻。利用多个电容的串联，提高电容的容量又满足电容的耐压和电容的要求。此外，由于采用三个电容串联增加耐压值和容量的同时带来了各个电容上的电压不同(主要原因是电容会有轻微漏电现象，漏电电流大小不一样造成各电容的分压不完全相等)，在每个电容上均并联连接有一个电阻，采取并联电阻的方式平衡电容的电压。电阻取值以小于电容漏电电阻的十倍左右，一般常用500K至1兆欧。

在一实施例中，直流高压电源主电路采用开关电源结构，和传统的线性电源相比，开关电源由于具有功率密度高、能量转化效率高、输出电压调整率高等优点，得到广泛的应用。由于换能器的激励需要高电压，为了避免高电压对其他的设备的影响，选用隔离型开关电源，采用的是输入端和输出端利用高频变压器隔离。驱动电源的拓扑结构采用隔离型结构，隔离型开关电源主要有正激式、反激式、推挽式、全桥和半桥式。因为驱动电源是低电压输入，考虑到损耗和驱动问题，采取的拓扑结构是推挽型电路。推挽型变换器可以看作是由两个正激变换器组成的，这两个正激变换器由于是完全对称、平衡的，因此在一个周期里，这两个变换器交替轮流工作。在开关管关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，通过电阻和电容，能很好地吸收尖峰电压和电流。驱动电路产生互补的方波分别输入到开关管Q1和Q2的基极，这样使得Q1和Q2轮流导通。假设Q1先导通，直流电源的电流流过功率高频变压器的初级绕组的二分之一，在次级绕组上产生感应电压，此时Q2处于截止状态，当Q1截止时，Q2则处于导通状态，这样周而复始在变压器的次级绕组也就形成了方波电压。所述直流高压电源包括推挽电路和驱动电路，所述驱动电路产生互补的方波用于轮流导通所述推挽电路中对称的功率开关管。此外，从能量利用效率的角度上讲，采用矩形波作为MOS管的激励信号，可以提高稀土超磁声波震源的工作时间。

驱动电源是在主驱动电路的推挽拓扑结构上进行扩展，要发挥其最大的性能离不开控制电路。在控制电路的作用下，调制推免开关管的导通和关断时间，达到控制电压输出波形的目的。在推挽拓扑结构的驱动电路中，对于开关管的驱动控制策略通常有电压控制和电流控制两种类型。同步控制电路的主要作用是控制发射电路输出尖脉冲的脉宽，同时控制驱动电源中的各种功能电路协同动作。驱动电源在外部给出触发命令，才能向换能器发射出高电压的脉冲，激励换能器瞬间振动向外辐射声波。同步控制电路的基准触发信号有单次频率和重复频率两种方式，在本实施例中采用的是单次频率的方式，便于对换能器的控制，通常是以开关的形式实现。单次频率的实现是基于不同情况的外部不同触发产生脉冲的数字开关电路可选的，具体的，如图3所示，所述同步控制电路包括第一与非门和第二与非门，所述第一与非门的第一输入端、第二输入端以及第三输入端分别连接电源，所述第一与非门的第四输入端与所述第二与非门的输出端连接，所述第二与非门中各输入端分别外部触发接口连接。

本实用新型实施例还提供了一种高速铁路桥梁检测用稀土超磁致震源系统，包括上述的驱动电源。此处不一一赘述。

本实用新型实施例提供的高速铁路桥梁检测用稀土超磁致震源系统，其中，供电电路提供直流输入电能，可由电池或者电源适配器提供，输入电压为12V。输入电压在经过整流滤波后，通过直流高压源电路得到高压的直流脉动的电流。脉动电流对发射电路储能元件组进行充电，在外部激励信号和同步控制电路作用下，得到一宽度可调的脉冲电流。外部触发部分以仪器为控制器，主要作用是：在声波检测系统中为驱动电源提供同步触发信号，使检测系统声波的接收和发射同步；同时通过仪器设置换能器不同的激励脉冲，使得输入脉冲的频率、占空比等参数可调。同步控制电路通过驱动开关功率管的关断实现对发射电路中电容放电进行控制，达到输出短时脉冲电压输出的目的，实现了高速铁路用900T箱梁预应力管道注浆质量无损检测仪上驱动电源技术的设计。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。