超声管外测压中发射电路的设计

　　0　引言

　　对管道中流体压力进行检测是实现液压系统、管道运输系统等监测的必要条件,而超声管外测压具有不破坏管道系统的整体特性的优点,是比较理想的非介入式测量方法[1-4]。该方法是随着集成电路、计算机技术及超声传感技术而发展起来的新型测压技术,无需预留检测接口,克服了介入式测量方法的缺点。在超声检测系统中,发射电路(脉冲发生器)是超声检测系统中的关键部分,它决定了一个系统所能达到的最终指标。超声换能器一旦选定,其性能参数(如机械共振频率、声波辐射等效电阻等)也已确定。而发射电路设计是否合理,直接影响到发射功率和波形的重复性。根据分析,设计了一种利用电感储能产生高功率脉冲的发射电路来产生超声换能器所需要的尖脉冲激励。

　　1　超声发射电路分析

　　超声脉冲的发射是由压电换能器完成的,它的能量将取自高压脉冲发生器所提供的高压电脉冲[5]。常用的高压脉冲产生方法分为电容瞬间放电法和脉冲电源激励法[6]以及RLC谐振类方法[7-8]。

　　1·1　电容瞬间放电电路

　　图1为电容瞬间放电电路模型,它是超声发射电路中最常用的模型[5],场效应管Q的栅极输入控制脉冲,当Q的栅极为低电位时,Q关断,能量储能电容C通过旁路电阻Rc和二极管D1充电;当栅极为高电位时,Q导通,储能电容C存储的能量通过Q、二极管D2向超声换能器放电,激发换能器发出超声波,Rd用于调节激发能量,改变激发的超声波幅值大小。该类电路结构简单,电损耗小,但需要直流高压[6]。

　　目前,用作超声发射电路的直流高压产生电路种类很多,大体分为三类:一类利用直流逆变器电路原理,产生一组振荡波形,经逆变器转化成高压交流电,最后整流滤波,得到直流高压,这类电路用到变压器,因而体积较大;一类采用专业厂家的小型集成化的高压源模块,而市场上的高压源模块价格昂贵,体积也较大[8];最后一类在文献[8-9]中被提出,用高效率的升压芯片,高压输出附近的滤波电容的耐压要求高,需达到数百V,否则引起爆炸,而且高压电容体积大。这三类都需要为电路提供数百V的直流电压,存在严重的安全隐患。

　　1·2　脉冲电源激励电路

　　图2中,缓冲器UA输入控制信号,a点为高电平时,场效应管Q1的栅极、源极都为高电平VH时,Q截止;a点为低电平时,由于电容两端电压不能突变,Q1的栅极电位随a点电位突然降到15 V,Q1导通,这时直流高压直接加到超声换能器上,从而激发换能器发出超声波,而换能器的等效电阻较小,电源近似短路,流过电源的瞬间电流很大,所以对电源的过载能力要求很高,且电源损耗大,功率大,对检测精度有较大影响[6]。