桥式推挽结构超声激励电路性能分析

安艳芳，彭召斌，廉国选，冷涛，王小民



桥式推挽结构超声激励电路性能分析

安艳芳，彭召斌，廉国选，冷涛，王小民

(中国科学院声学研究所，北京100190)

基于桥式推挽结构，设计了由两路正向单脉冲电压产生双极性电压效果的电路，提高了激励信号的能量，为超声无损检测激励电路的负向耐压低、供电电源复杂等问题提供了解决方案。该方案包括硬件实现和相关实验验证。脉冲回波检测实验结果证明：桥式推挽结构的超声激励可以提高回波的幅度，在相同实验条件下，回波幅度为单极性方波脉冲激励的两倍，等效于双极性方波脉冲激励的效果。该文方法可以提高超声激励电路的性能，为高性能便捷式超声激励系统的设计提供了理论和实验依据。

超声检测；桥式推挽结构；电路性能

0 引言

激励电路对超声检测系统的性能有着重要影响[1,2]。超声激励的脉冲形式一般分为尖脉冲和单、双极性脉冲三种。尖脉冲是激励压电换能器最早的方式之一，其频带宽，回波的纵向分辨率高；方波即单脉冲所激励的超声信号其幅度高、发射功率大；双极性脉冲主要是利用脉冲正负跳变对压电换能器进行作用，可以加强压电晶片的振动，以提高发射信号的能量。双极性脉冲在超声无损检测，尤其是在穿透法检测中得到广泛应用。

双极性激励脉冲的产生一般是依靠硬件电路对正负双电源进行控制得到的。这种电路不利于检测设备的小型便携化，尤其是单电源供电的设备，产生双极性激励脉冲更加困难。此外，在硬件电路制作中由于受到PNP管耐压不高的影响，无法做到负高压。针对此问题，本文基于桥式推挽(Balanced Transformer Less, BTL)思路[3]，提出并实现了由两路正向单脉冲电压产生类似于双极性电压的电路，既不必考虑PNP管负向耐压难以提高的限制，又仅需一路正向电源供电即可。

1 BTL结构超声激励的理论分析

压电晶体具有压电和逆压电效应，当在压电晶体上加与极化方向相同的电场时，压电晶体在极化方向上产生伸长形变；反之，当外电场方向与极化方向相反时，压电晶体沿极化方向产生缩短形变[4]。因此，对压电晶体施加不同方向电场，晶体振动的起振方向相逆。

压电晶体在电场不连续处产生应力，形成扰动源。当压电晶体受到一次方波电脉冲激励时，会产生两次振动[5]。假设方波上升沿使得晶体向上起振，那么下降沿则使晶体向下起振，如图1所示。调节激励方波的宽度可以使两次振动进行叠加或者减弱。在相同条件下，当脉冲宽度设置为超声发射探头固有频率周期的一半时，方波激励脉冲对压电晶片的作用效果最为突出，探头发射信号的能量最高，接收的回波信号的幅度也最大。

基于电场方向与晶体起振方向的关系和方波脉宽对超声波检测的影响，BTL结构超声激励电路是利用硬件产生两个具有一定时延的正向方波脉冲，同时对一块压电晶片的两面进行作用的激励产生电路。设压电晶片的两面分别为A面和B面，则压电晶体在BTL结构激励电压作用下的振动情况如图2所示。方波脉冲1使晶体产生起振方向为上的振动1，方波脉冲2使晶体产生起振方向为下、并延后一个方波脉宽所需时间的振动2。因此BTL结构激励脉冲对整个晶体的振动为两种效果的叠加(振动3)。

2 BTL结构超声激励电路产生

图3为BTL结构超声激励电路框图，主要由MAX4940芯片、电源、外围电路、信号控制端口和输出端口组成。MAX4940是具有4个通道的高压数字脉冲发生功能的芯片。输出信号由正电压控制信号INP_、归零控制信号CLP_、负电压控制信号INN_和使能控制信号EN进行控制，控制形式详情见表1。

表1 MAX4940真值表

注：“0”表示控制信号为低电平，“1”表示控制信号为高电平，“×”表示控制信号为0或1的任意电平

外围电路大多为耦合电容，用来调节MAX4940的工作频率。电源分为供电电源和驱动电源，其中驱动电源可以施加0 V到芯片最大的耐压值Vmax。

BTL激励电路按照图4所示进行驱动。图4(a)中的OUT1A由图4(b)中的INN1_和INP1_控制先输出一个方波脉冲时，OUT2A通过MAX4940内部的MOSFET接地；同理，当OUT2A输出方波脉冲时，OUT1A通过内部MOSFET接地。因此换能器两端交替施加方波电压，形成一个BTL结构的驱动信号，相当于在换能器一端施加图4(b)中的Vout_信号。

3 检测系统整体设计及实验装置

实验所搭建的超声检测系统主要由激励脉冲产生和回波信号检测两部分组成，基本结构如图5所示。其中激励脉冲产生部分在超声检测系统中是非常重要的，这部分包括：

(1) 上位机(PC机)选择设置部分：主要利用visual studio2010设计超声发射系统控制界面，用来控制选择发射脉冲的具体参数(包括重复频率、脉冲宽度、脉冲个数)，并将每个参数信息编码后通过USB3.0接口发送到现场可编程门阵列(Field- Programmable Gate Array, FPGA)。

(2) FPGA信号控制部分：此部分是由Altera公司生产的EP3C40F484及其外围电路组成，目的是对接收到的上位机参数信息进行译码后产生对应的控制信号(包括：INP_、INN_、CLP_和EN)，并通过通用输入/输出(General Purpose Input Output, GPIO)接口传送到超声发射部分。

(3) 超声发射部分：此部分为BTL结构超声激励电路，作用是根据接收到的控制信号，在与电源相互配合下产生高压激励脉冲信号，激励探头工作，发射超声信号。

回波信号检测部分主要是利用实验器材对所产生的激励脉冲进行验证。实验采用的探头尺寸为f29×35，其谐振频率是1 MHz，采用对穿的工作方式检测钢块中超声波的情况。以超声分析仪(Panamatrics-NDT 5800)将接收到的回波信号进行放大、滤波等处理后传给示波器，进而观测到不同形式激励脉冲对超声检测信号的影响。

4 实验条件与结果分析

按照图5方式连接各部分电路，在系统通信正常的情况下对各部分进行设置。实验条件如下：(1)上位机选择设置：脉冲个数为1个，重复频率为5 kHz，脉冲宽度为500 ns(探头固有频率换算成时间的一半)。(2) 激励脉冲电压(驱动探头电压)：单极性脉冲：+24 V；双极性脉冲：±12 V；BTL结构激励脉冲：+12 V。(3) 超声分析仪设置：MODE= THRU。

图6为相同实验条件下测量的单极性方波脉冲、双极性方波脉冲和BTL结构超声激励下的回波信号图。

BTL结构超声激励的回波信号图6(b)与单极性方波脉冲激励的回波信号图6(a)相比较可知，两种方式下的回波信号的形状、起振位置、起振方向及回波幅度基本一致，且幅度峰峰值误差为1.5%。但单极性方波激励的电压为24 V，BTL结构激励方式的电压为12 V，在压电换能器近似等效为电容的情况下，得到相同的回波幅值时，BTL结构激励方式相比单极性方波激励方式节省50%的激励能量。

BTL结构超声激励的回波信号图6(b)与双极性方波脉冲激励的回波信号图6(c)相比较可知，两种方式下的回波信号起振位置，起振方向及回波幅度基本相同，且回波幅度峰峰值误差为1.3%。说明BTL结构的超声激励探头的效果等效于双极性方波脉冲激励的效果，而且此方法节省一路电源。

因此实验结果表明：BTL结构超声激励电路不但可以增强发射信号的能量，提高检测回波灵敏度，节省功放的供电电源，而且不受PNP功率晶体管负向耐压不高的限制，相对而言达到了提高工作电压的效果。

5 结论

本文利用了MAX4940中两个通道串联搭建成BTL结构的超声激励电路，通过改变换能器上所施加的电压，在相同实验条件下提高超声发射的能量，是解决超声检测领域中功放负向电压受限而影响检测效果问题的较好办法。

在此基础上，当通过并联方式驱动换能器，即可得到同等条件下的两倍电流的发射信号，以达到提高发射信号的能量，如并联更多的通道能实现更大的驱动电流，进一步提高工作效率，但需注意IC输入、输出及寄生电容相应增大对检测系统带来的影响。

致谢：感谢王冲在MAX4940设计板卡制作方面的帮助。

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YANG Jian, GAO Chengqiang, LIU Xiaofang. Affect of different simulation mode on ultrasonic testing signal[J]. Non-destructive Testing, 2010, 32(1): 36-38.

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[4] 栾桂东, 张金铎, 王仁乾. 压电换能器和换能器阵[M]. 北京: 北京大学出版社, 2005: 32-40.

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Circuit performance analysis of balanced transformer-less structure for ultrasonic excitation

AN Yan-fang, PENG Zhao-bin, LIAN Guo-xuan, LENG Tao, WANG Xiao-min

(Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

A circuit is designed with two positive single pulse voltages, which can generate the effect of bipolar voltage, based on Balanced Transformer Less structure. This circuit improves the energy of the excitation signal and provides a solution to the problems of low negative withstand voltage and complex power supply in ultrasonic nondestructive testing. Hardware implementation and related experiments are included in this paper. Pulse echo testing results show that the ultrasonic excitation of Balanced Transformer Less structure can increase the amplitude of echo. In the same experimental conditions, the echo amplitude is two times greater than that of the unipolar square wave pulse excitation, thus equivalent to that of the bipolar square wave pulse excitation.The method can improve the circuit performance of ultrasonic excitation, and provide the theoretical and experimental basis for the design of ultrasonic excitation system with high-performance and portable.

ultrasonic testing; Balanced Transformer Less structure; circuit performance

TB533

A

1000-3630(2015)-03-0279-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.018

2014-03-29;

2014-06-26

中国科学院科研装备研制项目(Y329011331)

安艳芳(1988－), 女, 吉林德惠人, 硕士研究生, 研究方向为超声探测。

廉国选, E-mail: lian@mail.ioa.ac.cn