[发明专利]脉冲超声波发射电路

说明书

技术领域：

本发明涉及一种参数可调脉冲超声波发射电路，该电路采用Boost升压原理和阻抗匹配 技术，可由低直流电压产生高压激励脉冲，从而发射脉冲超声波，属于工业超声无损检测应 用技术领域，用于低压直流电产生脉冲超声波的场合，超声波的幅值、中心频率和波形可以 根据需要进行调整。

背景技术：

超声波广泛应用于工业、农业及医学等领域，而超声波的产生一般需要高电压脉冲去激 励超声换能器，目前国内外产生高电压脉冲的方法主要有专用芯片、DC-DC模块及外部高压 模块等，前两种方法产生的激励电压一般较小，量值在几十伏，太小的激励电压会导致产生 的超声波能量小，在工业超声检测中会影响超声波的检测深度及检测灵敏度，所以，在工业 超声检测中一般采用第三种方法来产生高电压激励信号。根据资料(冯红亮，肖定国，徐春 广等，脉冲超声换能器激发/接收电路设计[J]，仪表技术与换能器，2003(11)：30-32)在工 业超声无损检测中，脉冲超声波的产生多采用电容式发射电路，激发超声换能器产生脉冲超 声波的电压脉冲信号主要通过引入外部升压模块对直流电压进行升压得到，即将直流电先转 换成交流电，再经过变压环节，将电压提升，然后通过电容充放电过程产生激发换能器所需 要的电压脉冲。这种方法尽管比较成熟，但实现环节多，造成电路复杂，成本显著提高，电 能利用效率低，功耗较大等不足，在阵列超声及嵌入式应用等对功耗要求苛刻的场合，问题 显得尤为突出。寻求低成本，低功耗，工作可靠稳定的解决方案无疑会对超声检测的发展带 来综合效益。

发明内容：

本发明中超声发射电路是基于电感的发射电路。通过电感元件的充放电过程可以直接产 生高压电脉冲。在合适位置接入超声换能器，即可实现超声发射。其升压原理为Boost升压 原理，但传统的Boost升压电路对换能器的性能参数影响较大，接入换能器后，实际升压效 果并不令人满意。本发明在研究Boost电路升压原理的基础上，将其作为脉冲产生环节引入 电路，针对其负载能力较弱，电压脉冲幅度受超声换能器影响较大，设计了阻抗匹配环节， 提高负载能力。

实现本发明目的的技术方案是：脉冲超声波发射电路，包括触发控制模块和脉冲产生模 块；

所述触发控制模块由触发端和内部电路组成，用于产生适合工业检测脉冲超声的控制信 号；

所述脉冲产生模块，由直流电源、Boost升压电路、阻抗匹配电路、MOS管驱动单元、 保护电路和超声换能器组成，用于产生高频、高压电脉冲信号以驱动超声换能器按要求发射 脉冲超声波信号；其中，所述直流电源提供最低5V供电，利用低直流电压可产生高电压脉 冲；所述Boost升压电路用于将高压电脉冲信号进一步升压；所述阻抗匹配电路用于提高电 路的负载能力，改善脉冲超声波形；所述MOS管驱动单元将触发控制信号拉高，以控制MOS 管导通与截止；所述MOS管控制充放电频率；所述保护电路用于控制电路中过大的电流和 充放电方向；所述超声换能器为工业无损检测用超声换能器，中心频率在1MHz到10MHz 之间。

上述电路中的各模块主要包括：

触发控制模块中，触发端可以包括外部触发端和内部触发端，外部触发端、内部触发端 和内部电路之间设有切换开关，切换开关用于选择外部触发端或内部触发端与内部电路导通， 外部触发端由用户自行选择输入触发信号的种类，内部触发端由电路内部产生触发信号，内 部触发信号参数可调；即触发控制模块有外部和内部两种触发模式，外部触发信号可由用户 自行选择，内部触发信号可由555自激多谐振荡器电路产生，两种模式可由开关SW₀手动切 换。当采用外部触发模式时，由接入外部控制脉冲输入引脚上的信号进行控制，此时该信号 可以是单片机、ARM或DSP等外部控制模块产生的负脉冲信号，从而满足更复杂灵活的控 制；当采用内部触发模式时，触发信号灵活多样，其频率和占空比可通过可变电阻RP₀和RP₁进行调节。触发控制信号经反相器N₀后得到需要的正脉冲，从而达到以同样周期重复发射脉 冲超声波的目的。

脉冲产生模块中：

直流电源可采用最低5V供电，利用低直流电压可产生高电压脉冲，其直流电压也可选 择30V以内的直流电压信号。

Boost升压电路由电感、电容和电阻组成，无负载升压可达400V以上，接入超声换能器 后脉冲电压可达100V以上；