一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，属于无损检测领域。SMA输入接口接收到的信号依次传递给巴伦1、初级功放模块和巴伦2；巴伦2同时传输给直流偏置电路1和直流偏置电路2；再分别经过功率管1和功率管2放大后传输给巴伦3和低通滤波电路模块；最后经由SMA输出接口输出；该功率放大器工作频率覆盖超声导波检测信号的最优频段，覆盖带宽宽，功率增益大，效率高，经过该功率放大器之后的超声导波信号可以满足激励信号检测要求，可以对更长的锚杆试件进行无损检测。

A Power Amplifier for Improving the Energy of Ultrasound Guided Wave Signal

The invention relates to a power amplifier for improving the energy of ultrasonic guided wave signal, belonging to the field of non-destructive testing. The signals received by SMA input interface are transmitted to Balun 1, primary power amplifier module and Balun 2 in turn; Balun 2 is transmitted to DC bias circuit 1 and DC bias circuit 2 at the same time; then amplified by power transistor 1 and power 2 respectively, and transmitted to Balun 3 and low pass filter circuit module; finally output through SMA output interface; the working frequency of the power amplifier covers the ultrasonic guided wave detection signal. The optimal frequency band has wide coverage bandwidth, high power gain and high efficiency. The ultrasonic guided wave signal after the power amplifier can meet the requirements of excitation signal detection, and can be used for nondestructive testing of longer bolt specimens.

【技术实现步骤摘要】
一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器
本专利技术涉及一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，属于无损检测领域。
技术介绍
在交通运输、隧道施工等关键领域，锚杆锚固技术已广泛应用在各类岩土工程中，且已成为各种矿山、公路、铁路以及地下工程隧道等边坡护理的重要手段，在工程应用上，锚杆的锚固质量的好坏直接关系到项目的实施进程，因此对锚杆锚固质量进行检测显得尤为重要。在选用超声导波无损检测技术对锚杆锚固质量进行检测的过程中，当待测锚杆试件长度过长时，由于超声导波激励信号相对微弱，且导波在锚杆内部传播时存在衰减，造成部分反射回波信号无法完整呈现锚杆内部结构信息，不能对锚杆质量进行合理评估。因此需要对激励信号进行功率放大，增大信号能量，使放大后的信号满足超声导波检测要求，并在待测试件中传播更远的距离，从而更加充分的反应待测试件内部结构信息。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决对锚杆锚固质量进行无损检测过程中，激励信号功率不足导致的超声导波在锚杆中传输距离太短的问题，提出一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器。该功率放大器工作频率覆盖超声导波检测信号的最优频段，覆盖带宽宽，功率增益大，效率高，经过该功率放大器之后的超声导波信号可以满足激励信号检测要求，可以对更长的锚杆试件进行无损检测。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，包括电源模块、SMA输入接口、巴伦1、初级功放模块、巴伦2、次级功放模块、巴伦3、低通滤波电路模块和SMA输出接口。上述次级功放模块由直流偏置电路1、功率管1、直流偏置电路2和功率管2组成；SMA输入接口接收到的信号依次传递给巴伦1、初级功放模块和巴伦2；巴伦2同时传输给直流偏置电路1和直流偏置电路2；再分别经过功率管1和功率管2放大后传输给巴伦3和低通滤波电路模块；最后经由SMA输出接口输出；其中，电源模块为整个电路结构中的各电子元器件供电，根据不同元器件的供电需求不同，主要提供12V、5V和3.3V三种电压。SMA输入接口作为激励信号的连接端，用来将前级发射出来的微弱激励信号传递到后续的电路结构中去，起到接收输入信号的作用。巴伦1是一个4:1的输入变压器，采用线圈耦合的方式制作，用来调节信号的输入阻抗。初级功率放大电路以2SC1971高频放大管为核心，通过12V的电源为该高频放大管提供直流偏置电压，2SC1971高频放大管工作在A类放大状态，整个初级功率放大电路起到一个前置放大的作用，用来推动后续电路正常工作，减少非线性失真。巴伦2是一个9:1的变压器，采用线圈耦合的方式制作，相当于一个不平衡—平衡转换器，用于将单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的平衡信号。次级功放模块以两个N沟道的MOSFET场效应管IRF530为核心，构成互补对称式AB类功率放大电路结构，通过前面的不平衡—平衡转换器，单端信号被分成两路对称式的双端信号，这两路信号分别经由电容、电阻以及高频扼流线圈组成的电路结构之后，通过工作在AB类偏置状态的两个场效应管IRF530进行次级功率放大，能够同时满足转换效率高和非线性失真小的要求。巴伦3是一个1:4的变压器，同样采用线圈耦合的方式制作，它相当于一个平衡—不平衡转换器，将经过次级功率放大器放大后的功率相等、相位相反的双端平衡信号转换成单端不平衡信号，以便于低通滤波电路的处理。低通滤波电路模块由LC结构构成，用来对经过两级功放电路放大后的信号进行低通过滤处理，以确保5MHz以上的高频信号被滤除。SMA输出接口作为激励信号的输出端，用来将整个功率放大器放大后的激励信号传递到后续的电路结构中去，以便于之后无损检测工作的顺利进行，为输出信号提供一个接口。下面对该功率放大器的初级功放模块和次级功放模块的电路元器件组成及连接关系进行详细介绍。初级功放模块包括：电容C8、电容C9、电容C10、电容C13、电阻R5、电阻R9、电阻R11、电阻R13、电阻R17、电阻R18和2SC1971高频放大管；电阻R5、电阻R11和电阻R13依次连接；电容C8并联到电阻R5和电阻R11之间；电容C10并联到电阻R11和电阻R13之间；电阻R17、电阻R18和电容C13并联后和2SC1971高频放大管的发射极连接，同时另一端接地；电容C9和电阻R9串联到2SC1971高频放大管的集电极和基极之间；电容C8和电阻R13一端接地。次级功放模块包括：滑动变阻器RV1、RV2、电容C4、电容C5、电容C17、电容C31、电容C32、电容C42、电容C43、高频扼流圈L5、高频扼流圈L6、场效应管Q1、场效应管Q4、电阻R3、电阻R8、电阻R12、电阻R14、电阻R19和电阻R20；电阻R8电阻R14并联在巴伦2的输出端；电容C31和电容C42串联在巴伦2和场效应管Q1的漏级之间；电容C42和电阻R12并联；电阻R3、电容C5、电容C42和电阻R12共同连接到场效应管Q1的漏级和栅极之间；电容C32和电容C43串联在巴伦2和场效应管Q4的漏级之间；电容C43和电阻R20并联；电阻R19、电容C17、电容C43和电阻R20共同连接到场效应管Q4的漏级和栅极之间；高频扼流圈L5连接在电容C17和滑动变阻器RV1之间；高频扼流圈L6连接在电容C5和滑动变阻器RV2之间；电容C4并联在场效应管Q1的漏级和场效应管Q4的漏级之间；场效应管Q1和场效应管Q4并联，源级接地。本功率放大器的具体工作过程是：将需要放大的超声导波激励信号通过导线连接到功率放大器的SMA输入接口，当功率放大器接通电源后便立刻开始工作，超声导波激励信号首先经过耦合电容C12进行隔直流通交流的处理，之后信号接入一个π型RC滤波器，用来过滤原始激励信号中的多余谐波分量，紧接着通过一个4:1的输入变压器T1调节输入阻抗，与工作在A类放大状态的2SC1971相连，通过初级功放电路的放大，输入信号功率增益为20dB，同时减小了输入信号的非线性失真。信号经过初级功率放大电路之后，与一个9:1的变压器(不平衡—平衡转换器)T2相连，把单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的双端平衡信号，之后通过互补对称的电容、高频扼流线圈、可变电阻等元器件组成的电路结构的作用，与工作在AB类放大状态的两个场效应管IRF530相连，完成次级功率放大，次级功率放大同时满足效率高和非线性失真小的要求，功率增益达到15dB。信号经过次级功率放大电路之后，与一个1:4的变压器(平衡—不平衡转换器)T3相连，将功率相等、相位相反的平衡信号转换成单端不平衡的信号，紧接着通过一个LPF低通滤波器，滤掉信号中的高频杂波部分，最后连接到一个SMA插座，将放大后的信号输出，从而完成整个功率放大过程。有益效果本设计在能够满足特定功率增益要求的同时，所选用的元器件的成本十分低廉，最终放大效果明显，放大信号的工作频率覆盖到0-5MHz，且电路前后级设计灵活，可根据不同的设计需求选择单独封装成功率放大器，或者作为其他系统级电路结构的一部分完成功率放大的功能作用，可以应用于多种不同的测试场合。附图说明图1为本专利技术的功率放大电路的整体结构框图；图2为本专利技术的初级功率放大部分的电路原理图；图3为本专利技术的次级功率放大部分的电路原理图；图4为本专利技术的后级滤波部分的电路原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，其特征在于：包括电源模块、SMA输入接口、巴伦1、初级功放模块、巴伦2、次级功放模块、巴伦3、低通滤波电路模块和SMA输出接口；所述次级功放模块由直流偏置电路1、功率管1、直流偏置电路2和功率管2组成；SMA输入接口接收到的信号依次传递给巴伦1、初级功放模块和巴伦2；巴伦2同时传输给直流偏置电路1和直流偏置电路2；再分别经过功率管1和功率管2放大后传输给巴伦3和低通滤波电路模块；最后经由SMA输出接口输出；其中，电源模块为整个电路结构中的各电子元器件供电；SMA输入接口作为激励信号的连接端，用来将前级发射出来的微弱激励信号传递到后续的电路结构中去，起到接收输入信号的作用；巴伦1是一个4:1的输入变压器，采用线圈耦合的方式制作，用来调节信号的输入阻抗；初级功率放大电路以2SC1971高频放大管为核心，通过12V的电源为该高频放大管提供直流偏置电压，2SC1971高频放大管工作在A类放大状态，整个初级功率放大电路起到一个前置放大的作用，用来推动后续电路正常工作，减少非线性失真；巴伦2是一个9:1的变压器，采用线圈耦合的方式制作，相当于一个不平衡—平衡转换器，用于将单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的平衡信号；次级功放模块以两个N沟道的MOSFET场效应管IRF530为核心，构成互补对称式AB类功率放大电路结构，通过前面的不平衡—平衡转换器，单端信号被分成两路对称式的双端信号，这两路信号分别经由电容、电阻以及高频扼流线圈组成的电路结构之后，通过工作在AB类偏置状态的两个场效应管IRF530进行次级功率放大，能够同时满足转换效率高和非线性失真小的要求；巴伦3是一个1:4的变压器，同样采用线圈耦合的方式制作，相当于一个平衡—不平衡转换器，将经过次级功率放大器放大后的功率相等、相位相反的双端平衡信号转换成单端不平衡信号，以便于低通滤波电路的处理；低通滤波电路模块由LC结构构成，用来对经过两级功放电路放大后的信号进行低通过滤处理，以确保5MHz以上的高频信号被滤除；SMA输出接口作为激励信号的输出端，用来将整个功率放大器放大后的激励信号传递到后续的电路结构中去，以便于之后无损检测工作的顺利进行，为输出信号提供一个接口。...

【技术特征摘要】
1.一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，其特征在于：包括电源模块、SMA输入接口、巴伦1、初级功放模块、巴伦2、次级功放模块、巴伦3、低通滤波电路模块和SMA输出接口；所述次级功放模块由直流偏置电路1、功率管1、直流偏置电路2和功率管2组成；SMA输入接口接收到的信号依次传递给巴伦1、初级功放模块和巴伦2；巴伦2同时传输给直流偏置电路1和直流偏置电路2；再分别经过功率管1和功率管2放大后传输给巴伦3和低通滤波电路模块；最后经由SMA输出接口输出；其中，电源模块为整个电路结构中的各电子元器件供电；SMA输入接口作为激励信号的连接端，用来将前级发射出来的微弱激励信号传递到后续的电路结构中去，起到接收输入信号的作用；巴伦1是一个4:1的输入变压器，采用线圈耦合的方式制作，用来调节信号的输入阻抗；初级功率放大电路以2SC1971高频放大管为核心，通过12V的电源为该高频放大管提供直流偏置电压，2SC1971高频放大管工作在A类放大状态，整个初级功率放大电路起到一个前置放大的作用，用来推动后续电路正常工作，减少非线性失真；巴伦2是一个9:1的变压器，采用线圈耦合的方式制作，相当于一个不平衡—平衡转换器，用于将单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的平衡信号；次级功放模块以两个N沟道的MOSFET场效应管IRF530为核心，构成互补对称式AB类功率放大电路结构，通过前面的不平衡—平衡转换器，单端信号被分成两路对称式的双端信号，这两路信号分别经由电容、电阻以及高频扼流线圈组成的电路结构之后，通过工作在AB类偏置状态的两个场效应管IRF530进行次级功率放大，能够同时满足转换效率高和非线性失真小的要求；巴伦3是一个1:4的变压器，同样采用线圈耦合的方式制作，相当于一个平衡—不平衡转换器，将经过次级功率放大器放大后的功率相等、相位相反的双端平衡信号转换成单端不平衡信号，以便于低通滤波电路的处理；低通滤波电路模块由LC结构构成，用来对经过两级功放电路放大后的信号进行低通过滤处理，以确保5MHz以上的高频信号被滤除；SMA输出接口作为激励信号的输出端，用来将整个功率放大器放大后的激励信号传递到后续的电路结构中去，以便于之后无损检测工作的顺利进行，为输出信号提供一个接口。2.如权利要求1所述的一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，其特征在于：所述初级功放模块包括：电容C8、电容C9、电容C10、电容C13、电阻R5、电阻R9、电阻R11、电阻R13、电阻R17、电阻R18和2SC1971高频放大管；电阻R5、电阻R11和电阻R13依次连接；电容C8并联到电阻R5和电阻R11之间；电容C10并联...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成，樊岩，何文，徐文龙，张昌锁，赵俊明，孙雁新，
申请(专利权)人：北京理工大学，江西理工大学，太原理工大学，西山煤电集团山西支护器材开发有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11