一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元。该激励信号源单元的输出端与所述自适应高压脉冲发射单元的输入端连接，用于提供系统的激励信号；该自适应高压脉冲发射单元的输出端通过开关单元与该超声换能器和该回波接收电路与反馈单元的输入端连接；该回波接收电路与反馈单元的输出端与该数字信号处理单元的输入端连接；该数字信号处理单元的输出端与所述反馈控制单元的输入端连接。本发明专利技术可以提高发射信号的强度和接收信号的灵敏度，抑制噪声影响，并适应多种超声换能器的特性。

A high power adaptive ultrasonic pulse emission and nonlinear ultrasonic guided wave measurement device

【技术实现步骤摘要】
一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置
本专利技术涉及超声无损检测领域，具体公开了一种用于超声探伤的自适应反馈式高压驱动脉冲发射和非线性超声导波测量装置和一种基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法。
技术介绍
随着集成电路技术的不断发展，超声无损检测技术开始广泛应用于工业检测领域。但是在实际的应用场景中，仍面临一系列问题需要解决。一方面，超声波的发射功率不足限制了检测范围和检测精度。由于某些特殊的待测工业材料具有非常大的声阻抗，超声波难以穿透，并且超声波的衰减速度正比于频率，频率越高衰减速度越快。同时超声成像的纵向分辨率与超声频率成正比关系，如果需要改善超声检测效果就必须提高超声的频率。因此，在保证检测效果的前提下，想要提高待测材料的探测范围或者实现对声阻抗较大材料的更好检测，就需要提高超声波的发射功率。另一方面，非线性超声导波检测技术通过观测材料中的非线性效应可以实现微损伤(如分层、疲劳裂纹等)难题的检测，但材料的非线性效应产生的信号十分微弱，极易被噪声所掩盖。因此，实现对结构早期微损伤的检测，预测结构的性能变化需要解决于噪声中提取微弱非线性效应的问题。在传统的超声波发射电路中，超声换能器的两端分别连接两个反相输出的反相器输出端，实际上是将探头连接在由四个开关管组成的两个推挽输出电路之间。但是由于电源内阻及输出能力的制约，导致输出电压未达到电源电压，并且输出脉冲的上升沿不够陡峭，对换能器的驱动效果差。同时因反相器的负载能力有限，其主要应用在微小功率发射的超声波发射电路中，不能满足大功率发射的需求。另外的高压脉冲发射电路能够部分满足大功率发射的要求，其发射的超声波能量是取自超声发射芯片所提供的高压电脉冲。虽然集成度较高，但受限与当前集成电路的设计和工艺水平，芯片可承受的高压有限，进而导致电路输出功率有限。由于需要高压供电，因此超声发射芯片在整个硬件系统中比较脆弱，稍有不慎就会造成超声发射芯片烧毁，损失严重。同时超声发射芯片具有工作频率高时发热严重，功耗较大，使用寿命较短等的缺点，所以限制了超声发射电路的性能提升。还有的高压脉冲装置能够发送高压脉冲信号发送到超声换能器。发送的高压脉冲信号使超声换能器产生振动，从而产生声波。超声换能器的等效模型为LC谐振电路，激励换能器有可能产生上千伏的过冲电压。为避免该电压损坏电路元器件，同时减弱该高压脉冲信号产生的开关噪声对控制端信号的影响，需要设计隔离驱动单元，防止输出端信号耦合到驱动端，产生交叉影响导致输出驱动脉冲不稳定。传统的非线性超声导波检测方法中，在探测距离较长或者待测材料声阻抗较大的情况下，超声波信号的衰减严重，接收电路检测到的超声波信号非常微弱，信号往往被淹没在背景噪声中，使用传统的放大滤波方法无法检测或者信噪比较低。多谐波相敏检测技术利用有用信号与随机噪声在频率上不相干的特性来进行信号提取，同时采用多谐波检测结构可以就非线性超声导波信号中的不同频率成分进行针对性检测，在超声无损检测中应用多谐波相敏检测技术能够提高信噪比和检测精度。
技术实现思路
根据以上现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于激励超声换能器的带有隔离驱动单元的高压脉冲发射装置，旨在改善现有的超声发射电路发射功率不足和发射信号不稳定导致对换能器的驱动效果较差的问题。本专利技术的另一目的在于提供一种对非线性超声导波信号进行处理的基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波测量方法，旨在提高非线性超声导波信号检测的精度。为了解决上述问题，本专利技术按以下技术方案予以实现的：一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，用于对样品进行无损探伤，该非线性超声导波测量装置包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元；所述自适应高压脉冲发射单元通过开关单元的第一可控继电器与超声换能器连接，产生高压信号到所述超声换能器；所述超声换能器与待测试块通过耦合剂间接接触，用于发射大功率超声波至所述待测试块；所述超声换能器还通过所述开关单元的第二可控继电器连接至所述回波接收电路与反馈单元。所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接，用于采集所述超声换能器接收的来自所述待测试块的超声导波信号，并对所述超声导波信号进行信号调理和数字化。所述数字信号处理单元与所述反馈控制单元连接，用于对数字化的所述超声导波信号进行处理，计算及分析所述待测试块的弹性性能和结构特征，同时输出所述超声导波信号的幅度和频率信息至所述反馈控制单元。所述反馈控制单元与所述激励信号源单元连接，用于实现自适应反馈调整链路。进一步的，所述激励信号源单元包括高精度温度补偿型晶体振荡器参考源、振荡器频率上变频器、及脉冲生成器。进一步的，所述振荡器频率上变频器以所述温度补偿型晶体振荡器参考源为参考，产生高频参考时钟源，所述高频参考时钟源频率应不小于200MHz，用于产生足够时间精度的信号。进一步的，所述脉冲生成器以所述振荡器频率上变频器输出为参考时钟，通过现场可编程门阵列和嵌入式处理器进行控制，产生可调整重复频率和时间长度的第一控制信号和第二控制信号。所述自适应高压脉冲发射单元包括高压半桥驱动单元，高压隔离控制单元和高压脉冲发射单元。进一步的，所述高压半桥驱动单元包括高侧驱动单元和低侧驱动单元。进一步的，所述高侧驱动单元包括第一数字隔离器、第一死区时间控制单元和第一高压驱动单元，所述第一数字隔离器、所述第一死区时间控制单元和所述第一高压驱动单元沿传播方向依次连接；进一步的，所述第一数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第一控制信号输出端连接，用于隔离所述第一控制信号和所述第一死区时间控制单元。所述第一控制信号输出端用于输出所述第一控制信号；所述第一死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第一控制信号的第一同相信号和第一反相信号；所述第一高压驱动单元的高侧输入端与所述第一同相信号连接，所述第一高压驱动单元的低侧输入端与所述第一反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的高侧控制信号。进一步的，所述低侧驱动单元包括第二数字隔离器、第二死区时间控制单元和第二高压驱动单元，所述第二数字隔离器、所述第二死区时间控制单元和所述第二高压驱动单元沿传播方向依次连接；所述第二数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第二控制信号输出端连接，用于隔离所述第二控制信号和所述第二死区时间控制单元；所述第二控制信号输出端用于输出所述第二控制信号。进一步的，所述第二死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第二控制信号的第二同相信号和第二反相信号；所述第二高压驱动单元的高侧输入端与所述第二同相信号连接，所述第二高压驱动单元的低侧输入端与所述第二反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的低侧控制信号。进一步的，所述的高压隔离控制单元包括高侧隔离单元和低侧隔离单元。进一步的，所述高侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于其包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元，其中，/n所述激励信号源单元通过隔离单元与所述自适应高压脉冲发射单元连接，用于向所述自适应高压脉冲发射单元提供激励信号；/n所述自适应高压脉冲发射单元通过开关单元的第一可控继电器与超声换能器连接，产生高压信号到所述超声换能器；所述超声换能器与待测试块通过耦合剂间接接触，用于发射大功率超声波至所述待测试块；所述超声换能器还通过所述开关单元的第二可控继电器连接至所述回波接收电路与反馈单元；/n所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接,所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接，用于采集所述超声换能器接收的来自所述待测试块的超声导波信号，并对所述超声导波信号进行信号调理和数字化；/n所述数字信号处理单元与所述反馈控制单元连接，用于对数字化的所述超声导波信号进行处理，计算及分析所述待测试块的弹性性能和结构特征，同时输出所述超声导波信号的幅度和频率信息至所述反馈控制单元；/n所述反馈控制单元与所述激励信号源单元连接，用于实现自适应的反馈调整链路。/n...

【技术特征摘要】
1.一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于其包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元，其中，
所述激励信号源单元通过隔离单元与所述自适应高压脉冲发射单元连接，用于向所述自适应高压脉冲发射单元提供激励信号；
所述自适应高压脉冲发射单元通过开关单元的第一可控继电器与超声换能器连接，产生高压信号到所述超声换能器；所述超声换能器与待测试块通过耦合剂间接接触，用于发射大功率超声波至所述待测试块；所述超声换能器还通过所述开关单元的第二可控继电器连接至所述回波接收电路与反馈单元；
所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接,所述回波接收电路与反馈单元与所述数字信号处理单元连接，用于采集所述超声换能器接收的来自所述待测试块的超声导波信号，并对所述超声导波信号进行信号调理和数字化；
所述数字信号处理单元与所述反馈控制单元连接，用于对数字化的所述超声导波信号进行处理，计算及分析所述待测试块的弹性性能和结构特征，同时输出所述超声导波信号的幅度和频率信息至所述反馈控制单元；
所述反馈控制单元与所述激励信号源单元连接，用于实现自适应的反馈调整链路。


2.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述激励信号源单元包括高精度温度补偿型晶体振荡器参考源、振荡器频率上变频器、及脉冲生成器；
所述振荡器频率上变频器以所述温度补偿型晶体振荡器参考源为参考，产生高频参考时钟源，所述高频参考时钟源频率应不小于200MHz，用于产生足够时间精度的信号；
所述脉冲生成器以所述振荡器频率上变频器输出为参考时钟，通过现场可编程门阵列和嵌入式处理器进行控制，产生可调整重复频率和时间长度的第一控制信号和第二控制信号。


3.如权利要求1所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述自适应高压脉冲发射单元包括高压半桥驱动单元，高压隔离控制单元和高压脉冲发射单元；所述高压半桥驱动单元包括高侧驱动单元和低侧驱动单元；
所述高侧驱动单元包括第一数字隔离器、第一死区时间控制单元和第一高压驱动单元，所述第一数字隔离器、所述第一死区时间控制单元和所述第一高压驱动单元沿传播方向依次连接；
所述低侧驱动单元包括第二数字隔离器、第二死区时间控制单元和第二高压驱动单元，所述第二数字隔离器、所述第二死区时间控制单元和所述第二高压驱动单元沿传播方向依次连接；
所述第一数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第一控制信号输出端连接，用于隔离所述第一控制信号和所述第一死区时间控制单元。所述第一控制信号输出端用于输出所述第一控制信号；
所述第一死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第一控制信号的第一同相信号和第一反相信号；
所述第一高压驱动单元的高侧输入端与所述第一同相信号连接，所述第一高压驱动单元的低侧输入端与所述第一反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的高侧控制信号；
所述第二数字隔离器的输入端与所述激励信号源单元的第二控制信号输出端连接，用于隔离所述第二控制信号和所述第二死区时间控制单元；所述第二控制信号输出端用于输出所述第二控制信号；
所述第二死区时间控制单元，用于生成所述激励信号源单元输出的所述第二控制信号的第二同相信号和第二反相信号；
所述第二高压驱动单元的高侧输入端与所述第二同相信号连接，所述第二高压驱动单元的低侧输入端与所述第二反相信号连接，用于输出驱动高压脉冲发射单元的低侧控制信号。


4.如权利要求3所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述高压隔离控制单元包括高侧隔离控制单元和低侧隔离控制单元；
所述高侧隔离控制单元为一个单输入多输出隔离变压器，所述高侧隔离控制单元的输入端连接到所述第一高压驱动单元的高侧控制信号输出端，用于输出高侧驱动信号；所述高侧控制信号输出端用于输出高侧控制信号，受继电器控制输入到可控匝数的所述单输入多输出隔离变压器的原边线圈；
所述低侧隔离控制单元为一个1：1单输出变压器，所述低侧隔离单元的输入端连接到所述第二高压驱动单元的低侧控制信号输出端，用于输出低侧驱动信号；所述低侧控制信号输出端用于输出低制信号。


5.如权利要求3所述的大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其特征在于：所述高压脉冲发射单元包括高侧开关电路和低侧开关电路；
所述高侧开关电路为串联和并联的场效应管阵列，所述高侧开关电路的高侧驱动端各自连接到所述高侧隔离控制单元的高侧驱动信号输出端，所述高侧驱动信号输出端用于输出高侧驱动信号；
所述低侧开关电路的低侧驱动端连接到低侧驱动信号输出端，所述低侧驱动信号输出端用于输出低侧驱动信号。

【专利技术属性】
技术研发人员：王自鑫，张锡斌，陈弟虎，洪晓斌，蔡志岗，贾莲莲，孔庆钊，赵伟鸿，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44