超聲波發(fā)射與控制電路研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高溫、高壓、高速和高負(fù)荷已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要標(biāo)志，但它的實(shí)現(xiàn)是建立在材料高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的，為確保這種優(yōu)異的質(zhì)量，必須采用不破壞產(chǎn)品原來(lái)的形狀、不改變其使用性能的檢測(cè)方法，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行百分之百地檢測(cè)，以確保其可靠性和安全性，這種技術(shù)就是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

超聲波檢測(cè)在無(wú)損檢測(cè)中占據(jù)著主要地位，廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬材料以及醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域。近年來(lái)以微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)飛速發(fā)展，超聲無(wú)損檢測(cè)儀器也得到了前所未有的發(fā)展動(dòng)力，為了提高檢測(cè)的可靠性和提高檢測(cè)效率，研制數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、圖像化的超聲儀是當(dāng)今無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。而傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)儀存在準(zhǔn)確性差、精度低、體積大、功耗大、人機(jī)界面不友好等問(wèn)題。而超聲波發(fā)射與控制電路正是在一種基于ARM的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以ARM微控制器為核心，使用C語(yǔ)言編程，方便地實(shí)現(xiàn)了發(fā)射頻率與激勵(lì)電壓脈沖幅度的調(diào)節(jié)。

1 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

基于ARM超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由3部分組成：超聲波前端發(fā)射接收電路、DSP和ARM處理器。

超聲波前端發(fā)射電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵(lì)脈沖電壓和重復(fù)頻率可調(diào)的超聲波。接收電路首先將反射回來(lái)的微弱信號(hào)經(jīng)放大、濾波等電路處理，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并將采集的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖FIF0送入DSP。

DSP接收由A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)FIF0緩沖后的數(shù)據(jù)，主要完成計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的信號(hào)處理算法，提高超聲探傷儀器的精度和數(shù)據(jù)處理能力。

ARM處理器主要完成兩部分功能：一是控制功能，調(diào)節(jié)激勵(lì)脈沖的寬度和重復(fù)頻率以及放大電路的放大倍數(shù)；二是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)以及和外部的通信等功能。ARM微處理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微處理器S3C2440A。其內(nèi)核頻率最高為400MHz，功耗低，體積小，集成外設(shè)多，數(shù)據(jù)處理能力好，因而可廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備等。

2 超聲波發(fā)射電路

根據(jù)被測(cè)件的材料、厚度等不同條件，所需的相應(yīng)超聲波探頭的頻率、發(fā)射電壓也不同。發(fā)射的超聲波頻率一般為幾MHz，高壓激勵(lì)脈沖一般為幾十到幾百伏，脈沖的上升時(shí)間不超過(guò)100ns。根據(jù)頻譜分析，激勵(lì)脈沖寬度探頭頻率之間存在著最佳關(guān)系式，當(dāng)脈沖寬度滿足這一關(guān)系式時(shí)，接收探頭的接收信號(hào)質(zhì)量最好。該關(guān)系式即為：

式中，f0為探頭頻率，2a為脈沖寬度。本設(shè)計(jì)所選探頭頻率為2.5MHz，由式(1)確定的脈沖寬度為600ns，所以放電時(shí)間應(yīng)盡量控制在600ns。

超聲波探傷法的種類(lèi)很多，實(shí)際運(yùn)用中，大部分選用脈沖反射法，其發(fā)射電路多選用非調(diào)諧式，超聲波發(fā)射電路如圖2所示。電路由可調(diào)高壓電源、電阻R1和R2、能量存儲(chǔ)電容C、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ、快速恢復(fù)型二極管VD1、VD2和探頭組成，設(shè)二極管等效電阻為R3，開(kāi)關(guān)等效電阻為R4。ARM微處理器的PWM模塊產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的脈沖，經(jīng)IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路后送入開(kāi)關(guān)管VQ的柵極形成控制脈沖V1。當(dāng)V1為負(fù)脈沖時(shí)，IGBT關(guān)斷，高壓電源通過(guò)R1、VD2對(duì)電容C充電，充電時(shí)間常數(shù)為τ1=C(R1+R3)。當(dāng)t>5τ1時(shí)，認(rèn)為電容C充滿。當(dāng)V1為正脈沖時(shí)，IGBT開(kāi)通，電容C通過(guò)開(kāi)關(guān)管VQ、R2和二極管VD1對(duì)探頭放電，放電時(shí)間常數(shù)為τl=C(R2+R3+R4)。超聲波探頭收到高壓負(fù)脈沖的激勵(lì)后便產(chǎn)生一定頻率的超聲波。

電路中元件作用：

1)電阻R1用來(lái)限制充電時(shí)高壓電源對(duì)電容C的充電電流，即起到限流作用，并減小發(fā)射單元工作時(shí)對(duì)電源的影響，從這點(diǎn)考慮，要求電阻R1阻值越大越好。另一方面，電路的重復(fù)頻率f較高，為了使電容C在觸發(fā)前能充滿電，就必須滿足CR11/5f。所以要選擇合適的電阻R1的阻值。

2)電阻R2有2個(gè)作用：一是調(diào)節(jié)放電時(shí)間和發(fā)射功率，二是作為阻尼電阻，調(diào)節(jié)超聲脈沖寬度。R2的阻值越小，發(fā)射功率越小，發(fā)射脈沖越窄；R2阻值越大，發(fā)射功率越大，發(fā)射脈沖越寬。

3)快速恢復(fù)型二極管Vd1、Vd2濾去充電脈沖，使A點(diǎn)只有放電時(shí)的負(fù)電壓激勵(lì)脈沖。

充電時(shí)，電流i與電壓UR的關(guān)系式如式(2)～式(3)所示。

所研制的電路板可激發(fā)探頭產(chǎn)生0.5～10MHz的超聲波，激勵(lì)脈沖電壓最高可達(dá)830V，脈沖的上升時(shí)間小于50ns。

3 基于ARM的PWM脈沖的產(chǎn)生

ARM嵌入式處理器是具有極低功耗、極低成本的高性能處理器，運(yùn)算速度快、精度高，而且便于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植，真正成為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)嵌PWM脈沖模塊含4通道16位定時(shí)器，占空比、頻率、極性可編程，且具有自動(dòng)重載和雙緩沖功能。主頻FCLK最高達(dá)400M-Hz，APB總線設(shè)備使用的PCLK最高達(dá)68 MHz。具體過(guò)程為：首先，開(kāi)啟自動(dòng)重載功能，對(duì)PWM脈沖的各個(gè)參數(shù)通過(guò)PWM寄存器進(jìn)行設(shè)置，如定時(shí)器配置寄存器(TCFGn)，定時(shí)器控制寄存器(TCON)，定時(shí)器計(jì)數(shù)緩存寄存器(TCNTBn)，定時(shí)器比較緩存寄存器(TCMPBn)，定時(shí)器計(jì)數(shù)觀察計(jì)數(shù)器(TCNTOn)等的設(shè)置。其次，設(shè)置相應(yīng)定時(shí)器的手動(dòng)更新位，然后設(shè)置開(kāi)始位，在等待時(shí)間后定時(shí)器開(kāi)始倒計(jì)數(shù)，當(dāng)TCNTn和TCMPn的值相同時(shí)，TOUTn的邏輯電平由低變?yōu)楦?。?dāng)TCNTn為0，TCNTn用TCNTBn的值自動(dòng)重載。如果要重新設(shè)置TCNTn的初始值，則要執(zhí)行手動(dòng)更新。

通過(guò)使用TCMPBn來(lái)執(zhí)行PWM功能，PWM的頻率由TCNTBn來(lái)決定。雙緩沖功能允許對(duì)下個(gè)PWM周期在當(dāng)前PWM周期任意時(shí)間點(diǎn)由ISR或其他程序改寫(xiě)TCMPBn。

4 高壓電源及其控制

超聲波發(fā)射電路對(duì)激勵(lì)電壓脈沖要求較高，需要一定的幅值，而且脈沖寬度要求越小越好，且須有一定的發(fā)射功率，這決定了超聲波探傷的靈敏度，還關(guān)系到工件探傷的深度。如果要穿透較厚的工件，就需將較大的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率。發(fā)射功率為：

式中，uA0為電容放電時(shí)的瞬間電壓，C為電容容量，t為放電時(shí)間，為有效功率。

當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)確定后，放電時(shí)間和C即確定。所以加大發(fā)射電壓是提高發(fā)射功率的主要途徑，由放電電壓公式可知，除電路中的各個(gè)電阻影響外，高壓電源的電壓是一個(gè)主要因素。但電壓又不能太高，否則會(huì)使壓電晶片加速老化。一般發(fā)射電壓不超過(guò)1800V。

這里采用美國(guó)Ultravoh公司的高壓電源模塊。其中“V”系列的型號(hào)為1V12-P0.4電源模塊，能完全滿足該設(shè)計(jì)的需求，其輸入電壓為12V，輸出電壓為0～1000V，控制電壓為0～5V，功率為0.4W。低功耗、體積小、重量輕，并帶有輸出電壓監(jiān)測(cè)和自保護(hù)電路。高壓電源控制電路如圖3所示。

ARM微處理器輸出的控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可輸出0～5V的控制信號(hào)V2，相應(yīng)的高壓電源模塊即可輸出0～1000V的電壓。

5 仿真及分析

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)是否能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，對(duì)電路進(jìn)行軟件仿真。因?yàn)閠=5τ1，約為500μs時(shí)認(rèn)為充電電容充滿，所以把開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為1kH-z。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4中，高壓電源輸出為725V，R1=10kΩ，R2=100Ω，C=0.01μF，得到的激勵(lì)脈沖約為600V，寬度為600ns。此脈沖滿足本設(shè)計(jì)中超聲波頻率為2.5MHz時(shí)，探頭對(duì)激勵(lì)脈沖寬度的要求。

圖5中，當(dāng)高壓電源輸出最大為1000V，R1=10kΩ，R2=100Ω，C=0.01μF時(shí)，得到的激勵(lì)脈沖約為830V，寬度為600ns。

由于帶充電電阻器的高壓直流電源效率不是很高，所以激勵(lì)脈沖的電壓也不能達(dá)到高壓電源的電壓。通過(guò)ARM微處理器發(fā)射不同頻率和占空比的控制脈沖，可以控制發(fā)射電路發(fā)射寬度和重復(fù)頻率可調(diào)的激勵(lì)脈沖。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)發(fā)射電路工作原理以及各個(gè)元件作用的分析，得出了各個(gè)元件對(duì)超聲波所起的不同作用，以及ARM的PWM模塊如何對(duì)激勵(lì)脈沖寬度和重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)驗(yàn)證。該電路發(fā)射的超聲波功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率均可調(diào)。能滿足多種檢測(cè)需求。