楊兆飛

(中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)研究所，山西太原030051)

0 引言

超聲波是一種頻率超過20kHz的機(jī)械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?，即反射、折射、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大的能量，并且在不同的媒質(zhì)界面，超聲波的大部分能量會被反射。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比，其最大的特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，通過反射波或透射波來了解被測物體的內(nèi)部情況［1］。

超聲探傷系統(tǒng)就是根據(jù)超聲波的特性研制的能夠發(fā)射和接收超聲波的完整系統(tǒng)，早期使用的探傷儀有CTS－22A等，隨著數(shù)字技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的超聲波探傷模擬電路正在逐漸被數(shù)字超聲波系統(tǒng)所代替。

1 數(shù)字超聲系統(tǒng)構(gòu)成

在傳統(tǒng)的超聲探傷儀圖1中，為了使超聲探傷儀各部分按一定規(guī)律工作，通過同步電路產(chǎn)生等時間間隔的同步脈沖來控制。同步脈沖觸發(fā)發(fā)射電路，產(chǎn)生高壓電脈沖，后者加到超聲換能器上，激發(fā)超聲脈沖，這就是超聲系統(tǒng)中的發(fā)射電路。高壓脈沖和超聲脈沖轉(zhuǎn)換回來的微弱電脈沖一起，加到限幅電路上，這樣微弱的超聲脈沖就能通過電路而不讓高壓脈沖通過，用以保護(hù)放大器不被高壓電脈沖燒毀［2］。經(jīng)過放大器、檢波器和視頻放大器后，信號幅度可達(dá)數(shù)十伏，加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上。另一方面，同步電路發(fā)出的同步脈沖觸發(fā)水平掃描電路，在示波管上形成時基線。兩者共同作用形成常見的A型顯示。

圖1 模擬超聲波探傷儀

數(shù)字超聲探傷儀框圖如圖2。從圖中可以看出模擬超聲波探傷儀中的同步電路、水平掃描電路、示波管、檢波器和視頻放大器等部分不見了，而用微處理器、顯示器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等代替。超聲發(fā)射電路、限幅電路和放大器都不變。發(fā)射電路、限幅電路和放大器的功能與模擬探傷儀相同，但隨著大規(guī)模的集成芯片出現(xiàn)，逐漸用信號調(diào)理電路完成信號放大的作用，此電路就是超聲接收電路。信號放大后輸出的信號傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，微處理器將這些數(shù)字信號處理后交顯示器顯示。

圖2 數(shù)字超聲波探傷儀

2 接收電路的改進(jìn)

接收電路模塊的主要任務(wù)就是把從探頭接收回來的波形進(jìn)行放大，以便被AD接收。由于接收回來的信號是小信號，在微伏的數(shù)量級，里面會夾雜有大量的噪聲，所以信號需要進(jìn)行限幅、放大、濾波等。圖3為接收模塊的整體框圖。

圖3 接收模塊整體框圖

2.1 限幅電路

本系統(tǒng)的設(shè)計采用發(fā)射接收一體的工作方式，當(dāng)激勵脈沖加載在換能器上時，同時也輸入到了接收模塊中。這樣，接收模塊中就有微伏級的回波信號，同時也有幾百伏的發(fā)射脈沖信號，這樣的信號若要直接加到放大器兩端，不對此信號進(jìn)行限幅，很容易損壞接收電路中的芯片，而且會增加阻塞時間，使得正確的缺陷回波信號不能被接收。所以，為了接收電路的安全同時也為了提高檢測的精度，必須采用限幅電路［3］。

限幅電路有兩種類型:一類是并聯(lián)限幅電路，另一類是串聯(lián)限幅電路，這兩類電路都是利用二極管的開關(guān)特性將從接收端收到的信號幅度限制在一定的范圍內(nèi)，起到對接收模塊輸入端的保護(hù)作用。這兩種隔離效果基本相同，并聯(lián)限幅電路比串聯(lián)電路相對簡單，不需要額外的直流電壓源。在實際的電路中，正向和反向的二極管各有兩個，這里的設(shè)計是由于后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓是從0.4V～1.4V變化，所以設(shè)置隔離電路的通過電壓為1.4V左右，這樣就不會造成信號的失真。當(dāng)換能器上信號較小時，信號將通過限幅電路到后續(xù)放大器中;當(dāng)換能器上有較大電壓時，二極管導(dǎo)通接地，高壓就不會進(jìn)入接收電路。

2.2 阻抗匹配

超聲換能器的壓電晶片的輸出阻抗高，其物理意義是能輸出的信號電流小，接收電路部分的輸入阻抗小，也就是能輸入的電流大，那么輸入的信號電壓就大大小于壓電晶片空載時的輸出電壓。所以應(yīng)該使接收電路的輸入阻抗大于壓電晶片的輸出阻抗，這樣獲得的輸入信號電壓就基本上等于超聲換能器壓電晶片的空載輸出信號電壓，這樣的電壓損失小。所以在程控放大前應(yīng)加入阻抗匹配電路，阻抗匹配電路要有高輸入阻抗和低輸出阻抗。低輸出阻抗的設(shè)計是為了抑制噪聲，噪聲源一般都是通過一些特殊路徑進(jìn)入電路，比如導(dǎo)線間的電容耦合或者電磁耦合等，它們的輸出阻抗比較高，也就是說噪聲的電流比較小，如果后級的程控放大器是低輸入阻抗，那么要求輸入的信號電流比較大，而噪聲電流比較小，所以送入程控放大器中的噪聲信號幅值就大大降低，所以超聲信號通過阻抗變換使得輸入阻抗變高，能夠獲得不失真的超聲信號;輸出阻抗變低，可以抑制噪聲源，這樣就可以提高系統(tǒng)的信噪比。

阻抗變換電路采用的是低噪聲運(yùn)算放大器，超聲波接收信號從正輸入端進(jìn)入，是為了增加輸入阻抗。阻抗變換沒有對信號進(jìn)行放大，只將高輸入阻抗變換為低輸出阻抗，提供給后續(xù)的程控放大電路。

阻抗匹配電路有兩種形式，一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出電壓)成正比，不過要受電纜長度的影響;另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比，且與電纜長度無關(guān)，還具有很寬的頻率響應(yīng)。

在電荷放大器中，由于采用電容負(fù)反饋，對直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路，零漂較大。為了減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，通常在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻 Rf(約108Ω～1010Ω)，以提供直流反饋，改善低頻響應(yīng)。

電荷放大器的下限截止頻率為:

若選取，Rf=1010Ω，Cf=104pF

由此可見，電荷放大器在適當(dāng)選取Rf和Cf之后，低端截止頻律幾乎接近于零。也就是說，配用電荷放大器時低頻響應(yīng)好，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)參數(shù)測量。

2.3 程控放大電路

當(dāng)超聲回波信號經(jīng)過阻抗匹配電路后，就需要進(jìn)入可變增益放大電路(程控放大)環(huán)節(jié)，該電路可調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體的動態(tài)范圍。設(shè)置該環(huán)節(jié)對于探傷有著重要的意義，因為不同材料對超聲脈沖波的衰減系數(shù)不同，并且同材料的工件在不同的厚度有不同的聲壓，所以探頭接收到的信號強(qiáng)弱不一樣，即反射回來的超聲波的波高并不相等。若只設(shè)置固定的前置放大倍數(shù)，在各種不同的情況下，就無法根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)放大倍數(shù)至所需狀態(tài)。這樣就可根據(jù)不同類型的工件來選擇合適的放大倍數(shù)。

放大也不是說無限制的放大信號，需要滿足一定的要求。如前面擬定指標(biāo)中提到了放大倍數(shù)也即增益，就是說要把接收回的超聲波信號進(jìn)行放大，放大多少倍是由輸入的信號和A/D采集芯片的輸入電壓來決定的。A/D芯片的輸入電壓范圍在0.4V～1.4V，接收回的超聲波信號在微伏級別，以50uV放大到1.4V為例，數(shù)字式超聲波檢測儀器的放大接收電路需要放大28000倍約88dB，所以一般設(shè)計增益放大倍數(shù)設(shè)定在80dB左右，這樣的設(shè)計就能夠滿足后續(xù)A/D采樣的伏值。

放大器的選擇還需要有足夠大的帶寬。有文獻(xiàn)中指出設(shè)計接收電路時帶寬的設(shè)計為回波信號中心頻率的5～8倍，通常用的最大的超聲頻率是5MHz，那么40 MHz的帶寬就已經(jīng)能夠滿足設(shè)計的需要，同時放大器必須要有較好的擺率等特性。

AD603是一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片，它是美國ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為275V/μs［4］。由于數(shù)字超聲探傷儀要求的增益在80dB以上，所以一片AD603的增益范圍達(dá)不到要求，需要兩片AD603進(jìn)行級聯(lián)。AD603有三種級聯(lián)方式:順序級聯(lián)方式(高信噪比級聯(lián)方式)、并聯(lián)控制方式、低增益波動方式(最小增益誤差方式)。這三種級聯(lián)方式都可滿足探傷儀的增益要求，因為儀器要求有高信噪比，所以采用第一種的順序級聯(lián)方式，增益控制電壓Vc電壓從0V～2V，增益調(diào)節(jié)可達(dá)60dB。有文獻(xiàn)指出，這種級聯(lián)方式的增益誤差較大，不能滿足儀器線性誤差小于3%的要求，需要采用最小增益誤差級聯(lián)方式，在5和7管腳接一個2.2k的電阻，VG1電壓調(diào)為0.473V，VG2電壓調(diào)為0.528V，即電壓差為75mV時，儀器的線性誤差最小，增益控制電壓為0V～1V。

當(dāng)輸入電壓為0V時，VG1=0－0.473= －0.473V，在 VG范圍內(nèi)，所以第一級的增益是G1=40*(－0.473)+20=1.08dB;VG2=0 －0.548= －0.548V，不在 VG范圍內(nèi)，所以第二級的增益是 G2= －42.14dB+31.07dB= －10.44dB;則總體的增益為 G=G1+G2=1.08 －10.44= －9.36dB

當(dāng)輸入電壓為0.5V 時，VG1=0.500 －0.473= －0.027V，在VG范圍內(nèi)，所以第一級的增益是G1=40*(0.027)+20=21.08dB;VG2=0.5 －0.548= －0.048v，在 VG范圍內(nèi)，所以第二級的增益是G2=40*(－0.048)+20=18.08dB;則總體的增益為 G=G1+G2=21.08+18.08=39.16dB

當(dāng)輸入電壓為1V時，VG1=1－0.473=0.527V，不在 VG范圍內(nèi)，所以第一級的增益是G1=0+31.07=31.07dB;VG2=1－0.548=0.452V，在 VG范圍內(nèi)，所以第二級的增益是G2=40*(0.452)+20=38.08dB;則總體的增益為 G=G1+G2=31.07+38.08=69.15dB

實際的仿真過程中，控制電壓為0.5V，輸入信號電壓為28.929mV，輸出信號電壓為 2.279V，放大增益為 G=20*，同上面討論的 39.16dB 相差不大，說明理論和仿真結(jié)果吻合。

2.4 濾波器

濾波器在接收通道的作用是濾去超聲信號頻率帶寬以外的信號，比如噪聲，以提高超聲接收信號的信噪比。由于系統(tǒng)中涉及到1－5MHz的帶寬，所以選用帶通濾波器(也叫抗混疊濾波器)。濾波器分為無源濾波器和有源濾波器，無源濾波器是由電阻、電容和電感構(gòu)成;有源濾波器采用了有源器件，例如晶體管和集成運(yùn)算放大器;無源濾波器只需要搭建相應(yīng)的阻容網(wǎng)絡(luò)，占地面積小，但無源二階帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q太低，Q是衡量帶通濾波器的頻率選擇能力的重要指標(biāo)，故無源帶通濾波器的頻率選擇性差;所以這里選擇使用有源帶通濾波器，它的作用是對超聲接收放大信號進(jìn)行濾波，抑制信號中的高、低頻噪聲，并起到抗混疊作用，然后送入差分模塊。

2.5 差分模塊

AD的輸入可以是差分方式輸入，差分方式就是實現(xiàn)將單端輸入變成差分輸出，這種功能在現(xiàn)代高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中是非常有用的。單端輸入實現(xiàn)簡單，但性能相對較差。相比較，后者雖然實現(xiàn)較為復(fù)雜，但可提供最佳的總諧波失真和無雜波失真動態(tài)范圍。所以絕大多數(shù)的高速A/D芯片都需要模擬信號為差分輸入。如果采用單端輸入，必然會使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的二次諧波增大，降低信噪比SNR。因此，系統(tǒng)設(shè)計采用差分輸入方式。

3 仿真結(jié)果

圖4 超聲數(shù)字系統(tǒng)接收電路仿真

仿真中輸入的信號為2.5M，50mV的正弦波，在示波器中為綠色的線，信號經(jīng)過限幅電路、阻抗匹配電路、程控放大電路和差分電路送入到AD中。從差分電路看到的仿真信號結(jié)果圖5中可以看出接收電路能夠很好地把微小信號進(jìn)行預(yù)期的放大。

圖5 輸出、輸出仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文首先對傳統(tǒng)的超聲探傷儀與數(shù)字超聲系統(tǒng)做了比較，介紹了數(shù)字超聲系統(tǒng)，然后對現(xiàn)有的接收電路進(jìn)行了改進(jìn)，介紹并分析了接收電路的每一模塊的構(gòu)成，尤其是對阻抗匹配和程控放大部分作了詳細(xì)的介紹。從實驗的結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的接收電路模塊放大性能好，可控性高，能夠為后續(xù)的AD轉(zhuǎn)換電路提供良好的信號。

［1］陳春生.鋼軌探傷工程［M］.北京:中國鐵道出版社，1996.

［2］郭成彬，蔣危平.認(rèn)識數(shù)字超聲探傷儀［J］.無損檢測，2004，26(3):149 －158.

［3］廖強(qiáng).數(shù)字化超聲波探傷儀的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.重慶:重慶大學(xué)，2009.

［4］曾繁政，黃河.基于AD603的可控直流寬帶放大器［J］.大眾科技，2010(4):40 －41.

［5］Trimborn N.The Time－of－Flight－Diffraction－Technique，The e－Journal of Nondestructive Testing＆ Ultrasonics［J］.Issue，1997，2:9.

［6］Lawson S，Parker GA.Automatic Detection of Defects in Industrial Ultrasound Images Using a Neural Network［J］.Proc.of SPIE，1996，2786:37 －47.