0 引言

目前，超聲波發射電路設計方法眾多，其供電直流電壓一般較高，以產生幾十到幾百伏的超聲脈沖激發電信號。利用低的直流電壓產生高的電壓激發脈沖，不僅可以提高檢測靈敏度，增加檢測有效范圍，提高檢測信號的抗干擾能力，同時可以使得發射電路的體積減小，成本降低，便于儀器小型化。

超聲波檢測就是利用超聲波在金屬構件中傳播和反射的原理，以探測構件內部缺陷的大小、性質、位置以及材質的某些物理性能的方法。　超聲波檢測也叫超聲檢測、超聲波探傷，是無損檢測的一種。無損檢測是在不損壞工件或原材料工作狀態的前提下，對被檢驗不見的表面和內部質量進行檢查的一種檢測手段，Nondestructive Testing（縮寫NDT）。

超聲波的特點：
1、超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質中沿直線傳播，具有良好的指向性。
2、超聲波在介質中傳播過程中，會發生衰減和散射。
3、超聲波在異種介質的界面上將產生反射、折射和波型轉換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而達到探測缺陷的目的。
4、超聲波的能量比聲波大得多。
5、超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測深度大，由于超聲波在異質界面上會發生反射、折射等現象，尤其是不能通過氣體固體界面。

本文通過對現有超聲波檢測發射電路的研究的基礎上，設計了一種簡單、可靠、實用的發射電路。該電路以5V低壓電源供電，RLC串聯諧振產生高壓脈沖信號，滿足電路便攜和安全性要求，改善了檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力，取得了良好的效果。

1 超聲波檢測發射電路基本結構

檢測電路的基本結構如圖1所示，主要由控制信號、隔離環節、驅動電路、RLC電路和直流高壓等部分組成。控制信號實現脈沖超聲波發射控制的功能。隔離電路用來防止發射電路可能對其它電路造成電磁干擾，防止其它電路被燒壞。脈沖信號通過功率絕緣柵場效應管的高速關斷來產生，驅動功率絕緣柵場效應管相當于驅動帶容性負載的網絡，在高頻工作時電子開關的電氣特性對系統的性能有很大影響，絕緣柵場效應管電容的充、放電造成的損耗十分顯著，為提高脈沖幅值需增強絕緣柵場效應管的開關特性，需要合理的驅動電路，常用的場效應管驅動電路有CMOS緩沖器并聯驅動、場效應管對管驅動和雙極性三極管功率驅動3種形式[1]。RLC電路通過諧振產生高頻信號，通過匹配網絡來調諧使電路工作在換能器的諧振頻率。直流高壓電源由直流逆變器或其它電源模塊來實現。

一般的直流高壓脈沖發射電路工作過程，其電路如圖2所示。當控制電平V為低電平，開關管Q關斷時，電容C充電，高壓電源通過漏極電阻R1對電容C充電，由于充電過程在短時間內完成，故R1、C不可取值過大，且C耐高壓。當控制電平V為高電平時導通，電容C通過R2和D2放電，在探頭上產生負脈沖電壓，激勵產生超聲信號[1-3]。

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2 低壓電源的RLC串聯諧振超聲波發射電路設計

高壓窄帶脈沖的產生有兩種方案：第一種是用預先充電到高壓的電容迅速向換能器放電產生；另一種是由儲能電感瞬時放電產生。測試表明，要使裝置中換能器發射超聲波，需要在其兩端加上百伏的瞬時高壓脈沖。第一種方案中，需要外加幾百伏的直流高壓電源。而第二種方案是利用儲能電感瞬時放電產生瞬時高壓脈沖，只需要直流低壓供電就能達到要求。基于此想法，我們選用儲能電感瞬時放電產生瞬時高壓，R1用電感L取代，電源換為5V低壓電源。其諧振電路如圖3所示。

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此電路以功率開關管Q為開關元件，電感L儲能形成觸發脈沖，不需要提供直流高壓，經過光電偶合器作為隔離器，來減少電磁干擾，防止燒壞其它電路。當輸入到Q的脈沖為正時，Q導通，Q相當于一個小電阻，與電阻R1、電感L串聯，和低壓電源一起構成回路，L中的電流快速上升進行儲能。當輸入到Q的脈沖為負時，Q的柵極置低，Q迅速關斷，L，C， R2組成諧振電路快速放電，在電阻R2上形成高壓脈沖，可達到百伏電壓，如圖4所示，D1，D2起單向開關作用，匹配網絡由可調電阻和電感并聯實現，通過調節匹配網絡中的可調電阻來改變脈沖的幅度，調諧匹配電感使其電路工作在諧振頻率上。經過調諧匹配后測得加在探頭上的高壓窄帶脈沖如圖5所示。

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3 模型分析

場效應管的導通，關斷對應于發射電路的充電和放電狀態，使發射電路重復交替工作在這兩種模式。