一种隔离高压发射和小信号接收的超声波电子设备电路

技术领域

本发明涉及超声波测量技术领域，具体地涉及一种隔离高压发射和小信号接收的超声波电子设备电路。

背景技术

工业超声检测有些场合需要更大的超声发射功率，更简单可靠的换能器结构以及更加灵敏的信号接收电子电路。这几个目的对技术参数来说是相互制约的关系，有时为了满足其中一项的技术指标要求需要牺牲掉其它方面的技术指标。例如如果提高超声波发射功率通常会增加接收信号的盲区和增大电子电路的体积，为了减少信号的盲区将换能器拆分为发射和接收2个物理部分又会增加换能器的结构复杂度。仅仅通过提高信号接收的增益来提高信号的灵敏度又会同步增加噪声的信号。满足超声波检测设备终端用户的应用目的需要在众多的技术指标中寻找平衡点。

在自发自收的超声波检测电子系统中，接收到的信号相比发射信号来说通常要低2到6个数量级，所以发射信号对任何接收信号来说都算是高压信号，这样隔离高压发射和小信号接收的电路模块尤其重要。

以电磁超声波检测设备为例，现有电磁超声技术需采用高功率高压电源来激励置于恒定磁场，和工件表面的换能器，由此在工件表面产生超声波，超声波在工件内传播，经过反射回来的超声波，再次经过置于恒定磁场的换能器线圈产生微弱的电压信号，输入到后端小信号处理电路，经过模拟调理和软件分析后得到检测结果。发射电路产生的高压通常在100V数量级，而接收电路产生的小信号通常在10uV数量级，可见高压发射电路对小信号接收电路的干扰有可能是非常巨大的。因此高功率高压电源需要与后端的小信号处理电路隔离，同时换能器线圈与后端小信号电路需要保持有效低阻抗的联接通路；

现有的主流的压电超声波电子设备和电磁超声波电子设备采用阻尼限幅的方法来隔离高压和输出小信号。具体实施方法是：在高压电源与小信号接收电路输入端之间串联一几百欧的电阻，电阻与小信号接收电路输入端的连接点加一对正反并联的快速恢复小信号二极管到地，所述电阻上承载绝大部分高压压降，同时下拉的二极管钳位小信号输入端的高压残余电压在安全范围；

所述阻尼限幅存在的缺陷是：由于换能器输出到小信号接收电路输入串联了几百欧电阻，增加了换能器的等效输出阻抗，降低了信号源端的信噪比，导致仪器整机的信噪比整体下降。

又以全聚焦压电相控阵检测设备为例，每一次测量每一个阵元都需要一次自发自收的测量，如果发射电压过大的话小信号盲区也会过大，这样就会漏掉近表面的样件缺陷重要信息。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供一种隔离高压发射和小信号接收的超声波电子设备电路，替代采用串联电阻和限幅二极管的方式来隔离高压电源输出的高压与小信号接收电路，降低了换能器的等效输出阻抗，增强了信噪比，同时减少了自发自收的超声波换能器信号盲区。

本发明的技术方案是：

一种隔离高压发射和小信号接收的超声波电子设备电路，包括二极管偏置电流控制电路、二极管互联电路；

所述二极管偏置电流控制电路，用于控制调节二极管互联电路中二极管的流通电流；

所述二极管互联电路，用于隔离高功率高压电源输出电路和超声波信号接收电路，连通换能器输出网路和超声波信号接收电路。

优选的，所述二极管互联电路，包括二极管D1、D2、D 11、D 12和电阻R1、R5，其中电阻R1、R5的第一端共接到二极管偏置电流控制电路的控制端；电阻R1、R5的第二端分别通过二极管D1、D11接高压电源输出网络两端；电阻R1、R5的第二端还分别通过二极管D2、D 12接超声波信号接收电路的输入网络两端。

优选的，所述二极管互联电路采用I型电路，或II型电路；

所述I型电路中：二极管D1、D2的阴极共同连接电阻R1，二极管D11、D12的阴极共同连接电阻R5；二极管D1、D11的阳极分别接高压电源输出网络两端；二极管D2、D12的阳极分别接超声波信号接收电路的输入网络两端；

所述II型电路中：二极管D1、D2的阳极共同连接电阻R1，二极管D11、D12的阳极共同连接电阻R5；二极管D1、D11的阴极分别接高压电源输出网络两端；二极管D2、D12的阴极分别接超声波信号接收电路的输入网络两端。

优选的，所述二极管偏置电流控制电路包括三极管Q1，静态偏置电阻R2、R3和负反馈电阻R4，其中静态偏置电阻R2、R3串联，R2另一端接地，R3另一端在I型电路中接-VCC电压，在II型电路中接+VCC电压；三极管Q1的基极接R2、R3的共接点，发射极连接R4一端，R4另一端连接系统处理器控制的VEE电源，VEE电源在I型电路中输出0V或者-VCC，在II型电路中输出0V或者+VCC，集电极接二极管互联电路的控制端。

优选的，所述换能器输出网路为电磁换能器L1_1、L1_2时；

在I型电路中，电磁换能器L1_1、L1_2的一端分别接二极管D1、D11的阳极，另一端共同接地；

在II型电路中，电磁换能器L1_1、L1_2的一端分别接二极管D1、D11的阴极，另一端共同接地。

优选的，所述换能器输出网络为压电换能器Y1_1、Y1_2时；

在I型电路中，压电换能器Y1_1、Y1_2的一端分别接二极管D1、D11的阳极，另一端共同接地；

在II型电路中，压电换能器Y1_1、Y1_2的一端分别接二极管D1、D11的阴极，另一端共同接地。

优选的，所述系统处理器控制VEE电源输出0V时，二极管偏置电流控制电路中的三极管Q1截止，集电极不提供静态电流输出，二极管互联电路中的二极管无正向偏置电流，两串联二极管的正极到正极支路，两串联二极管负极到三极管发射极支路均处于截止隔离状态，此时，系统处理器控制高压发射电源输出高压脉冲通过低阻抗的换能器线圈到地形成回路，完成高压发射；

高压发射周期结束后，系统处理器控制VEE电源的输出，在I型电路中VEE输出-VCC，在II型电路中输出+VCC，二极管偏置电流控制电路中的三极管Q1导通，负反馈电阻R4稳定Q1的静态工作电压和电流，集电极提供恒定的静态电流输出，二极管互联电路中的二极管产生偏置电流，对于换能器输出的交流小信号两串联二极管处于导通状态，此时，换能器与超声波信号接收电路的两输入端处于导通连接状态，完成超声回波的接收。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明采用一种新型的高压隔离和低阻抗小信号输出接口电路，采用程序控制开启或者关闭两个串联二极管的直流偏置电流实现二极管的截止和导通，同时实现了高压电源与小信号接收电路的隔离和换能器与小信号接收电路的低阻抗联通，在现有技术基础上，降低了换能器的等效输出阻抗，提高系统的信噪比；

2、本发明实现了二极管互联电路分时实现高阻隔离和低阻抗联通的电路结构设计；

3、本发明实现了二极管偏流控制电路的快速启动和快速关闭；

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为实施例1中高压隔离I型电路接电磁换能器的原理图；

图2为实施例1中高压隔离II型电路接电磁换能器的的原理图；

图3为实施例2中高压隔离I型电路接压电换能器的原理图；

图4为实施例2中高压隔离II型电路接压电换能器的的原理图；

图5为实施例4中阻尼限幅高压隔离电路的电磁超声换能器测厚信号；

图6为实施例4中高压隔离电路电磁超声换能器对同一样品同一位置的测厚信号；

图7为实施例5中阻尼限幅高压隔离电路的压电超声波换能器测厚信号；

图8为实施例5中高压隔离电路压电超声波换能器对同一样品同一位置的测厚信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1

本发明的一种隔离高压发射和小信号接收的超声波电子设备电路，包括二极管偏置电流控制电路、二极管互联电路；所述二极管偏置电流控制电路，用于控制调节二极管互联电路中二极管的流通电流；所述二极管互联电路，用于隔离高压电源输出网络与小信号接收电路的输入网络，或联通换能器输出网路与小信号接收电路的输入网络。

所述二极管互联电路，包括二极管D1、D2、D11、D12和电阻R1、R5，其中电阻R1、R5的第一端共接到二极管偏置电流控制电路的控制端；电阻R1、R5的第二端分别通过二极管D1、D11接高压电源输出网络两端；电阻R1、R5的第二端还分别通过二极管D2、D12接超声波信号接收电路的输入网络两端。

如图1、图2所示，所述二极管互联电路分别采用I型电路、II型电路。

图1的I型电路中：二极管D1、D2的阴极共同连接电阻R1，二极管D11、D12的阴极共同连接电阻R5；二极管D1、D11的阳极分别接高压电源输出网络两端；二极管D2、D12的阳极分别接超声波信号接收电路的输入网络两端；

图2的II型电路中：二极管D1、D2的阳极共同连接电阻R1，二极管D11、D12的阳极共同连接电阻R5；二极管D1、D11的阴极分别接高压电源输出网络两端；二极管D2、D12的阴极分别接超声波信号接收电路的输入网络两端。

所述二极管偏置电流控制电路包括高压双极性三极管Q1，静态偏置电阻R2、R3和负反馈电阻R4，其中静态偏置电阻R2、R3串联，R2另一端接地，R3在I型电路中接-12V，R3在II型电路中接+12V电压；高压双极性三极管Q1的基极接R2、R3的共接点，发射极连接R4一端，R4另一端连接系统处理器控制的VEE电源，在I型电路中VEE电源输出0V或者-12V，在II型电路中VEE电源输出0V或者+12V，集电极接二极管互联电路的控制端。通过控制VEE电源输出来快速控制Q1的工作状态：Q1截止或者Q1恒流输出，这两种Q1的状态下Q1的集电极输出不同的偏置电流，最终实现控制二极管互联电路中二极管的正向偏置电流。

所述二极管D1、D11的阳极还分别接换能器输出网路的两端。所述换能器输出网路包括电磁换能器L1_1、L1_2。电磁换能器L1_1、L1_2的一端分别接二极管D1、D11的阳极，另一端共同接地；D2、D12的阳极分别接超声波信号接收电路的输入网络两端。

实施例2

如图3、图4所述，本实施例的隔离高压发射和小信号接收的超声波电子设备电路，所述换能器输出网路包括压电换能器Y1_1、Y1_2。压电换能器Y1_1、Y1_2的一端分别接二极管D1、D11的阳极，另一端共同接地；D2、D12的阳极分别接超声波信号接收电路的输入网络两端。

实施例3

参照图1和图2所示实施例1的电路方案，本实施例介绍高压隔离及换能器低损输出电路工作过程如下：

(1)系统处理器控制VEE输出0V，三极管Q1发射极电压为0V，Q1的基极电压由偏置电阻R2，R3设定,在I型电路中Q1的基极电压为-11.04V，在II型电路中Q1的基极电压为为+11.04V；此时Q1发射结反偏，集电结反偏，Q1进入截止状态，Q1集电极无有效恒定的电流输出，二极管D1，D2与D11，D12也无有效直流偏置电流，因此D1正极到D2正极和D11正极到D12正极这两段路径的阻抗对交直流信号均为高阻抗，此时系统处理器控制高压电源输出高压脉冲只能通过换能器线圈到地形成回路，完成本次的高压发射。

(2)高压发射结束后，系统处理器控制VEE输出，I型电路VEE输出为-12V，II型电路VEE输出为+12V，三极管Q1发射极电压是：I型电路为-11.65V，II型电路为者+11.65V，此时Q1发射结正偏，集电结反偏，Q1进入线性放大状态，R4将Q1发射极电流转成电压与Q1的基极电压串联，形成负反馈，稳定Q1的静态工作电压和电流，Q1集电极输出恒定的电流，该电流经过四个低阻抗路径形成直流回路，分别是：经R1，D1，电磁换能器L1_1到地；经R1，D2，超声波信号接收电路输入端到地，经R5，D11，电磁换能器L1_2到地；经R5，D12，超声波信号接收电路输入端到地，此时，D1，D2与D11，D12二极管有恒定正向偏置电流，相对换能器输出的交流小信号，D1，D2，D11，D12是导通的，且阻抗非常低；因此，换能器与超声波信号接收电路输入端通过D1，D2，D11，D12实现了低阻抗联通，完成超声回波的接收。

实施例4

如图5、图6所述，本实施例中，一种新型的高压隔离及换能器低损输出电路与阻尼限幅高压隔离电路一起实施做了效果对比。图5是在电磁超声换能器上应用阻尼限幅电路得到的测厚信号；图6是保持几乎所有条件不变，应用本发明公布的新型高压隔离及换能器低损输出电路得到的测厚信号。可以看见采用了本发明公布的新型高压隔离及换能器低损耗输出电路以后，信号幅值增加了。

实施例5

如图7、图8所述，本实施例中，一种新型的高压隔离及换能器低损输出电路与以前常用的阻尼限幅高压隔离电路的被一起实施做了效果对比。图7是在两个串联的压电超声换能器上应用阻尼限幅电路得到的测厚信号；图8是保持几乎所有条件不变应用本发明公布的新型高压隔离及换能器低损输出电路得到的测厚信号。其中第一个波以及其产生的周期波是匹配层信号，其它的波为有效厚度信号。可以看见采用了本发明公布的新型高压隔离及换能器低损耗输出电路以后，信号幅值增加了。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。