[發明專利]一種大功率的自適應超聲脈沖發射和非線性超聲導波測量裝置

有效

• 申請號: 202010053257.9
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111157623B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 王自鑫;張錫斌;陳弟虎;洪曉斌;蔡志崗;賈蓮蓮;孔慶釗;趙偉鴻
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/12;G01N29/22;G01N29/36;G01N29/44
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 張玲春

本發明公開了一種大功率的自適應超聲脈沖發射和非線性超聲導波測量裝置，其包括：激勵信號源單元，自適應高壓脈沖發射單元，回波接收電路與反饋單元，數字信號處理單元，反饋控制單元。該激勵信號源單元的輸出端與所述自適應高壓脈沖發射單元的輸入端連接，用于提供系統的激勵信號；該自適應高壓脈沖發射單元的輸出端通過開關單元與該超聲換能器和該回波接收電路與反饋單元的輸入端連接；該回波接收電路與反饋單元的輸出端與該數字信號處理單元的輸入端連接；該數字信號處理單元的輸出端與所述反饋控制單元的輸入端連接。本發明可以提高發射信號的強度和接收信號的靈敏度，抑制噪聲影響，并適應多種超聲換能器的特性。

技術領域

本發明涉及超聲無損檢測領域，具體公開了一種用于超聲探傷的自適應反饋式高壓驅動脈沖發射和非線性超聲導波測量裝置和一種基于數字鎖相技術的自適應非線性超聲導波檢測方法。

背景技術

隨著集成電路技術的不斷發展，超聲無損檢測技術開始廣泛應用于工業檢測領域。但是在實際的應用場景中，仍面臨一系列問題需要解決。一方面，超聲波的發射功率不足限制了檢測范圍和檢測精度。由于某些特殊的待測工業材料具有非常大的聲阻抗，超聲波難以穿透，并且超聲波的衰減速度正比于頻率，頻率越高衰減速度越快。同時超聲成像的縱向分辨率與超聲頻率成正比關系，如果需要改善超聲檢測效果就必須提高超聲的頻率。因此，在保證檢測效果的前提下，想要提高待測材料的探測范圍或者實現對聲阻抗較大材料的更好檢測，就需要提高超聲波的發射功率。

另一方面，非線性超聲導波檢測技術通過觀測材料中的非線性效應可以實現微損傷(如分層、疲勞裂紋等)難題的檢測，但材料的非線性效應產生的信號十分微弱，極易被噪聲所掩蓋。因此，實現對結構早期微損傷的檢測，預測結構的性能變化需要解決于噪聲中提取微弱非線性效應的問題。

在傳統的超聲波發射電路中，超聲換能器的兩端分別連接兩個反相輸出的反相器輸出端，實際上是將探頭連接在由四個開關管組成的兩個推挽輸出電路之間。但是由于電源內阻及輸出能力的制約，導致輸出電壓未達到電源電壓，并且輸出脈沖的上升沿不夠陡峭，對換能器的驅動效果差。同時因反相器的負載能力有限，其主要應用在微小功率發射的超聲波發射電路中，不能滿足大功率發射的需求。

另外的高壓脈沖發射電路能夠部分滿足大功率發射的要求，其發射的超聲波能量是取自超聲發射芯片所提供的高壓電脈沖。雖然集成度較高，但受限與當前集成電路的設計和工藝水平，芯片可承受的高壓有限，進而導致電路輸出功率有限。由于需要高壓供電，因此超聲發射芯片在整個硬件系統中比較脆弱，稍有不慎就會造成超聲發射芯片燒毀，損失嚴重。同時超聲發射芯片具有工作頻率高時發熱嚴重，功耗較大，使用壽命較短等的缺點，所以限制了超聲發射電路的性能提升。

還有的高壓脈沖裝置能夠發送高壓脈沖信號發送到超聲換能器。發送的高壓脈沖信號使超聲換能器產生振動，從而產生聲波。超聲換能器的等效模型為LC諧振電路，激勵換能器有可能產生上千伏的過沖電壓。為避免該電壓損壞電路元器件，同時減弱該高壓脈沖信號產生的開關噪聲對控制端信號的影響，需要設計隔離驅動單元，防止輸出端信號耦合到驅動端，產生交叉影響導致輸出驅動脈沖不穩定。

傳統的非線性超聲導波檢測方法中，在探測距離較長或者待測材料聲阻抗較大的情況下，超聲波信號的衰減嚴重，接收電路檢測到的超聲波信號非常微弱，信號往往被淹沒在背景噪聲中，使用傳統的放大濾波方法無法檢測或者信噪比較低。多諧波相敏檢測技術利用有用信號與隨機噪聲在頻率上不相干的特性來進行信號提取，同時采用多諧波檢測結構可以就非線性超聲導波信號中的不同頻率成分進行針對性檢測，在超聲無損檢測中應用多諧波相敏檢測技術能夠提高信噪比和檢測精度。

發明內容

根據以上現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種用于激勵超聲換能器的帶有隔離驅動單元的高壓脈沖發射裝置，旨在改善現有的超聲發射電路發射功率不足和發射信號不穩定導致對換能器的驅動效果較差的問題。