具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路制造技术

本发明专利技术属于测量电变量领域，具体为具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，包括：限幅电路，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3，第1级宽带程控放大电路，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，第2级宽带程控放大电路，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3，单端/差分转换电路，A/D转换电路，FPGA，通讯接口电路，程控开关电路1，程控开关电路2，电源，程控增益电路，程控增益电路包括双路DA转换电路和直流放大电路1、2。本发明专利技术解决了大冲击、强干扰环境下非接触式超声换能器幅值时小时大、频率时高时低接收信号的放大、处理及采集等问题，对于非接触式超声检测技术的推广及应用具有重大意义。应用具有重大意义。应用具有重大意义。

【技术实现步骤摘要】
具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路


[0001]本专利技术属于测量电变量领域，具体为具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，用于将空气耦合超声换能器接收的复合材料检测中的微弱电信号进行有效放大、处理及采集，以对复合材料中缺陷进行检测，也可扩展应用于电磁超声检测中接收信号的处理；适用于航空宇航领域复合材料设备、石化和电力等行业金属制高温设备的无损检测。

技术介绍

[0002]航空航天复合材料在制作、加工过程中需要进行质量控制，在使用、维护过程中需要检测其是否由外界因素产生缺陷，以保障设备的安全运行。超声检测具有高灵敏度、无损等优势，但传统的超声检测需要采用水、油等作为耦合剂。一方面耦合剂会渗透进复合材料内部，另一方面耦合剂清理费事费力，甚至难以全部清除，从而影响复合材料的机械性能和力学性能。此外，针对耦合剂的耦合系统的维持很费时、费力，如飞机机身蒙皮、野外工作的大型风力机叶片检测时，在这些场合提供稳定的水耦合装置较为困难、成本很高。因此，直接采用空气作为耦合剂的超声检测对于复合材料缺陷检测有巨大的潜在优势。
[0003]在复合材料中传播的超声波透过固
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气界面进入空气中传播，再经气
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固界面进入空气耦合超声接收换能器，由空气耦合超声接收换能器转换为电信号。由于固
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气之间声阻抗差异较大，且是固定存在、无法避免的，再者即使经过良好声、电阻抗匹配的空气耦合超声接收换能器，也会存在空气与空气耦合超声接收换能器之间的声阻抗差异，从而导致空气耦合超声接收换能器的接收信号很微弱（uV级～几百uV级），因此接收电路需要较大的放大倍数。实际使用中待检测的复合材料种类多样、结构形式复杂，对超声波的衰减程度也各不相同，有衰减很大的材料、也有衰减较小的材料，即使同种材料，随着检测距离的不同，回波幅值也会有较大的变化，因此需要接收电路不仅放大倍数足够、还需增益可调。
[0004]空气耦合超声接收换能器除了接收复合材料中透射至空气中声波外，还会接收空气耦合超声发射换能器发射的从空气中直接传播至空气耦合超声接收换能器的声波。由于后者不存在复合材料和空气界面之间的固有损耗，其接收信号幅值往往比前者大数十倍～数百倍，后者可看成是对接收电路的巨大冲击。另外，当采用单个探头同时作为空气耦合超声换能器的发射和接收换能器时，激励电路发射的数十～数百伏高压驱动脉冲对于接收电路而言，也是巨大的冲击，因此接收电路需要能抵抗较大冲击。
[0005]空气耦合超声换能器往往都需要配合自动扫查装置对复合材料结构进行扫查检测，实现机械装置运动控制的电机、驱动器、运动控制器等都存在一定的电磁辐射。对于uV级接收电路而言，这些辐射产生的干扰往往是致命的，会导致接收信号信噪比很差，难以实施有效检测，因此接收电路需要有较强的抗干扰能力。
[0006]由于压电式空气耦合超声换能器可在20kHz～5MZ范围内使用，电容式空气耦合超声换能器使用频率可为100kHz～10MHz，因此接收电路需要能对20kHz～10MZ较宽频率范围内的信号进行处理。
[0007]总之，需要专利技术放大倍数大、增益可调、带宽宽，且抗冲击、抗干扰能力强的空气耦合超声信号接收处理电路，对于该技术的推广及应用具有重大意义。另外，此电路还能作为电磁超声换能器接收信号的处理电路。
[0008]专利号为ZL201610113732.0、名称为《低频电磁超声导波接收信号的放大方法和装置》的专利技术专利所专利技术放大装置的3dB带宽范围为1kHz～250kHz，最大放大倍数为111dB。采用三极管对各级运算放大电路进行钳位，以抑制高压冲击，但该方式不能用于程控放大电路的钳位。该放大装置虽然增益足够大，但只能固定放大倍数，适应场合不强，只能用于衰减大的材料检测，对于衰减稍小的材料或厚度有变化的同类材料都难以检测。另外，由于接收换能器与待检试块之间距离随不同应用场合发生变化，使得声波幅值有较大波动，因此，该固定增益的放大装置不适用于空气耦合超声检测的实际应用。进一步，该放大装置带宽窄，只能对1kHz～250kHz低频信号进行放大，对400kHz、800kHz等常用的空气耦合超声换能器都无法使用，即其接收带宽不能适配空气耦合超声检测信号的频率范围。因此，该电路不适合作为空气耦合超声换能器的接收电路。
[0009]专利号为201811629815.0、名称为《电磁超声回波信号的自适应程控接收处理装置及其方法》的专利技术专利适用于对2.5M～10M信号进行最大80dB的放大。而空气耦合超声换能检测适用的范围为20kHz～10MHz，且常用的范围为20kHz～2.5MHz。另外，该专利技术放大器的最大增益为80dB，由于其放大倍数不够，也难以对复合材料检测中的uV级微弱接收信号进行有效放大处理。更为重要的是，该电路还不具有抗冲击能力，很容易被自激自收过程中产生的信号造成过冲、难以快速回复，极大地影响其检测能力，过冲幅值大且持续时间较长时甚至会造成放大器电路损坏；另外，空气中的直达波，也会产生过冲，导致接收电路难以快速恢复，以对后续的回波信息进行有效接收，影响检测能力，从而使得该电路无法在空气耦合超声检测中进行使用。

技术实现思路

[0010]本专利技术为了解决非接触式超声换能器（包括空气耦合超声换能器和电磁超声换能器）接收信号在不同应用场合的幅值时小时大、频率时高时低，且接收电路受到的冲击大、干扰强等问题，提供了高增益、增益可调、宽带宽，且抗冲击、抗干扰能力强的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，对于非接触式超声检测技术的推广及应用具有重大意义。
[0011]本专利技术是采用如下的技术方案实现的：具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，包括：限幅电路，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3，第1级宽带程控放大电路，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，第2级宽带程控放大电路，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3，单端/差分转换电路，A/D转换电路，FPGA，通讯接口电路，程控开关电路1、2和程控增益电路。空气耦合超声接收换能器将声
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电转换后的信号输出给限幅电路的输入端，限幅电路的输出端同时和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输入端连接，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输出端都和第1级宽带程控放大电路的输入端连接，第1级宽带程控放大电路的输出端和具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输入端连接，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路输出端和第2级宽带程控放大电路的输入端连接，第2级宽带程控放大电路的输出端和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输
入端同时连接，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输出端同时和单端/差分转换电路的输入端连接，单端/差分转换电路的输出端和A/D转换电路输入端连接，A/D转换电路的输出端和FPGA连接，FPGA还和通讯接口电路、程控开关电路1、程控开关电路2和程控增益电路连接。另外，程控增益电路的两个电压输出端口分别和第1级宽带程控放大电路、第2级宽带本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，其特征在于，包括：限幅电路，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3，第1级宽带程控放大电路，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路，第2级宽带程控放大电路，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3，单端/差分转换电路，A/D转换电路，FPGA，通讯接口电路，程控开关电路1、2和程控增益电路，限幅电路的输出端同时和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输入端连接，具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的输出端都和第1级宽带程控放大电路的输入端连接，第1级宽带程控放大电路的输出端和具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路的输入端连接，具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路输出端和第2级宽带程控放大电路的输入端连接，第2级宽带程控放大电路的输出端和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输入端同时连接，窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的输出端同时和单端/差分转换电路的输入端连接，单端/差分转换电路的输出端和A/D转换电路输入端连接，A/D转换电路的输出端和FPGA连接，FPGA还和通讯接口电路、程控开关电路1、程控开关电路2和程控增益电路连接，另外，程控增益电路的两个电压输出端口分别和第1级宽带程控放大电路、第2级宽带程控放大电路的增益控制端口连接；程控开关电路1的3个正电压、3个负电压输出端分别和具有窄带前放功能的输出钳位电路1、2、3的正电源端口、负电源端口连接，程控开关电路2的3个正电压、3个负电压输出端分别和窄带滤波及钳位输出电路1、2、3的正电源端口、负电源端口连接。2.根据权利要求1所述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，其特征在于：程控增益电路包括双路DA转换电路和直流放大电路1、2，FPGA的输出连接双路DA转换电路，双路DA转换电路的输出分别连接直流放大电路1、2，直流放大电路1、2的输出分别连接第1级宽带程控放大电路、第2级宽带程控放大电路的增益控制端口。3.根据权利要求2所述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，其特征在于：限幅电路和具有窄带前放功能的输出钳位电路1的电路结构为：二极管D1、二极管D2反向并联在输入信号IN和地之间作为限幅电路，限幅后的信号传输至电容C1的一端，也即为具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输入端，经电容C1交流耦合至电阻R1的一端，电阻R1的另一端接运算放大器U1的负极输入端2和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接运算放大器U1的输出端6和电容C2的一端，电容C2的另一端作为前置放大输出端口PRE1；电阻R2跨接在运算放大器U1的正极输入端3和地之间，运算放大器U1的正电源端口7接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，运算放大器U1的负电源端口4接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21；电阻R4一端接前置放大输出端口PRE1，电阻R4的另一端与电阻R5、电容C3和电阻R6的一端同时相连，电阻R5的另一端接地，电容C3的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6，作为具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输出端口PRE_OUT，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接电容C5、电阻R8、电容C6的一端，电容C5的另一端接地，电阻R8的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6，电容C6的另一端接电阻R7的一端和钳位运算放大器U2的正输入端口3，电阻R7的另一端接地，电阻R9的一端接地，另一端接钳位运算放大器U2的负输入端口2和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接钳位运算放大器U2的输出端口6；电阻R11和电阻R12构成串联分压方式，电阻R11一端接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，另一端接钳位运算放大器U2的正电压钳位端口8和电阻R12的一端，电阻R12的另一端接地；电阻R14和电阻R13构成串联分压方式，电阻R13一端接程控开关电路1中第1路可控
负电源VCC21，另一端接钳位运算放大器U2的负电压钳位端口5和电阻R14的一端，电阻R14的另一端接地；钳位运算放大器U2的正电源端口7接程控开关电路1中第1路可控正电源VCC11，钳位运算放大器U2的负电源端口4接程控开关电路1中第1路可控负电源VCC21；具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3和具有窄带前放功能的输出钳位电路1采用相同电路结构及接线方式；具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3的输入端口与具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输入端连接；具有窄带前放功能的输出钳位电路2、3的输出端口与具有窄带前放功能的输出钳位电路1的输出端连接；另外，具有窄带前放功能的输出钳位电路2中正电源、负电源分别接程控开关电路1中第2路可控正电源VCC12、程控开关电路1中第2路可控负电源VCC22；具有窄带前放功能的输出钳位电路3中正电源、负电源分别接程控开关电路1中第3路可控正电源VCC13、程控开关电路1中第3路可控负电源VCC23；程控开关电路1包括三组开关电路，每组开关电路都包括正电源电路和负电源电路，正电源电路包括P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，源极连接正电源VCCQ+，负电源电路包括N沟道增强型场效应管，N沟道增强型场效应管M的栅极通过NPN三极管接地，漏极连接负电源VCCQ
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；第一组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF1, 第一组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M1的漏极输出可控正电源VCC11, 第一组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M4的源极输出可控负电源VCC21， 第二组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF2，第二组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M2的漏极输出可控正电源VCC12, 第二组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M5的源极输出可控负电源VCC22，第三组开关电路中的NPN三极管的基极接FPGA的输出REF3，第三组开关电路中正电源电路中P沟道增强型场效应管M3的漏极输出可控正电源VCC13, 第三组开关电路中负电源电路中N沟道增强型场效应管M6的源极输出可控负电源VCC23；程控开关电路1中的第一组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路1提供可控正电源VCC11、可控负电源VCC21，程控开关电路1中的第二组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路2提供可控正电源VCC12、可控负电源VCC22，程控开关电路1中的第三组开关电路为具有窄带前放功能的输出钳位电路3提供可控正电源VCC13、可控负电源VCC23。4.根据权利要求3所述的具有钳位功能的增益可调非接触式超声接收信号处理电路，其特征在于：第1级宽带程控放大电路、具有宽带放大及滤波功能的输出钳位电路和第2级宽带程控放大电路的电路结构为：电容C26的一端接PRE_OUT，电容C26的另一端接程控放大芯片U3的前置放大电路输入端口PAI，程控放大芯片U3的前置放大电路的反馈端口FBK接其输出端口PAO及隔离电容C7的一端，隔离电容C7的另一端接程控放大芯片U3的正输入端DSX+，程控放大芯片U3的负输入端DSX
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经电容C8接地，程控放大芯片U3的输出端OUT与电容C10的一端连接，电容C10的另一端作为第1级宽带程控放大电路的输出端；程控放大芯片U3的参考电压输入端口VREF接参考电压，程控放大芯片U3的增益控制端口VGN接增益控制电...

【专利技术属性】
技术研发人员：周进节，陈泽美，胡洋，刘瑶，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：