[发明专利]一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置

说明书

本发明公开了一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置，其包括：激励信号源单元，自适应高压脉冲发射单元，回波接收电路与反馈单元，数字信号处理单元，反馈控制单元。该激励信号源单元的输出端与所述自适应高压脉冲发射单元的输入端连接，用于提供系统的激励信号；该自适应高压脉冲发射单元的输出端通过开关单元与该超声换能器和该回波接收电路与反馈单元的输入端连接；该回波接收电路与反馈单元的输出端与该数字信号处理单元的输入端连接；该数字信号处理单元的输出端与所述反馈控制单元的输入端连接。本发明可以提高发射信号的强度和接收信号的灵敏度，抑制噪声影响，并适应多种超声换能器的特性。

技术领域

本发明涉及超声无损检测领域，具体公开了一种用于超声探伤的自适应反馈式高压驱动脉冲发射和非线性超声导波测量装置和一种基于数字锁相技术的自适应非线性超声导波检测方法。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，超声无损检测技术开始广泛应用于工业检测领域。但是在实际的应用场景中，仍面临一系列问题需要解决。一方面，超声波的发射功率不足限制了检测范围和检测精度。由于某些特殊的待测工业材料具有非常大的声阻抗，超声波难以穿透，并且超声波的衰减速度正比于频率，频率越高衰减速度越快。同时超声成像的纵向分辨率与超声频率成正比关系，如果需要改善超声检测效果就必须提高超声的频率。因此，在保证检测效果的前提下，想要提高待测材料的探测范围或者实现对声阻抗较大材料的更好检测，就需要提高超声波的发射功率。

另一方面，非线性超声导波检测技术通过观测材料中的非线性效应可以实现微损伤(如分层、疲劳裂纹等)难题的检测，但材料的非线性效应产生的信号十分微弱，极易被噪声所掩盖。因此，实现对结构早期微损伤的检测，预测结构的性能变化需要解决于噪声中提取微弱非线性效应的问题。

在传统的超声波发射电路中，超声换能器的两端分别连接两个反相输出的反相器输出端，实际上是将探头连接在由四个开关管组成的两个推挽输出电路之间。但是由于电源内阻及输出能力的制约，导致输出电压未达到电源电压，并且输出脉冲的上升沿不够陡峭，对换能器的驱动效果差。同时因反相器的负载能力有限，其主要应用在微小功率发射的超声波发射电路中，不能满足大功率发射的需求。

另外的高压脉冲发射电路能够部分满足大功率发射的要求，其发射的超声波能量是取自超声发射芯片所提供的高压电脉冲。虽然集成度较高，但受限与当前集成电路的设计和工艺水平，芯片可承受的高压有限，进而导致电路输出功率有限。由于需要高压供电，因此超声发射芯片在整个硬件系统中比较脆弱，稍有不慎就会造成超声发射芯片烧毁，损失严重。同时超声发射芯片具有工作频率高时发热严重，功耗较大，使用寿命较短等的缺点，所以限制了超声发射电路的性能提升。

还有的高压脉冲装置能够发送高压脉冲信号发送到超声换能器。发送的高压脉冲信号使超声换能器产生振动，从而产生声波。超声换能器的等效模型为LC谐振电路，激励换能器有可能产生上千伏的过冲电压。为避免该电压损坏电路元器件，同时减弱该高压脉冲信号产生的开关噪声对控制端信号的影响，需要设计隔离驱动单元，防止输出端信号耦合到驱动端，产生交叉影响导致输出驱动脉冲不稳定。

传统的非线性超声导波检测方法中，在探测距离较长或者待测材料声阻抗较大的情况下，超声波信号的衰减严重，接收电路检测到的超声波信号非常微弱，信号往往被淹没在背景噪声中，使用传统的放大滤波方法无法检测或者信噪比较低。多谐波相敏检测技术利用有用信号与随机噪声在频率上不相干的特性来进行信号提取，同时采用多谐波检测结构可以就非线性超声导波信号中的不同频率成分进行针对性检测，在超声无损检测中应用多谐波相敏检测技术能够提高信噪比和检测精度。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于激励超声换能器的带有隔离驱动单元的高压脉冲发射装置，旨在改善现有的超声发射电路发射功率不足和发射信号不稳定导致对换能器的驱动效果较差的问题。