超声波检测系统前端电路设计
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ＤＣ３ ０Ｖ。 ０
设 计 的升压 电源 变换 电路 核 心控 制 芯 片 为 Ｕ ３４ 采 用反 激 电路设 计 ， Ｃ ８２是 Ｕ ＩＲ Ｄ Ｃ ８２， Ｕ ３４ ＮＴ Ｏ Ｅ公
司生产的一种电流型 Ｐ ＷＭ控制芯片 ， 其突出的优点是成本低 ， 外接元件少 ， 性能稳定可靠 ， 其主要特性 为： 完整的 Ｐ ＷＭ控制电路 ， Ｖ的参考电压 ， ５ 电流可达 ５ Ａ ０ｍ 。 外部电阻 Ｒ 、 电容 Ｃ 及其振荡器组成振荡 电路 ， Ｔ 产生锯齿波与外部控制电压及反馈放大器电压 比 较， 形成一定 占空比的控制脉冲。 Ｃ ８２ Ｕ ３４ 具有图滕柱式输 出， 驱动能力可达 。 出频率可 由式（ ） 输 １ 近 似得 出 ：
当加到超声波探头两端 的交流电压的频率和 晶
片 的共振频 率 相 等 时 ， 声 波 探 头 才 能 工 作 在 最 佳 超
性能状 态 。在 不 同 的应 用 场 合 ， 要 不 同 的 探 头 需
以及 对 回波 信 号 的 处 理 方 法 也 不 相 同 。实 际 应 用
中 ， 种超声 波装 置 ， 往 只适 用 于某 一 种 特定 的场 一 往 合 。设 计 中对 于 不 同标 称 频 率 的超 声 波 探 头 ， 过 通
８ ４
东北 电力大学学报
第３ ２卷
２ 高压 电源 电路 设 计
设计 的超 声波检 测 系统 中使用超 声 波技术 对管 道 的污垢厚 度检 测 ， 头发 射 的超声 波需 要穿透 数 探 毫米 到数 厘米 厚 的污 垢层 ， 并需 要一 定强 度的 回波信 号 返 回到探 头 。这 要求 驱 动 电路 和发 射 探头 能 发 射 高能量 超声 波 ， 用在 探头 上 的激励 脉 冲 电压 值一 般在 １０Ｖ 以上 ］ 作 ０ 。设 计 的电源输 入 Ｄ ２ Ｖ， 出 Ｃ４ 输
种 简单 、 方便 的检 测方 法 ， 已广泛 用于无 损 探伤 、 材料测 厚 等领 域 。在 进行 管道 的污垢 检测 研究 时 ， 污垢
层 与 管道壁 界 面具 有不 同的声 阻抗 ， 而在 二者 交 界面 处产 生 回波 。通 过 超 声波 时 域 反射 法 进行 检 测 从
时， 每层 介质 具有 各 自的 回波 出现 。本 文设 计 的超声 波前 端 电路用 于管道 污垢 的检 ｛ 。 ９ ＿ １ ０
厂＝ ． （） １
设 计 的 Ｄ ／ Ｃ变换 高压 电源如 图 ２所 示 ， Ｃ ８２输 出为 ６脚控 制开 关管 的导通 ， ＣＤ Ｕ ３４ 其输 出脉 冲的频 率 由式 （ ） ８４脚 的电容 、 １及 、 电阻值 可得 ， 振荡 频率 为 １６Ｋ 。该 芯片 ３脚 为取样 输入 ， ０ Ｈｚ 电流 取样 放 大
第 ３ 第 ３期 ２卷
２１ ０２年 ６月
东
北
电
力大Βιβλιοθήκη 学学报 Ｖｏ ． ２． ． １ ３ Ｎｏ ３ Ｊ ．， ０ ２ ｕｎ ２ １
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮ ｒｈ ａｔ ａ ｌ Ｕ ｉｅｓ ｙ ｏ ｒ ａ ｏ ｏ ｔｅ ｓ Ｄｉｎｉ ｎｖｒｉ ｔ
文 章 编 号 ：０ ５—２９ （ ０ ２ ０ １０ ９ ２ ２ １ ）３—０ ８ ０ ０３— ５
１ 超 声波 电路 总体 结构
超 声 波检测 系统前 端 电路主 要包 括高 压 电源 、 射 电路 、 发 接收 电路 。如 图 １ 声 波收发 电路框 图 超 所示 ， 设计 的 电路基 于 Ｒ Ｃ脉 冲放 电原 理 发射 高 压 窄 脉 冲 。由单 片 机控 制 发 射 脉 冲 的宽度 及 脉 冲重 复 发 射频 率 ； 回波信 号经 放大 后 由示波器 采集 ， 并将 采集 的信 号通 过 串 口输 入 Ｐ ｃ机 ； 利用 Ｐ ｃ机 内丰 富 的 软件 资源对 数据进 行分 析处 理 。
器 的反相输 入端 的 电压通 常被钳 位 在 １Ｖ。该放 大 器 的 同 向输入 端 的电压 达 到该 门 限值 时 ， 关 电 源 开
将 产 生限流 作用 。变 压器次 级输 出升 高 的高 电压 ， 由变 压器 结构 原理 可知 ， 次级输 出 电压极 性不 变 。输
电源 、 脉冲发射电路以及 回波信号接收电路。设计 的高压电源模块产生 ３ ０Ｖ的直流 电压 ； 冲发射 电 ０ 脉
路采用 电容 瞬间放 电原理产生高压脉 冲 ； 超声波 回波信 号采用 非线性放 大 电路进 行信号 的放大 。所设 计 的电路实现 了超声波收发 的功 能。
关 键
词： 直流高压 电路 ； 脉冲电路 ； 对数放大 电路
文献标识码 ： Ａ
中 图 分 类 号 ： Ｍ ９０，Ｍ７ Ｔ ３ Ｔ ８
在多种现代检测技术中， 超声波技术以其快速 、 无损无害 、 实时在线以及检测信息丰富等多种优点， 得 到 了广泛 的应用 。尤 其超声 波 脉 冲时 域 反射 法 （ Ｔ Ｒ， ｌａｏｉ Ｔｍ —ｏ ａｎＲ ｆ ｃ ｍｅｙ 作 为 一 Ｕ Ｄ Ｕｔ ｓｎｃ ｉｅＤ ｍ ｉ ｅｅｔ ｔ ） ｒ ｌ ｏ ｒ
超 声 波 检 测 系统 前 端 电 路 设 计
冯 国 亮 ， 天 暝２ 于
（． １东北 电力大学 自动化工程学院 ；． ２ 吉林市污水处理公 司， 吉林 吉林 １２ １ ） ３ ０ ２
摘
要： 基于超声波污垢检测 系统 ， 介绍 了超声 波激励 与接收 电路 的设 计过程 。该 电路包 括 高压
调节 单 片机发 射 的驱 动 脉 冲 宽度 改 变超 声 波 发射 电
路 的脉 冲频 率 ； 采集 的 回波 信 号利 用 Ｐ Ｃ机 内丰 富 的
软件 资源对 信 号进行运 算处 理 。
图 １ 超 声 波 收 发 电路 框 图
收 稿 日期 ： ０ １—１ ２１ １—１ ４ 作者简介 ： 国亮 （９ ４一） ， 冯 １８ 男 山东省荷泽市人 ， 东北电力大学 自动化工程学院助教 ， 硕士 ， 主要研究 方向： 自动检测技术
设 计 的升压 电源 变换 电路 核 心控 制 芯 片 为 Ｕ ３４ 采 用反 激 电路设 计 ， Ｃ ８２是 Ｕ ＩＲ Ｄ Ｃ ８２， Ｕ ３４ ＮＴ Ｏ Ｅ公
司生产的一种电流型 Ｐ ＷＭ控制芯片 ， 其突出的优点是成本低 ， 外接元件少 ， 性能稳定可靠 ， 其主要特性 为： 完整的 Ｐ ＷＭ控制电路 ， Ｖ的参考电压 ， ５ 电流可达 ５ Ａ ０ｍ 。 外部电阻 Ｒ 、 电容 Ｃ 及其振荡器组成振荡 电路 ， Ｔ 产生锯齿波与外部控制电压及反馈放大器电压 比 较， 形成一定 占空比的控制脉冲。 Ｃ ８２ Ｕ ３４ 具有图滕柱式输 出， 驱动能力可达 。 出频率可 由式（ ） 输 １ 近 似得 出 ：
当加到超声波探头两端 的交流电压的频率和 晶
片 的共振频 率 相 等 时 ， 声 波 探 头 才 能 工 作 在 最 佳 超
性能状 态 。在 不 同 的应 用 场 合 ， 要 不 同 的 探 头 需
以及 对 回波 信 号 的 处 理 方 法 也 不 相 同 。实 际 应 用
中 ， 种超声 波装 置 ， 往 只适 用 于某 一 种 特定 的场 一 往 合 。设 计 中对 于 不 同标 称 频 率 的超 声 波 探 头 ， 过 通
８ ４
东北 电力大学学报
第３ ２卷
２ 高压 电源 电路 设 计
设计 的超 声波检 测 系统 中使用超 声 波技术 对管 道 的污垢厚 度检 测 ， 头发 射 的超声 波需 要穿透 数 探 毫米 到数 厘米 厚 的污 垢层 ， 并需 要一 定强 度的 回波信 号 返 回到探 头 。这 要求 驱 动 电路 和发 射 探头 能 发 射 高能量 超声 波 ， 用在 探头 上 的激励 脉 冲 电压 值一 般在 １０Ｖ 以上 ］ 作 ０ 。设 计 的电源输 入 Ｄ ２ Ｖ， 出 Ｃ４ 输
种 简单 、 方便 的检 测方 法 ， 已广泛 用于无 损 探伤 、 材料测 厚 等领 域 。在 进行 管道 的污垢 检测 研究 时 ， 污垢
层 与 管道壁 界 面具 有不 同的声 阻抗 ， 而在 二者 交 界面 处产 生 回波 。通 过 超 声波 时 域 反射 法 进行 检 测 从
时， 每层 介质 具有 各 自的 回波 出现 。本 文设 计 的超声 波前 端 电路用 于管道 污垢 的检 ｛ 。 ９ ＿ １ ０
厂＝ ． （） １
设 计 的 Ｄ ／ Ｃ变换 高压 电源如 图 ２所 示 ， Ｃ ８２输 出为 ６脚控 制开 关管 的导通 ， ＣＤ Ｕ ３４ 其输 出脉 冲的频 率 由式 （ ） ８４脚 的电容 、 １及 、 电阻值 可得 ， 振荡 频率 为 １６Ｋ 。该 芯片 ３脚 为取样 输入 ， ０ Ｈｚ 电流 取样 放 大
第 ３ 第 ３期 ２卷
２１ ０２年 ６月
东
北
电
力大Βιβλιοθήκη 学学报 Ｖｏ ． ２． ． １ ３ Ｎｏ ３ Ｊ ．， ０ ２ ｕｎ ２ １
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮ ｒｈ ａｔ ａ ｌ Ｕ ｉｅｓ ｙ ｏ ｒ ａ ｏ ｏ ｔｅ ｓ Ｄｉｎｉ ｎｖｒｉ ｔ
文 章 编 号 ：０ ５—２９ （ ０ ２ ０ １０ ９ ２ ２ １ ）３—０ ８ ０ ０３— ５
１ 超 声波 电路 总体 结构
超 声 波检测 系统前 端 电路主 要包 括高 压 电源 、 射 电路 、 发 接收 电路 。如 图 １ 声 波收发 电路框 图 超 所示 ， 设计 的 电路基 于 Ｒ Ｃ脉 冲放 电原 理 发射 高 压 窄 脉 冲 。由单 片 机控 制 发 射 脉 冲 的宽度 及 脉 冲重 复 发 射频 率 ； 回波信 号经 放大 后 由示波器 采集 ， 并将 采集 的信 号通 过 串 口输 入 Ｐ ｃ机 ； 利用 Ｐ ｃ机 内丰 富 的 软件 资源对 数据进 行分 析处 理 。
器 的反相输 入端 的 电压通 常被钳 位 在 １Ｖ。该放 大 器 的 同 向输入 端 的电压 达 到该 门 限值 时 ， 关 电 源 开
将 产 生限流 作用 。变 压器次 级输 出升 高 的高 电压 ， 由变 压器 结构 原理 可知 ， 次级输 出 电压极 性不 变 。输
电源 、 脉冲发射电路以及 回波信号接收电路。设计 的高压电源模块产生 ３ ０Ｖ的直流 电压 ； 冲发射 电 ０ 脉
路采用 电容 瞬间放 电原理产生高压脉 冲 ； 超声波 回波信 号采用 非线性放 大 电路进 行信号 的放大 。所设 计 的电路实现 了超声波收发 的功 能。
关 键
词： 直流高压 电路 ； 脉冲电路 ； 对数放大 电路
文献标识码 ： Ａ
中 图 分 类 号 ： Ｍ ９０，Ｍ７ Ｔ ３ Ｔ ８
在多种现代检测技术中， 超声波技术以其快速 、 无损无害 、 实时在线以及检测信息丰富等多种优点， 得 到 了广泛 的应用 。尤 其超声 波 脉 冲时 域 反射 法 （ Ｔ Ｒ， ｌａｏｉ Ｔｍ —ｏ ａｎＲ ｆ ｃ ｍｅｙ 作 为 一 Ｕ Ｄ Ｕｔ ｓｎｃ ｉｅＤ ｍ ｉ ｅｅｔ ｔ ） ｒ ｌ ｏ ｒ
超 声 波 检 测 系统 前 端 电 路 设 计
冯 国 亮 ， 天 暝２ 于
（． １东北 电力大学 自动化工程学院 ；． ２ 吉林市污水处理公 司， 吉林 吉林 １２ １ ） ３ ０ ２
摘
要： 基于超声波污垢检测 系统 ， 介绍 了超声 波激励 与接收 电路 的设 计过程 。该 电路包 括 高压
调节 单 片机发 射 的驱 动 脉 冲 宽度 改 变超 声 波 发射 电
路 的脉 冲频 率 ； 采集 的 回波 信 号利 用 Ｐ Ｃ机 内丰 富 的
软件 资源对 信 号进行运 算处 理 。
图 １ 超 声 波 收 发 电路 框 图
收 稿 日期 ： ０ １—１ ２１ １—１ ４ 作者简介 ： 国亮 （９ ４一） ， 冯 １８ 男 山东省荷泽市人 ， 东北电力大学 自动化工程学院助教 ， 硕士 ， 主要研究 方向： 自动检测技术