一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，用于超聲高精密無損檢測，包括功能及時序控制電路、高壓脈沖驅動電路及超聲回波接收放大電路；通過控制電路和高壓脈沖驅動電路可驅動中心頻率為20至60MHz的超聲探頭，并且超聲脈沖重復頻率可調節范圍為0-100KHz。超聲探頭觸發方式也包括外觸發、內觸發以及上位機編程觸發等多種方式。通過超聲回波電路可實現對超聲探頭回波的隔離、濾波和放大，放大倍數可調(-4.5dB至55.5dB)。采用本發明設計的超聲發射接收電路，結合高頻超聲探頭，可實現實際工況下的界面接觸狀態和潤滑狀態的高精密高速無損測量，為后續性能、壽命評估以及理論研究提供基礎。
【專利說明】一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路
【技術領域】
[0001]本發明屬于超聲無損檢測領域，主要用于界面間彈膜厚度檢測，涉及一種高頻聚焦超聲探頭(20-60MHZ)激勵用超聲發射及回波接收電路，具體涉及一種用于超聲高精密無損檢測的雙通道高頻超聲探頭(脈沖寬度可調、重復頻率可調)用發射接收電路。
【背景技術】
[0002]具有相對運動界面間的潤滑狀態的好壞很大程度上決定了機器的運行性能好壞及使用壽命的長短。通過檢測界面間彈性潤滑膜的厚度大小，可以直接反應出界面的實際潤滑狀態。利用超聲的無損測量特性可以方便的測量實際工況下的彈膜厚度。
[0003]超聲測量膜厚方法主要包括脈沖反射法、共振法及等效剛度法。其中，等效剛度法利用超聲在界面處的回波反射率計算膜厚，主要用于10微米以下的潤滑膜厚檢測。超聲頻率越高，可測膜厚越小，如50MHz超聲頻率可測量0.02-1.3um的彈膜厚度。同時，超聲探頭頻率越高，探頭的聚焦直徑越小，測量結果的空間分辨率及準確性越高。
[0004]另外，對于高速運轉部件來說，尤其是滾動軸承中滾子與滾道的實際接觸區域極小，要在探頭經過接觸區域的時間內得到足夠多的有效測量點，需要極高的超聲脈沖重復頻率。因此，要測量這種高速下的極小區域內的極薄彈流潤滑膜厚度，需要采用高頻超聲進行高重復頻率測量。因此需要高頻超聲探頭及相應的超聲發射驅動及回波接收系統。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，從而實現界面剛度或彈膜厚度檢測。
[0006]為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案予以實現:
[0007]一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，包括功能及時序控制電路、高壓脈沖驅動電路及超聲回波接收放大電路；其中，
[0008]所述功能及時序控制電路產生驅動電路所需的時序控制信號，并通過串口與上位機進行通訊，控制脈沖寬度、重復頻率和觸發方式，實現參數的在線智能調整；
[0009]所述時序控制信號作用于所述高壓脈沖驅動電路產生高壓高頻脈沖，所述高壓高頻脈沖用于驅動高頻超聲探頭；
[0010]所述超聲回波接收放大電路用于隔離、接收、濾波和放大超聲回波信號。
[0011]本發明進一步的改進在于，所述功能及時序控制電路通過參數控制超聲脈寬、重復頻率和觸發方式。
[0012]本發明進一步的改進在于，所述功能及時序控制電路通過四路時序信號控制高壓脈沖驅動電路，其中兩路產生波形，兩路抑制信號振蕩。
[0013]本發明進一步的改進在于，所述高壓脈沖驅動電路由電平位移電路和MOSFET電路組成，通過驅動信號控制MOSFET電路的開通、關斷，對正負高壓直流電源進行斬波，從而輸出高壓高頻脈沖信號。
[0014]本發明進一步的改進在于，所述電平位移電路使用芯片為EL7158。
[0015]本發明進一步的改進在于，所述MOSFET電路使用芯片為TC6320。
[0016]本發明進一步的改進在于，所述超聲回波接收放大電路包括回波接收電路和回波信號放大電路，通過四個高速二極管橋路進行隔離、檢波和限幅，然后對回波信號進行濾波放大。
[0017]本發明進一步的改進在于，所述回波信號放大電路使用芯片為AD8331。
[0018]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
[0019]本發明通過控制電路和高壓脈沖驅動電路可驅動中心頻率為20至60MHz的超聲探頭，并且超聲脈沖重復頻率可調節范圍為Ο-lOOKHz。超聲探頭觸發方式也包括外觸發、內觸發以及上位機編程觸發等多種方式。通過超聲回波電路可實現對超聲探頭回波的隔離、濾波和放大，放大倍數可調(-4.5dB至55.5dB)。
[0020]使用本發明的超聲發射接收電路，可對20MHz至50MHz的高頻超聲探頭進行驅動控制并接收放大回波信號，進而可用于界面間接觸剛度及彈性潤滑膜厚度的無損高速測量，特別是滾動軸承Ium以下潤滑膜的測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1高頻超聲發射接收電路系統框圖；
[0022]圖2單通道超聲激勵四路控制信號波形圖；
[0023]圖3單通道尚壓超聲驅動電路不意圖，
[0024]圖4單通道超聲接收放大電路示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0026]本發明一種雙通道尚頻超聲探頭用發射接收電路，包括功能及時序控制電路、尚壓脈沖驅動電路及超聲回波接收放大電路三部分。
[0027]電路系統的整體框圖見圖1所示。其中，功能及時序控制電路主要由FPGA和ARM芯片構成。時鐘信號由150MHz有源晶振提供。FPGA通過硬件編程產生驅動電路所需的時序控制信號，每個超聲探頭四路控制信號。所述控制信號如圖2所示。控制信號為連續的單脈沖，脈沖寬度和脈沖重復頻率均可按照指定參數進行調節。ARM芯片負責控制脈沖寬度、重復頻率和觸發方式等功能，并通過串口與上位機進行通訊，進而通過各種參數控制脈沖寬度、重復頻率和觸發方式等功能，從而實現參數的在線智能調整。脈沖寬度最小可達到8ns，寬度越小，激勵超聲脈沖頻率越高。重復頻率可在O-1OOKHz范圍內任意調整。觸發方式包括外觸發、內觸發以及上位機編程觸發等多種方式。外觸發方式可通過外接數字信號，提供脈沖發射所需的重復頻率控制信號。內觸發和上位機編程觸發均為參數觸發方式，通過控制FPGA相應寄存器控制系統觸發相關參數。
[0028]高壓驅動電路主要實現激勵超聲探頭所需的高壓高頻脈沖信號。驅動電路主要由電平位移電路和MOSFET電路組成，整體框架如圖3所示。電平位移電路主要由芯片EL7158構成，將控制信號電平由3.3V提升為12V，從而提高信號的驅動能力。MOSFET電路主要由芯片TC6320構成，每兩個芯片構成一路超聲探頭驅動信號。其中一個芯片負責產生正負高壓脈沖信號；另一個負責抑制信號振蕩，提高信號質量。每個芯片中包含兩個增強型MOSFET管，通過驅動信號控制MOSFET的開通、關斷，可對正負高壓直流電源進行斬波，從而輸出脈沖電壓信號。正負高壓直流電源電壓通過電位器進行電壓調節控制，電壓范圍為O至正負200V。EL7158在電容負載2000pF時的時鐘速度可達到40MHz。實際上，TC6320輸入電容小于200pF，遠低于2000pF。因此，本電路理論上可產生中心頻率高于10MHz的輸出脈沖。實際設計中，每兩個TC6320芯片構成一路超聲探頭驅動信號。其中一個芯片負責產生正負高壓脈沖信號；另一個負責抑制信號振蕩，提高信號質量。
[0029]本發明所用的超聲探頭發射超聲波的同時也接收超聲回波。因此，回波信號與超聲激勵共用同一端口，但回波信號幅值遠小于超聲激勵信號幅值。回波接收放大電路主要包括回波接收電路和回波信號放大電路，如圖4所示。回波接收電路采用四個高速二極管橋路進行隔離、檢波和限幅，然后對回波信號進行濾波后輸入放大回路。回波信號放大電路采用AD8331芯片對超聲信號進行放大處理，放大倍數可調(-4.5dB至55.5dB)，3dB帶寬達120MHz ο
[0030]以上內容中的驅動電路是發明人在實際實施中探索的結果，不能認定本發明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發明由所提交的權利要求書確定專利保護范圍。
【權利要求】
1.一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，其特征在于，包括功能及時序控制電路、高壓脈沖驅動電路及超聲回波接收放大電路；其中， 所述功能及時序控制電路產生驅動電路所需的時序控制信號，并通過串口與上位機進行通訊，控制脈沖寬度、重復頻率和觸發方式，實現參數的在線智能調整； 所述時序控制信號作用于所述高壓脈沖驅動電路產生高壓高頻脈沖，所述高壓高頻脈沖用于驅動高頻超聲探頭； 所述超聲回波接收放大電路用于隔離、接收、濾波和放大超聲回波信號。
2.如權利要求1所述一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，其特征在于，所述功能及時序控制電路通過參數控制超聲脈寬、重復頻率和觸發方式。
3.如權利要求1所述一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，其特征在于，所述功能及時序控制電路通過四路時序信號控制高壓脈沖驅動電路，其中兩路產生波形，兩路抑制信號振蕩。
4.如權利要求1所述一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，其特征在于，所述高壓脈沖驅動電路由電平位移電路和MOSFET電路組成，通過驅動信號控制MOSFET電路的開通、關斷，對正負高壓直流電源進行斬波，從而輸出高壓高頻脈沖信號。
5.如權利要求4所述一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，其特征在于，所述電平位移電路使用芯片為EL7158。
6.如權利要求4所述一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，其特征在于，所述MOSFET電路使用芯片為TC6320。
7.如權利要求1所述一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，其特征在于，所述超聲回波接收放大電路包括回波接收電路和回波信號放大電路，通過四個高速二極管橋路進行隔離、檢波和限幅，然后對回波信號進行濾波放大。
8.如權利要求7所述一種雙通道高頻超聲探頭用發射接收電路，其特征在于，所述回波信號放大電路使用芯片為AD8331。
【文檔編號】G01B17/02GK104501751SQ201410848824
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月29日 優先權日:2014年12月29日
【發明者】景敏卿, 李猛, 劉恒 申請人:西安交通大學