專利名稱：可調寬脈沖組合超聲震源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種毫微秒脈沖發生器，更確切地說是涉及一種超聲波震源超聲波震源是供給電聲型換能器的一種交流電能源設備，產生所需工作頻率的一定大小的電功率，再經超聲換能器轉變為所需頻率的超聲能，超聲震源廣泛應用于聲納、超聲探傷、超聲測量和地震物理模型實驗等技術領域中，通常要求超聲震源具有盡可能強的發射能量和盡可能短的延續時間(亦稱余波)，從而使超聲震源具有盡可能強的穿透力和盡可能高的分辨力，目前的超聲震源普遍采用單一脈沖法，其主要工作原理是由單穩態觸發器向毫微秒脈沖產生電路提供上升時間小于10ns的快沿觸發脈沖，經射極跟隨器轉變為時基信號輸出作為微機的起始時間標志，生成定幅定寬的脈沖信號加至高頻高反壓晶體管基極上，其集電極加高壓并處于雪崩擊穿工作狀態，平時無信號輸出，當快沿觸發脈沖到來時，三極管瞬時導通、負載電容快速放電，形成極性為負的窄脈沖輸出，調整負載電阻和負載電容可在一定范圍內調整脈沖底寬和脈沖幅度，且底寬越窄，幅度越低。
由于電聲換能器晶片固有震動特性和受探頭制作工藝的限制，以上述單一窄脈沖作震源，在發射能量和震動延續時間兩方面均不能滿足上述科學技術領域的要求，解決這個問題通常采用抓兩頭的技術，一種是選擇高質量的超聲換能器，盡量改善其性能以滿足技術要求，另一種是從加在超聲換能器上的脈沖信號入手，使其提高發射能量和減少超聲波余波。
本發明的目的是為提高超聲深頭的穿透力和分辨力、解決超聲震源發射能量和余波方面的問題，從加在超聲換能器上的脈沖信號入手設計一種可調寬脈沖組合超聲震源。
本發明的基本原理是設計一種能同時產生數個正、負脈沖的脈沖發生器，各脈沖的脈沖個數可調，各脈沖的寬度可調、幅度可調、脈沖間隔時間可調;對這數個正、負脈沖按一定的方式組合且高壓輸出后再加至超聲換能器上，用組合波形中的負脈沖信號去補償(或抵消)由正脈沖信號產生的超聲波余波，調整脈沖寬度可適應不同頻率電聲換能器的需要因為，在一定寬度范圍內能量隨脈沖寬度增加而增大，因而調寬脈沖可明顯提高超聲震源的能量，顯著增強超聲波穿透力，同時通過脈寬達到控制超聲波穿透力的目的;將若干個調寬脈沖按一定方式組合時，電聲換能器的輸出響應也是若干個調寬脈沖響應疊加的結果，以致基本抵消余波。
本發明的可調寬脈沖組合超聲震波，由中央控制部分、脈沖形成部分、按鍵和顯示部分、電源部分四大功能部件組成，中央控制部分根據一組按鍵提供的信息控制脈沖形成部分同時輸出要求的脈沖個數S1-Sn，同時控制顯示部分顯示按鍵組提供的信息;脈沖形成部分根據中央控制部分提供的信息組合輸出正、負相間的高壓脈沖;按鍵和顯示部分為中央控制部分提供控制信息，如輸出脈沖的個數、各脈沖中脈沖與脈沖的間隔時間、外觸發方式還是內觸發方式、內部觸發時的脈沖重復頻率等，并顯示以上信息;電源部分為其余三個功能部件提供工作電源，其特征在于所述的中央控制部分包括最小單片機系統和向單片機中斷端輸入外觸發脈沖的整形電路，單片機n個I/O端可同時分別輸出n個S0"-Sn"脈沖，所述按鍵組與單片機的I/O端及數據D端連接;所述的脈沖形成部分包括n個S0"-Sn"的脈沖寬度及間隔時間細調電路，生成S1-Sn個脈沖，和對生成的S1-Sn進行波形組合并高壓輸出的脈沖發射器。
本發明由單片機程序控制所生成的S1-Sn脈沖個數、脈沖間隔時間及重復頻率等，使之保持在一范圍內，即完成粗調，由S1-Sn的各路細調電路對脈沖間隔時間及重復頻率進行細調，最終完成組合脈沖波形的調節。
下面結合實施例及其附圖進一步說明本發明的技術本實施例的中央控制部分可同時生成六個脈沖信號，六個脈沖可同起點，也可不同起點，如
圖1-1S1′-S6′所示，根據需要，六個脈沖從一至六可以任意組合高壓輸出，如圖1-2所示，組合脈沖信號幅度從0-400V連續可調，脈沖寬度從150ns-4μs連續可調，脈沖間隔時間從200ns-20μs連續可調。
圖1-1，S1′-S6′實施波形示意1-2，高壓組合脈沖實施波形示意2，可調寬脈沖組合超聲震源的方框原理3，圖1中中央控制部分的實施電路4-1，圖1中脈沖形成部分的實施例1電路4-2，圖1中脈沖形成部分的實施例2電路5，圖1中按鍵和顯示部分的實施電路6-1、圖6-2分別為圖4-1、圖4-2中脈沖形成部分的脈寬及間隔時間細調電路的工作波形圖。
圖7，可調寬脈沖組合超聲震源工作主流程圖之一圖8，可調寬脈沖組合超聲震源工作主流程圖之二圖9，可調寬脈沖組合超聲震源工作主流程圖之三參見圖2，可調寬脈沖組合超聲震源由電源部分10、中央控制部分20、按鍵和顯示部分30、高壓組合脈沖形成部分40組成電源部分10提供兩組+5V、一組+12V和正、負400V高壓中央控制部分20可同時輸出S1-S6六個脈沖信號，也可只輸出其中一個或2-5個脈沖信號，但正、負脈沖相間單片機的中斷端輸入外觸發信號EXT-TRIG，同步輸出信號SYNC由其一個I/O端輸出操作按鍵部分30的一組按鍵，可控制輸出脈沖S1-S6的個數，脈沖和脈沖之間的間隔(粗調)、外觸發或內觸發選擇，內觸發時的重復頻率，中央控制部分20根據按鍵信息控制高壓組合脈沖形成部分40，并控制顯示按鍵組提供的信息，最后由脈沖形成部分40輸出要求的正、負相間的高壓組合脈沖。
圖3所示為中央控制部分20的實施電路，包括由IC1單片微處理器8031、IC2數據鎖存器74LS373和IC3存貯器2764構成的最小單片機系統，對外觸發脈沖進行整形取其下降沿作為單片機中斷輸入信號的IC4單穩態觸發器74LS123，與單片機P17、P16連接的按鍵SW1、SW2分別用于選擇內、外觸發方式和對脈沖間隔時間、脈沖寬度進行粗調，與單片機P10-P15連接的IC5-1… …IC5-6六反相器將單片機同時輸出的六個脈沖信號S1′-S6′分別送六個光電耦合器T1L117，光電耦合輸出的SO″-Sn″送圖4-1或圖4-2脈沖形成電路的同名端，采用光電隔離器的目的是為增加電路的抗干擾能力圖中譯碼器IC6對地址A5、A6、A7進行譯碼，輸出Y1-Y8信號至圖5的按鍵和顯示電路“S1”信號并作為同步SYNC信號輸出，數據信號D0-D7及讀寫信號WR、RD送圖5的按鍵和顯示電路。
圖4-1所示的為高壓組合脈沖形成部分40的一個實施電路，包括六組分別與S1″-S6″連接的脈寬、時間間隔細調電路和脈沖組合高壓發射電路每組脈寬、時間間隔細調電路由兩級單穩態觸發器IC7、IC8和施密特反相整形電路IC9串接構成，其工作波形可參見圖6-1，調正R1、R4可細調每個脈沖的寬度T1及間隔時間T2因篇幅有限圖中只畫出一組(S1)脈沖的細調電路，調正后的六組脈沖S1-S6送脈沖發射器IC10，進行幅度調節、高壓、組合輸出圖中脈沖發射器IC10的外接電阻R5-R10分別用于調整S1-S6的脈沖幅度。
圖4-2所示為高壓組合脈沖形成部分40的另一個實施電路，也包括六組分別與S1″-S6″連接的脈寬、時間間隔細調電路和脈沖組合高壓發射電路，每組脈寬、時間間隔細調電路由單穩態觸發器IC7、IC7′、IC8，整形與非門IC9，施密特反相整形電路IC7′、IC8′連接構成限于篇幅，圖中僅畫出一組即S1″的調節電路，其余五組的電路結構與之完全相同，整形與非門IC9輸出的六路寬度可調、脈沖間隔時間可調的脈沖信號在IC10中進行組合高壓輸出調節電路的工作波形可參見圖6-2，S″為輸入脈沖波形、IC7Q、IC7′Q、IC8Q、IC7″、IC8′、IC9分別為IC7Q端、IC7′Q端、IC8Q端、IC7″輸出端、IC8′輸出端和IC9輸出端波形R1、R2用于調節IC7Q的脈沖寬度，細調脈沖間隔時間，IC7′Q脈寬固定，R4、R5用于調節IC8Q的脈沖寬度，由IC9輸出的脈沖，其寬度T1可調，其間隔時間T2可調。圖4-1、圖4-2實施例，脈沖寬度從150ns-4μs連續可調，脈沖間隔時間從200ns-20μs連續可調。
圖5所示為按鍵和顯示部分30的實施電路，一組按鍵SW3-SW6及數據鎖存器IC11，通過數據端D0-D7向單片機IC1提供按鍵組命令，數據鎖存器IC12及一組LED發光管L1-L8通過數據端D0-D8讀出單片機輸出的顯示信號，如L1用于顯示接通電源，L2顯示內、外觸發方式，L3-L8分別用于顯示當前的S1-S6脈沖。數據鎖存器IC14、IC15、IC16及其數碼管SMG1-SMG3用于顯示脈沖的重復頻率(ms)及脈沖間隔時間(μs)，或非門IC13-1……IC13-5用于對輸入的Y1-Y5進行組合生成IC14、IC12、IC16、IC15及IC11的片選信號。
圖7-圖9所示為本調寬脈沖組合超聲震源實施例的工作主流程圖，其中圖7較詳細地說明了SW1、SW3-SW6各按鍵對選擇脈沖個數、S1-S6的組合方式、調整S1-S6的脈寬、調整S1-S6脈沖間隔時間及控制內、外觸發各功能時的作用。
SW1為撥動開關，兩個撥動位置分別表示工作于內觸發方式或外觸發方式，SW1＝1時為內觸發工作方式，單片機按一定時間循環產生脈沖波，軟件調整脈沖個數、脈沖與脈沖的間隔時間以及重復頻率SW1＝0時為外觸發工作方式，單片機脈沖信號的產生受外觸發信號的控制，開中斷，同時檢查SW1的狀態并等待，當SW1又恢復為1時關中斷返回。
SW3-SW6均為按鍵式開關，其中SW3用于調整脈沖個數，每操作一次SW3，單片機I參數加1，I從0至6按加1遞增，當I＝6時返回I＝0，I參數分別為0、1、2、3、4、5時，對應六種波形組合方式MCFS0-MCFS5(參見圖8)。
當SW1＝1、SW3＝0時，每操作一次SW4，單片機J參數按加1遞增，當J＝60時返回J＝1，J參數用于調整重復頻率。
當SW1＝1、SW3＝0、SW4＝0時，每操作一次SW5，單片機K參數按減1遞減，在SW5＝0時，每操作一次SW6，單片機K參數按加1遞增K參數用于調整脈沖與脈沖間的時間間隔。
SW2亦為按鍵開關，用于選擇單、雙脈沖，當SW2＝0時，為產生雙脈沖，即正、負相間的脈沖，此時根據單片機I參數的值，選擇不同的波形組合方式MCFS0-MCFS5。當SW2＝1時，為產生單脈沖，即奇數個負脈沖，此時根據單片機I的值1、3、5，選擇波形組合方式MCFS1、MCFS3和MCFS5，如圖8所示。
圖9所示為中斷服務程序(ZDFW)，其工作原理同圖8說明，RETI為中斷等待。
圖8、圖9流程中，對I>5的情況作了處理，I>5說明有誤信號存在，則自動轉為執行MCFSO。
本發明的可調寬脈沖組合超聲震源實施例，經在地震物理模型實驗中使用，對于200KHz的超聲探頭，與美國5055PR型設備在相同脈沖幅度條件下比較，超聲波能量可提高6倍，對于余波長2個周期的超聲信號可補償到半個波，因此本發明的可調寬正、負組合脈沖作為超聲震源比現有技術以單一極性脈沖作為超聲震源，對于提高超聲探頭的穿透力和分辨力有十分明顯的效果。
權利要求
1.一種可調寬脈沖組合超聲震源，包括以內觸發方式或接收外觸發中斷輸入信號、同時生成S1″-Sn″個正、負脈沖信號的中央控制部分，將S1″-Sn″個正、負脈沖組合生成高壓組合脈沖輸出的脈沖形成部分，向中央控制部分輸入控制信息、控制生成正、負脈沖個數、脈沖間隔時間、內/外觸發方式、內觸發脈沖重復頻率的一組按鍵，與中央控制部分數據端連接、用于顯示控制信息的顯示器和電源部分，其特征在于所述的中央控制部分包括由單片機、數據鎖存器、存貯器組成的最小單片機系統和向單片機中斷端輸入外觸發脈沖的整形電路，所述的S1″-Sn″個正、負脈沖信號同時由單片機的n個I/O端輸出；所述按鍵組與單片機的I/O端及數據D端連接；所述的脈沖形成部分包括對S1″-Sn″進行脈沖寬度及間隔時間細調，分別輸出S1-Sn的n個調節電路和對S1-Sn進行波形組合并高壓輸出的脈沖發射器。
2.根據權利要求1所述的可調寬脈沖組合超聲震源，其特征在于所述的調節電路由2組單穩態觸發器串接施密特反相整形電路組成，輸入脈沖連接第一級單穩態觸發器的上升沿觸發端，第1級單穩態觸發器Q端與第二級單穩態觸發器的下降沿觸發端連接，第二級單穩態觸發器Q端與施密特反相整形電路輸入端連接。
3.根據權利要求1所述的可調寬脈沖組合超聲震源，其特征在于所述的調節電路由3級單穩態觸發器連接施密特反相整形電路和整形與非電路構成，輸入脈沖連接第一級單穩態觸發器的上升沿觸發端，第二級單穩態觸發器Q端與第二級單穩態觸發器及第三級單穩態觸發器的下降沿觸發端連接，第二級單穩態觸發器的Q端經施密特反相整形電路接整形與非電路的一個輸入端，第三級單穩態觸發器的Q反端經施密特整形電路接整形與非電路的另一個輸入端，整形與非電路輸出調節脈沖。
4.根據權利要求1所述的可調寬脈沖組合超聲震源，其特征在于所述的n為6，所述的S1-Sn個正、負脈沖是三個正脈沖、三個負脈沖。
5.根據權利要求1所述的可調寬脈沖組合超聲震源，其特征在于所述的按鍵組包括與所述單片機I/O端連接的內、外觸發工作方式選擇開關SW1和單、雙脈沖選擇開關SW2，通過單片機I參數調整脈沖個數的按鍵開關SW3，通過單片機J參數調整脈沖重復頻率的按鍵開關SW4，使單片機K參數按加1遞增的按鍵開關SW6和使單片機K參數按減1遞減的按鍵開關SW5，所述SW3-SW6一端接高電位，另一端分別接一數據鎖存器的數據端，數據鎖存器輸出端分別接單片機數據端。
全文摘要
本發明涉及一種超聲波震源，為提高發射能量和解決震動延續時間問題而設計。由中央控制、脈沖形成、電源、按鍵及顯示四大部件組成。中央控制部分根據按鍵操作同時生成數個正、負脈沖，脈沖個數、寬度、間隔時間、幅度可調，并由顯示器顯示，脈沖形成部分對數個正、負脈沖進行組合并高壓輸出，用組合波形中的負脈沖去補償由正脈沖產生的超聲余波，調整脈寬適應不同頻率換能器。經試驗有明顯提高超聲源穿透力和分辨率的作用。
文檔編號B06B1/02GK1110440SQ9410346
公開日1995年10月18日 申請日期1994年4月8日 優先權日1994年4月8日
發明者牟永光, 狄邦讓 申請人:石油大學