王亞午，宋小春，陳海林，李羽可

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

對(duì)于電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)而言，其檢測(cè)電路阻抗匹配的好壞，直接影響到電磁超聲換能器的換能效率和最終的檢測(cè)效果［1］。電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)中存在兩種形式的基本阻抗匹配電路，即：1）激勵(lì)電源箱與激勵(lì)線圈間的阻抗匹配電路；2）接收線圈與濾波放大器間的阻抗匹配電路。要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)在上述兩種基本電路中的最大功率傳輸，就必須對(duì)電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗匹配電路設(shè)計(jì)［2］。電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)常以50～500kHz的高頻交流電作為激勵(lì)載荷［3］，此時(shí)激勵(lì)電源箱內(nèi)阻抗、線圈阻抗和濾波放大器內(nèi)阻抗均不為純阻性，而帶有容抗和感抗的特性［4］。根據(jù)阻抗匹配原則，要使檢測(cè)信號(hào)得到最大功率傳輸，就必須使激勵(lì)線圈阻抗與激勵(lì)電源箱內(nèi)阻抗、接收線圈阻抗與濾波放大器內(nèi)阻抗?jié)M足共軛關(guān)系，即電抗成份絕對(duì)值相等而符號(hào)相反［5－6］。

阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)方法有很多，起初電路工程師通過(guò)手工計(jì)算的方法進(jìn)行阻抗匹配電路設(shè)計(jì)。史密斯圓圖設(shè)計(jì)法以讀取圖表的形式避免了繁復(fù)的手工計(jì)算，使電路設(shè)計(jì)更加便捷［7－8］，而計(jì)算機(jī)仿真軟件結(jié)合史密斯圓圖的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真程序代替人腦進(jìn)行復(fù)雜查表運(yùn)算，使阻抗匹配電路的開(kāi)發(fā)更加迅速、準(zhǔn)確［9］。鑒于此，本文使用ADS電路開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)阻抗匹配電路，而后通過(guò)MULTISIM仿真分析軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的阻抗匹配電路進(jìn)行分析，最后通過(guò)相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)對(duì)理論設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)理論結(jié)合實(shí)踐的研究方式，優(yōu)化電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)的傳輸電路，提升電磁超聲檢測(cè)效率，為電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)的阻抗匹配電路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 基于ADS的阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

采用Agilent公司開(kāi)發(fā)的ADS電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)阻抗匹配電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)電路分為超聲激勵(lì)和超聲接收兩部分：在超聲激勵(lì)部分中，激勵(lì)電源箱作為源阻抗，激勵(lì)線圈作為負(fù)載阻抗；在超聲接收部分中，接收線圈作為源阻抗，而濾波放大器作為負(fù)載阻抗。兩種電路的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 阻抗匹配電路設(shè)計(jì)思路

1.1 超聲激勵(lì)部分阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)電源箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。在進(jìn)行阻抗匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)，激勵(lì)電源箱與激勵(lì)線圈等效為圖3所示簡(jiǎn)化電路［10］，其中Cin為激勵(lì)電源箱端口電容，Rin為激勵(lì)電源箱內(nèi)阻，Leq為線圈等效電感，Req為線圈等效電阻，Cd為線圈等效分布電容。

圖2 激勵(lì)電源箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 電源箱內(nèi)部簡(jiǎn)化電路

當(dāng)匹配頻率為200kHz時(shí)，激勵(lì)電源箱與激勵(lì)線圈間的史密斯匹配圓圖如圖4所示。通過(guò)仿真計(jì)算，激勵(lì)電源箱與激勵(lì)線圈間的LC阻抗匹配電路如圖5所示，圖中P1、P2分別表示激勵(lì)電源箱與激勵(lì)線圈，匹配電容C1≈25.5nF，匹配電感L1≈93.2μH。

圖4 激勵(lì)電源箱與激勵(lì)線圈間的史密斯圓圖示意圖

圖5 LC阻抗匹配電路

仿真分析當(dāng)電流頻率為100～300kHz時(shí)，電路中的反射值，分析結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明：隨電流頻率的增大，電路反射值呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)電流頻率為200kHz時(shí)，匹配電路未出現(xiàn)反射，電路中能量全部傳輸，故上文所述的LC阻抗匹配電路設(shè)計(jì)方法可行。

圖6 頻率100～300kHz電路反射值

1.2 超聲接收部分阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

通過(guò)電表測(cè)得濾波放大器的電阻值為602.2 Ω，電容值為4.5×10－8F。由于電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)激勵(lì)部分與接收部分呈對(duì)稱設(shè)計(jì)，故接收線圈與激勵(lì)線圈屬性相同。阻抗匹配電路原理圖如圖7所示。

圖7 阻抗匹配原理圖

選擇阻抗匹配頻率為200kHz，接收線圈與濾波放大器間的史密斯匹配圓圖如圖8所示。通過(guò)仿真計(jì)算，接收線圈與濾波放大器間的LC阻抗匹配電路如圖9所示，其中匹配電容C1≈12.1nF，匹配電感L1≈19.3μH。

圖8 接收線圈與濾波放大器間的史密斯圓圖示意圖

圖9 LC阻抗匹配電路

仿真分析當(dāng)電流頻率為100～300kHz時(shí)，匹配電路中的反射值，分析結(jié)果如圖10所示。分析結(jié)果表明：隨電流頻率的增大，電路反射值先減小后增大，當(dāng)頻率為200kHz時(shí)，源端與負(fù)載間阻抗匹配良好，設(shè)計(jì)方案可行。

圖10 頻率100～300kHz電路反射值

2 基于MULTISIM的阻抗匹配電路仿真分析

鑒于上文所述的兩種阻抗匹配電路設(shè)計(jì)原理相同，設(shè)計(jì)方法相近，本節(jié)采用NI公司開(kāi)發(fā)的MULTISIM電路仿真軟件，僅針對(duì)圖5所示阻抗匹配電路進(jìn)行分析，圖9所示電路分析方法相同，分析結(jié)果可類比，故在此不做詳細(xì)描述。根據(jù)實(shí)際電路的結(jié)構(gòu)特征，建立電路仿真模型如圖11所示，其中圖11a為未經(jīng)阻抗匹配前的原始電路，圖11b為經(jīng)阻抗匹配后的新電路。

圖11 電路仿真模型

分別在兩種電路激勵(lì)線圈端口處安放探針（圖11），則激勵(lì)線圈功率P＝V（探針）×I（探針）。設(shè)置仿真起止頻率為：100～300kHz，通過(guò)計(jì)算求解，仿真結(jié)果如圖12所示，其中圖12a為不同激勵(lì)頻率下，未經(jīng)阻抗匹配的原始電路中激勵(lì)線圈功率，圖12b為不同激勵(lì)頻率下，經(jīng)阻抗匹配后的新電路中激勵(lì)線圈功率。分析結(jié)果表明：1）經(jīng)阻抗匹配設(shè)計(jì)后的電路，在激勵(lì)頻率為200kHz左右時(shí)，線圈功率突變，并且在激勵(lì)頻率為200kHz時(shí)達(dá)到最大值；2）未經(jīng)阻抗匹配設(shè)計(jì)的原始電路，隨激勵(lì)頻率的增加，線圈功率先增大后減小，且變化趨勢(shì)緩慢，在激勵(lì)頻率為200kHz左右時(shí)，線圈功率未達(dá)到最大值；3）在給定激勵(lì)頻率為200kHz的情況下，相比較于未經(jīng)阻抗匹配設(shè)計(jì)的電路，電路經(jīng)阻抗匹配設(shè)計(jì)后，激勵(lì)線圈功率增大。這是因?yàn)椋鹤杩蛊ヅ湓O(shè)計(jì)使電路中激勵(lì)源與負(fù)載間的反射值減小，電路中能量傳輸效率更高。

圖12 不同激勵(lì)條件下線圈功率圖

3 電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)電路阻抗匹配設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)仿真計(jì)算得出的阻抗匹配電路設(shè)計(jì)方案，使用自主研制電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行阻抗匹配電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究。電磁超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由：激勵(lì)電源箱、電磁超聲換能器、200kHz的濾波放大器、待檢測(cè)鋼板和示波器等5部分組成。對(duì)板中預(yù)設(shè)孔徑為10mm的通孔缺陷實(shí)施在線檢測(cè)，并截取示波器中缺陷回波信號(hào)進(jìn)行分析，當(dāng)激勵(lì)頻率為200kHz時(shí)，電磁超聲檢測(cè)結(jié)果如圖13所示，其中圖13a為檢測(cè)電路未經(jīng)阻抗匹配設(shè)計(jì)的電磁超聲檢測(cè)結(jié)果，圖13b為檢測(cè)電路經(jīng)阻抗匹配設(shè)計(jì)后的電磁超聲檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)比圖13a與圖13b，電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)阻抗匹配設(shè)計(jì)后，缺陷回波信號(hào)幅值提升44.26%，缺陷識(shí)別度提高，檢測(cè)效率提升。

圖13 電磁超聲檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

利用電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，設(shè)計(jì)阻抗匹配電路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)阻抗匹配設(shè)計(jì)后，缺陷回波信號(hào)幅值提升44.26%，系統(tǒng)檢測(cè)效率大幅提升。

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