王海濤，葛金鑫，楊先明

（1.南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016；2.煙臺富潤實業(yè)有限公司，煙臺 264670）

目前，相控陣超聲成像檢測技術(shù)在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域中的應用越來越廣泛。相控陣超聲成像檢測技術(shù)是采用多陣元陣列換能器，依靠計算機技術(shù)控制陣列中各陣元發(fā)射超聲波的時間（相位）來控制各陣元的聲束在聲場中的偏轉(zhuǎn)、聚焦；或控制接收陣列換能器中各陣元接收回波信號的時間（相位），進行偏轉(zhuǎn)、聚焦成像檢測的一種高端技術(shù)，是目前超聲檢測技術(shù)中的發(fā)展熱點之一［1］。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)聚焦，具有高檢測分辨力、高信噪比和高靈敏度等優(yōu)點。筆者主要討論相控陣超聲成像硬件電路，其中包括超聲發(fā)射電路及獲取回波信號之后的調(diào)理電路，并通過超聲標準試塊驗證設計的硬件電路的可行性。

1 發(fā)射電路

超聲發(fā)射電路主要包括電源、驅(qū)動電路、發(fā)射電路、阻尼電阻和超聲探頭。發(fā)射電路直接影響著超聲信號的特性。發(fā)射電路采用電容瞬間充放電電路，產(chǎn)生尖脈沖激勵信號來激勵超聲探頭［2］。根據(jù)脈沖激勵原理可知，為了更有效地激勵超聲探頭，要盡量減少激勵脈沖上升時間，提高激勵脈沖幅度，減少脈沖寬度［3］。激勵脈沖上升時間主要由電路開關(guān)的完全閉合速度決定，脈沖幅度和寬度主要受直流高壓幅度和開關(guān)電路的影響；因此，必須選擇合適的開關(guān)元件和驅(qū)動芯片。

圖1 超聲發(fā)射電路原理圖

硬件系統(tǒng)的超聲發(fā)射電路原理圖如圖1所示。驅(qū)動電路中驅(qū)動芯片使用ISL55110，并且選擇場效應管作為開關(guān)元件。ISL5510可輸出5～12V的脈沖電壓，具有1.5ns的上升和下降時間，驅(qū)動電流可達到3.5A，能快速對場效應管的輸入電容進行充放電，實現(xiàn)場效應管的高速導通。ISL55110需要5，12V工作電壓，并控制輸入電壓的上電順序。為了使芯片穩(wěn)定工作，在電壓輸入管腳并聯(lián)瓷片電容和鉭電容對輸入電壓進行去耦處理，同時在12V電壓輸入端串聯(lián)合適的電阻進行限流。

觸發(fā)脈沖未到來之前，高電壓對電容C5進行充電；觸發(fā)脈沖到來之后，高電壓對電容C5進行放電。二極管D1和D2在發(fā)射激勵脈沖時，由于采用正向接法，故不影響C5的充放電；而在接收回波時，由于回波信號幅度都是幾十微伏數(shù)量級，兩個二極管均處于截止狀態(tài)，因此二極管起到隔離作用，消除發(fā)射電路對接收電路的影響［4］。R4是阻尼電阻，具有增加探頭的阻尼作用；為了使產(chǎn)生的回波信號比較理想，需要選擇合適的電阻值。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)16路相控陣超聲檢測，將使用帶有16個陣元的相控陣探頭。但在調(diào)試單通道電路時，將利用相控陣探頭中的一個陣元進行試驗。

2 信號處理電路

超聲換能器直接接收到的超聲回波信號，幅度比較高且含有不同頻率的雜波，故需要對接收到的超聲回波信號進行處理。超聲回波信號處理的原理框圖如圖2所示。

根據(jù)這個原理框圖，設計相應的信號處理電路，如圖3所示。

圖2 回波信號處理原理框圖

由于接收到的回波信號幅度比較高，如果不對回波信號進行處理就直接送到后級的運放中進行放大，會對運算放大器產(chǎn)生沖擊，甚至會損壞放大芯片，使整個系統(tǒng)無法工作。所以，進行信號放大之前需要對信號進行限幅處理，系統(tǒng)中使用二極管鉗位電路對回波信號進行限幅處理。為了避免限幅電路受到強電流沖擊，在二極管之前串聯(lián)了限流電阻。系統(tǒng)的放大電路部分分別采用AD603和AD829進行放大。AD603是低噪聲且由電壓控制的增益放大器，AD603的放大倍數(shù)計算公式為Gain（dB）＝40VG＋G0。其中VG是差動式輸入的增益控制電壓；G0根據(jù)不同的接法，分別為10，20，30dB。系統(tǒng)中VG為0，G0為30dB，所以前級放大的倍數(shù)為30dB。放大回波信號的同時也放大雜波信號，需要對回波信號進行濾波處理。根據(jù)探頭的中心頻率4MHz，設計一個中心頻率為4MHz，帶寬為1MHz的三階巴特沃斯帶通濾波器。使用Filter Solutions輸入濾波器參數(shù)，就可以得到電容電感的數(shù)值［5］。然后根據(jù)市面上有售的電容電感值微調(diào)電容電感值，完成濾波器設計。后級使用AD829進行放大，AD829是高速低噪聲放大器。由于濾波后的信號相對還是比較微弱，因此在這一級放大部分可以將放大倍數(shù)調(diào)整為10，放大之后的信號相對比較理想，有利于之后的軟件處理。以上設計的是單通道超聲檢測電路，多通道超聲相控陣檢測電路只需根據(jù)系統(tǒng)要求對單通道電路進行相應擴展，然后通過FPGA來控制觸發(fā)信號延時，實現(xiàn)延時激勵不同的陣元。

圖3 超聲回波信號處理電路

3 試驗測試

為了驗證自行設計的單通道電路的效果，使用超聲檢測標準鋁塊進行測試。在ISL55110的輸入端輸入頻率為4MHz，幅度為3.3V，時間間隔為20ms的四個連續(xù)觸發(fā)信號。超聲換能器在高壓負脈沖的激勵下產(chǎn)生超聲波，發(fā)射電路的作用就是產(chǎn)生高壓負脈沖。將ISL55110上電工作后，測量超聲探頭前端的波形，測得的波形如圖4所示。

圖4 高壓負脈沖波形

從圖4中可以看出，由于輸入了連續(xù)的四個脈沖信號，后三個脈沖信號逐個衰減。如果只輸入一個脈沖信號就不會出現(xiàn)逐個衰減現(xiàn)象。測得第一個脈沖的電壓峰值為145V，而實際高壓端的輸入電壓為240V，衰減將近40%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是因為選用的場效應管的開關(guān)時間沒有達到理想的工作狀態(tài)，并且場效應管的結(jié)電容也會造成電壓衰減。同時產(chǎn)生的高壓負脈沖也存在一些問題，波形中包含大量的振蕩干擾。通過分析，這些振動干擾主要是由于ISL55110輸入邏輯信號頻率偏高，引入振鈴，間接導致MOSFET的開關(guān)效果變差。但是發(fā)射電路產(chǎn)生的高壓負脈沖，已經(jīng)達到激勵超聲換能器工作的要求。然后對超聲標準試塊進行檢測，圖5顯示的是穩(wěn)壓輸出之后的信號波形。

圖5 穩(wěn)壓輸出波形

通過圖5可以看出，穩(wěn)壓之后的缺陷回波的幅值已經(jīng)穩(wěn)定在20mV左右，已經(jīng)能夠滿足放大芯片的信號輸入要求。圖6顯示的是通過帶通濾波器之后的回波信號波形，可看出，缺陷回波信號的幅值，經(jīng)過AD603放大之后已經(jīng)得到明顯的放大，并且波形中的雜波信號已經(jīng)被濾除。

圖6 濾波之后的回波信號

圖7顯示的是回波信號經(jīng)過AD829放大之后的信號，可以看出，缺陷回波的幅值經(jīng)過兩級放大之后，已經(jīng)達到可分辨的程度，這樣的信號波形可通過采集卡采集之后送入計算機，從而進行缺陷的還原。

圖7 放大之后的缺陷回波信號

4 結(jié)論

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，超聲發(fā)射接收電路能夠?qū)崿F(xiàn)對于缺陷的檢測。這樣，設計一個多通道的超聲相控陣檢測裝置，只需要將單通道超聲檢測電路根據(jù)需求相應擴展，并通過FPGA控制陣列探頭中各個陣元激勵脈沖的時間延遲，實現(xiàn)聚焦點位置和聲束方位的變化，從而合成相控波束，完成超聲掃描成像。將FPGA和此系統(tǒng)組合起來可得到一個多通道超聲相控陣檢測儀的硬件部分。

［1］ 施克仁，郭寓岷.相控陣超聲成像檢測［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］ 馮紅亮，肖定國，徐春廣，等.脈沖超聲傳感器激發(fā)／接收電路設計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2003（11）：30－32.

［3］ 游云通，劉松平，宋秀榮.一種新穎的寬窄脈沖超聲波發(fā)生電路［J］.航空制造技術(shù)，2004（4）：88－91.

［4］ 龍云玲，劉艷，秦鑫，等.醫(yī)用小型B超儀發(fā)射電路設計［J］.中國醫(yī)療設備，2011（6）：35－36.

［5］ 吳見平，周宇，陳國帥.利用Filter Solutions輔助設計濾波器［J］.大眾科技，2012（3）：8－10.