改進(jìn)型lcl諧振電路的電磁超聲換能器及其元器件參數(shù)設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器，包括信號(hào)發(fā)射部、偏置磁場以及信號(hào)接收部，信號(hào)發(fā)射部與偏置磁場作用產(chǎn)生超聲波檢測被測器件，反射的超聲波與偏置磁場作用，產(chǎn)生信號(hào)被信號(hào)接收部接收，得出檢測結(jié)果，信號(hào)發(fā)射部由信號(hào)發(fā)射電路、阻抗匹配電路以及激勵(lì)線圈電路組成，阻抗匹配電路為LCL諧振電路。本發(fā)明還公開了用于本發(fā)明的元器件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明通過兩級(jí)諧振能得到較高的電壓增益供給電磁超聲波換能器，無需變壓器，沒有變壓器磁飽和和電磁干擾的問題；產(chǎn)生的脈沖激勵(lì)信號(hào)頻譜單一，檢測精度高；直流電壓源可以為鋰電池等電源，便于攜帶。
【專利說明】
改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器及其元器件參數(shù)設(shè)計(jì) 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無損傷探測領(lǐng)域，特別是涉及一種改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換 能器及其元器件參數(shù)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)自動(dòng)化的極大發(fā)展，各種設(shè)備得到大規(guī)模運(yùn)用，在使用中安全隱患問題 也極大突顯出來，為了消除這類問題，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行不定期探傷檢測，因此，無損傷探傷 技術(shù)迅速發(fā)展。在無損傷探傷領(lǐng)域，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有傳播距離遠(yuǎn)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng) 用前景十分廣闊。在超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)中，電磁超聲波檢測技術(shù)以其非接觸、耐高溫、無需 耦合劑的優(yōu)點(diǎn)，成為超聲檢測技術(shù)的前沿發(fā)展技術(shù)之一。在電磁超聲波檢測技術(shù)中，電磁超 聲波激勵(lì)源的激勵(lì)信號(hào)需要是高頻窄帶寬脈沖信號(hào)，傳統(tǒng)技術(shù)主要是利用變壓器獲得高壓 增益，但是這種方法會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，而且變壓器是具有高轉(zhuǎn)換比率的脈沖型變壓器，而這 種變壓器不僅有磁飽和的限制，而且需要復(fù)雜的保護(hù)電路，體積龐大，成本高，難以實(shí)現(xiàn)小 型化便攜式設(shè)備使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器及 其激勵(lì)電源元器件參數(shù)設(shè)計(jì)方法。利用全橋逆變器產(chǎn)生脈沖型方波信號(hào)，再經(jīng)改進(jìn)型LCL諧 振電路的兩級(jí)諧振產(chǎn)生無諧振拖尾的正弦波的脈沖型激勵(lì)高壓信號(hào)，用以激勵(lì)電磁超聲換 能器產(chǎn)生超聲波進(jìn)行元器件探傷。
[0004] 技術(shù)方案如下：
[0005] -種改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器，包括信號(hào)發(fā)射部、偏置磁場以及信號(hào) 接收部，其關(guān)鍵在于:所述信號(hào)發(fā)射部由信號(hào)發(fā)射電路、阻抗匹配電路以及激勵(lì)線圈電路組 成，所述信號(hào)發(fā)射電路產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)，矩形脈沖經(jīng)阻抗匹配電路電壓增益后輸入激勵(lì) 線圈電路產(chǎn)生交變電磁場，交變電磁場與偏置磁場產(chǎn)生的電禍流作用產(chǎn)生發(fā)射超聲波，該 發(fā)射超聲波作用在被測物體上，信號(hào)接收部接收被測物體反射超聲波；
[0006] 所述阻抗匹配電路為LCL諧振電路，由電感Ls、電感Lp、電容CP組成，電感Ls的前端 連接信號(hào)發(fā)射電路的第一輸出端，獲取矩形脈沖信號(hào)，電感Ls的后端串電容C P后接信號(hào)發(fā)射 電路第二輸出端，電感Ls的后端還接電感LP的前端，電感L P后端接激勵(lì)線圈電路的輸入端。
[0007] 采用上述結(jié)構(gòu)，通過兩級(jí)諧振能提供較高的電磁超聲波換能器所需的脈沖型激勵(lì) 電壓，無需變壓器，沒有變壓器磁飽和和電磁干擾的問題;產(chǎn)生的脈沖激勵(lì)信號(hào)頻譜單一， 檢測精度高。
[0008] 更進(jìn)一步的，所述電感Ls經(jīng)電阻辦與電感LP連接，所述激勵(lì)線圈電路內(nèi)設(shè)置有一個(gè) 用于消除諧振拖尾的電阻R 2。
[0009] 采用上述結(jié)構(gòu)，電阻辦和電阻此能消除諧振拖尾現(xiàn)象，能使產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)一直為 尚次諧波，提尚檢測精度。
[0010] 更進(jìn)一步的，所述信號(hào)發(fā)射電路包括直流電壓源、驅(qū)動(dòng)電路和全橋逆變器，所述直 流電壓源接所述全橋逆變器，所述驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)全橋逆變器輸出矩形脈沖信號(hào)，所述全橋 逆變器的輸出端接LCL諧振電路。
[0011] 采用上述結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生良好的矩形脈沖信號(hào)。
[0012] 更進(jìn)一步的，超聲波換能器由鋰電池供電。
[0013] 采用上述結(jié)構(gòu)，鋰電池便于攜帶，能實(shí)現(xiàn)電磁超聲波換能器的小型化便攜式設(shè)備 使用。
[0014] 改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲波換能器的元器件參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其關(guān)鍵在于按 照一下步驟進(jìn)行：
[0015] 步驟1、選定增益倍數(shù)A和諧振頻率《 R，其中A為正整數(shù)；
[0016]步驟2、檢測出激勵(lì)線圈電路的等效電感Lo以及等效電阻Ro,將激勵(lì)線圈電路等效 成由電阻Ro、電感Lo、電容Co組成的等效電路，則改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器的等 效電路為：電感Ls的前端連接信號(hào)發(fā)射電路的第一輸出端，獲取矩形脈沖信號(hào)，電感Ls的后 端串電容C P后接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端，電感Ls的后端還經(jīng)電阻心接電感Lp的前端，電感 Lp后端串電容Co后接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端，電感Lp后端還經(jīng)電阻R2接電感Lo前端，電感 Lo后端經(jīng)電阻Ro接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端；
[0017]新的等效電路的前級(jí)可以看作由電感Ls和電容CP組成的LC諧振，后級(jí)可以看由電 感LP、電容Co以及電感Lo組成的LCL諧振；
[0018] 步驟3、對(duì)于后級(jí)LCL諧振，其輸入阻抗
[0020]因?yàn)殡娐饭ぷ髟谥C振狀態(tài)，所以輸入阻抗的虛部為0,即
[0022]由此可以求出諧振頻率：
[0024]為了便于確定LCL諧振的參數(shù)，取LP/Lo = A，則可得到電感LP，電容Co的參數(shù)計(jì)算公 式如下：
[0026]步驟4、整個(gè)激勵(lì)電源的增益倍數(shù)為A，即：Ls/Lp = A以此可以求得電感Ls的參數(shù)值； [0027]步驟5、對(duì)于前級(jí)LC諧振，因?yàn)檎麄€(gè)增益電路的諧振頻率需要保證一致，所以根據(jù) 以下公式可以求出電容心的參數(shù)值：
[0029]步驟6、根據(jù)步驟1-6求得的參數(shù)搭建好電路，并得到輸出的電壓波形；
[0030] 步驟7、根據(jù)輸出電壓波形的二次諧波幅值和三次諧波幅值的差值求得電阻心和辦 的參數(shù)值。
[0031] 采用上述方法，能根據(jù)需求設(shè)定各個(gè)元器件的參數(shù)值，避免參數(shù)值設(shè)定不準(zhǔn)確造 成不能夠產(chǎn)生高的電壓增益甚至不能產(chǎn)生電壓增益，或者產(chǎn)生過大的諧振拖尾現(xiàn)象。
[0032] 更進(jìn)一步的，所述增益倍數(shù)A的取值范圍是:0〈A<20。
[0033] 采用上述限制，能避免產(chǎn)生嚴(yán)重的諧振拖尾現(xiàn)象和系統(tǒng)振蕩。
[0034] 更進(jìn)一步的，所述電阻R2的阻值的取值范圍是0〈R2〈5 Q。
[0035] 采用上述限制，能避免降低增益電壓的幅值。
[0036] 有益效果:采用本發(fā)明能提供電磁超聲波換能器所需的脈沖型激勵(lì)電壓，無需變 壓器，沒有變壓器磁飽和和電磁干擾的問題;產(chǎn)生的脈沖激勵(lì)信號(hào)頻譜單一，檢測精度高； 直流電壓源可以為鋰電池等電源，便于攜帶。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明的原理框圖；
[0038]圖2為圖1中信號(hào)發(fā)射部的原理框圖；
[0039] 圖3為本發(fā)明的LCL諧振拓?fù)涞刃щ娐穲D；
[0040] 圖4為本發(fā)明的激勵(lì)電源參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖；
[0041]圖5為本發(fā)明未抑制諧振拖尾的仿真結(jié)果圖；
[0042]圖6為本發(fā)明的電阻辦和電阻此的阻值確定圖；
[0043]圖7為本發(fā)明抑制諧振拖尾的仿真效果圖；
[0044]圖8為本發(fā)明輸入50V時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0046] 如圖1-2所示，一種改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器，包括信號(hào)發(fā)射部偏置 磁場以及信號(hào)接收部，信號(hào)發(fā)射部產(chǎn)生交變電磁場，與偏置磁場產(chǎn)生的電渦流作用產(chǎn)生超 聲波，超聲波被測器件中沿一定方向傳播，遇到缺陷時(shí)，部分超聲波會(huì)被反射回信號(hào)接收 部，然后與偏置磁場產(chǎn)生的電渦流作用產(chǎn)生交變磁場，通過分析信號(hào)接收部接收到的超聲 波，就能精確檢測出缺陷來。
[0047]所述信號(hào)發(fā)射部由信號(hào)發(fā)射電路、阻抗匹配電路以及激勵(lì)線圈組成，信號(hào)發(fā)射電 路產(chǎn)生脈沖型方波信號(hào)，脈沖型方波信號(hào)經(jīng)過阻抗匹配電路電壓增益，得到脈沖型激勵(lì)高 壓信號(hào)，脈沖型激勵(lì)高壓信號(hào)輸入激勵(lì)線圈中，激勵(lì)線圈產(chǎn)生交變電磁場。
[0048] 所述信號(hào)發(fā)射電路由直流電壓源、驅(qū)動(dòng)電路和全橋逆變器，所述直流電壓源接所 述全橋逆變器，所述驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)全橋逆變器輸出脈沖型方波信號(hào)，所述直流電壓源和驅(qū) 動(dòng)電路均由鋰電池供電。
[0049] 所述阻抗匹配電路為LCL諧振電路，由電感Ls、電感Lp、電容CP組成，電感Ls的前端 連接信號(hào)發(fā)射電路第一輸出端，獲取矩形脈沖信號(hào)，電感Ls的后端串電容〇>后接信號(hào)發(fā)射電 路第二輸出端，電感Ls的后端還接電感Lp的前端，電感Lp后端接激勵(lì)線圈電路的輸入端。
[0050] 為消除諧振拖尾現(xiàn)象，所述電感Ls經(jīng)電阻h與電感Lp連接，所述激勵(lì)線圈電路內(nèi)設(shè) 置有一個(gè)用于消除諧振拖尾的電阻R2。
[0051]如圖3-8所示，改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器的激勵(lì)電源元器件參數(shù)設(shè)計(jì) 方法，按照一下步驟進(jìn)行：
[0052]步驟1、選定增益倍數(shù)A和諧振頻率《 R，其中A為正整數(shù)，為避免產(chǎn)生嚴(yán)重的諧振拖 尾現(xiàn)象和系統(tǒng)振蕩，所述增益倍數(shù)a的取值范圍是:oa<2〇。
[0053]步驟2、用阻抗分析儀檢測出激勵(lì)線圈電路的等效電感Lo以及等效電阻Ro,將激勵(lì) 線圈電路等效成由電阻R〇、電感Lo、電容Co組成的等效電路，則改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超 聲換能器的等效電路為：電感Ls的前端連接信號(hào)發(fā)射電路的第一輸出端，獲取矩形脈沖信 號(hào)，電感Ls的后端串電容C P后接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端，電感Ls的后端還經(jīng)電阻辦接電感 Lp的前端，電感Lp后端串電容Co后接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端，電感Lp后端還經(jīng)電阻R2接電 感Lo前端，電感Lo后端經(jīng)電阻Ro接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端。
[0054] 新的等效電路的前級(jí)可以看作一個(gè)由電感Ls和電容CP組成的LC諧振，后級(jí)可以看 由電感Lp、電容Co以及電感Lo組成的LCL諧振。
[0055] 步驟3、對(duì)于后級(jí)LCL諧振，其輸入阻抗
[0057]因?yàn)殡娐饭ぷ髟谥C振狀態(tài)，所以輸入阻抗的虛部為0,即
[0059]由此可以求出諧振頻率：
[0061 ]為了便于確定LCL諧振的參數(shù)，取Lp/Lo = A，則可得到電感LP的參數(shù)值，電容Co的參 數(shù)計(jì)算公式如下：
[0063]步驟4、整個(gè)電路的增益倍數(shù)為A，即：Ls/LP =入以此可以求得電感Ls的參數(shù)值；
[0064]步驟5、對(duì)于前級(jí)LC諧振，因?yàn)檎麄€(gè)增益電路的諧振頻率需要保證一致，所以根據(jù) 以下公式可以求出電容心的參數(shù)值：
[0066] 步驟6、根據(jù)步驟1-6求得的參數(shù)搭建好電路，并檢測輸出的電壓波形；
[0067] 步驟7、根據(jù)輸出電壓波形的二次諧波幅值和三次諧波幅值的差值求得電阻心和 電阻R2的參數(shù)值，為避免電阻R 2影響電壓增益，電阻R2的取值范圍為0〈R2〈5Q。
[0068]最后需要說明的是，上述描述僅僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員在本發(fā)明的啟示下，在不違背本發(fā)明宗旨及權(quán)利要求的前提下，可以做出多種類似的表 示，這樣的變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器，包括信號(hào)發(fā)射部、偏置磁場以及信號(hào)接 收部，其特征在于:所述信號(hào)發(fā)射部由信號(hào)發(fā)射電路、阻抗匹配電路以及激勵(lì)線圈電路組 成，所述信號(hào)發(fā)射電路產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)，矩形脈沖經(jīng)阻抗匹配電路電壓增益后輸入激勵(lì) 線圈電路產(chǎn)生交變電磁場，交變電磁場與偏置磁場產(chǎn)生的電禍流作用產(chǎn)生發(fā)射超聲波，該 發(fā)射超聲波作用在被測物體上，遇到被測物體中的損傷后產(chǎn)生反射超聲波，信號(hào)接收部接 收反射超聲波； 所述阻抗匹配電路為LCL諧振電路，由電感Ls、電感Lp、電容CP組成，電感Ls的前端連接信 號(hào)發(fā)射電路的第一輸出端，獲取矩形脈沖信號(hào)，電感Ls的后端串電容CP后接信號(hào)發(fā)射電路第 二輸出端，電感Ls的后端還接電感Lp的前端，電感Lp后端接激勵(lì)線圈電路的輸入端。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器，其特征在于:所述電感Ls 經(jīng)電阻Ri與電感Lp連接，所述激勵(lì)線圈電路內(nèi)設(shè)置有一個(gè)用于消除諧振拖尾的電阻R2。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器，其特征在于:所述信號(hào) 發(fā)射電路包括直流電壓源、驅(qū)動(dòng)電路和全橋逆變器，所述直流電壓源接所述全橋逆變器的 輸入端，所述驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)全橋逆變器輸出脈沖型方波信號(hào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器，其特征在于：電磁超聲 波換能器由鋰電池供電。5. 如權(quán)利要求3所述改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器的元器件參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其 特征在于按照一下步驟進(jìn)行： 步驟1、選定增益倍數(shù)A和諧振頻率co R，其中A為正整數(shù)； 步驟2、檢測出激勵(lì)線圈電路的等效電感Lo以及等效電阻Ro,將激勵(lì)線圈電路等效成由 電阻Ro、電感Lo、電容Co組成的等效電路，則改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器的等效電 路為：電感Ls的前端連接信號(hào)發(fā)射電路的第一輸出端，獲取矩形脈沖信號(hào)，電感Ls的后端串 電容C P后接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端，電感Ls的后端還經(jīng)電阻心接電感Lp的前端，電感Lp后 端串電容Co后接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端，電感Lp后端還經(jīng)電阻R 2接電感Lo前端，電感Lo后 端經(jīng)電阻Ro接信號(hào)發(fā)射電路第二輸出端； 新的等效電路的前級(jí)可以看作一個(gè)由電感Ls和電容CP組成的LC諧振，后級(jí)可以看由電 感Lp、電容Co以及電感Lo組成的LCL諧振； 步驟3、對(duì)于后級(jí)LCL諧振，其輸入阻抗因?yàn)殡娐饭ぷ髟谥C振狀態(tài)，所以輸入阻抗的虛部為〇,即由此可以求出諧振頻率：為了便于確定LCL諧振的參數(shù)，取LP/Lo = A，則可得到電感LP，電容Co的參數(shù)計(jì)算公式如 下：步驟4、整個(gè)電路的增益倍數(shù)為A，即：Ls/LP =人以此可以求得電感Ls的參數(shù)值； 步驟5、對(duì)于前級(jí)LC諧振，因?yàn)檎麄€(gè)增益電路的諧振頻率需要保證一致，所以根據(jù)以下 公式可以求出電容心的參數(shù)值：步驟6、根據(jù)步驟1-6求得的參數(shù)搭建好仿真模擬電路，并得到輸出的電壓波形； 步驟7、根據(jù)輸出的電壓波形的二次諧波幅值和三次諧波幅值的差值求得電阻心和辦的 參數(shù)值。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器的元器件參數(shù)設(shè)計(jì)方法， 其特征在于:所述增益倍數(shù)A的取值范圍是:0〈A< 20。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述改進(jìn)型LCL諧振電路的電磁超聲換能器的元器件參數(shù)設(shè)計(jì)方法， 其特征在于:所述電阻R2阻值的取值范圍是0〈R 2〈5。
【文檔編號(hào)】G01N29/34GK106053614SQ201610330898
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】歐陽奇, 糟永明, 張興蘭, 魏思銘, 侯帥丞, 覃文雷, 牛治
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)