一種大功率高頻激勵源的阻抗匹配裝置及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及大功率高頻激勵源技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種大功率高頻激勵源的阻抗 匹配裝置及實(shí)現(xiàn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁超聲激勵源的高性能輸出，可應(yīng)用于埋地鋼質(zhì)管道電 磁超聲內(nèi)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，管道定期檢驗(yàn)主要采用外檢測的方式，但是外檢測難W發(fā)現(xiàn)未融合、夾渣、 氣孔及裂紋等焊接缺陷和應(yīng)力腐蝕微裂紋等微觀缺陷，單純依靠人工巡檢和傳統(tǒng)外檢測方 式并不能保證管道的安全運(yùn)行，必須實(shí)施管道在線內(nèi)檢測。國內(nèi)外在油氣管線內(nèi)檢測方面 做了大量的工作，提出了多種檢測技術(shù)，其中部分技術(shù)已被應(yīng)用并取得了良好的效果。該些 技術(shù)包括；超聲檢測技術(shù)、漏磁檢測技術(shù)、禍流檢測技術(shù)、射線檢測技術(shù)等。然而上述檢測 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在操作復(fù)雜性高、檢測精度低、檢測效率低等缺點(diǎn)，限制了其在管道內(nèi) 檢測上的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。埋地鋼質(zhì)管道電磁超聲內(nèi)檢測技術(shù)相比其他內(nèi)檢測技術(shù)，具 有非接觸、無需任何禪合劑、不受檢測條件限制、檢測速度快、能產(chǎn)生各類波形等顯著優(yōu)點(diǎn)， 在直接評估管線的缺陷類型、位置與安全等級等方面更具有獨(dú)特優(yōu)勢。但電磁超聲技術(shù)的 特殊工作機(jī)制，其換能器的換能效率很低，加之管道復(fù)雜的內(nèi)檢測環(huán)境，管壁往往附著有石 油、蠟等其它雜物，限制了換能器的換能效率，影響了檢測的效果，而提高換能器的工作效 率，需要通過改善大功率高頻激勵源和高靈敏度檢測探頭陣列兩種途徑加W解決。在激勵 源研發(fā)方面，相關(guān)的技術(shù)難題尚未得到突破，因此為了使其得到高性能輸出，且能夠激勵換 能器的能量高效轉(zhuǎn)化，需要提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)其高性能輸出的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及其參數(shù)計(jì)算 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)其高性能輸出的阻抗匹配 裝置及其實(shí)現(xiàn)方法。
[0004] 本發(fā)明提供了一種大功率高頻激勵源的阻抗匹配裝置，包括信號源、DE類射頻功 率放大器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和電磁超聲換能器；
[0005]所述DE類射頻功率放大器的電路中，第一功率管Si與第二功率管S2串聯(lián)，第一電 容Cl及第二電容C2分別并聯(lián)在所述第一功率管S1和所述第二功率管S2上，在所述第一功 率管和所述第二功率管中點(diǎn)處，連接由諧振電容Ct和諧振電感Lt構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，所 述諧振電感Lt的另一端為補(bǔ)償電感Ly、負(fù)載等效阻抗Z=R與S2的源極構(gòu)成的回路，所述 串聯(lián)諧振輸出電路的工作頻率為f。；
[0006] 所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)分為串聯(lián)型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或并聯(lián)型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；
[0007] 所述電磁超聲換能器的等效阻抗為串聯(lián)型等效阻抗2。=R"+jX?；虿⒙?lián)型等效阻 巧
[0008] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，若所述電磁超聲換能器的等效阻抗為串聯(lián)型等效阻抗 2。=R"+jX。，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為：
[0009] 等效負(fù)載阻抗Z與電抗X。串聯(lián)，再連接電抗Xb和阻抗Z。;或，
[0010] 等效負(fù)載阻抗Z與電抗Xb并聯(lián)，再連接電抗X。和阻抗Z。。
[0011] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，若所述電磁超聲換能器的等效阻抗為并聯(lián)型等效阻抗
，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為：
[0012] 等效負(fù)載阻抗Z與電抗X。串聯(lián)，再連接電抗Xb和阻抗Z。;或，
[0013] 等效負(fù)載阻抗Z與電抗Xb并聯(lián)，再連接電抗X。和阻抗Z。。
[0014] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，串聯(lián)諧振輸出電路的工作頻率滿足；fi< fa< f 2;
[00巧]其中，
L= Lt+Lx。
[0016] 本發(fā)明還提供了一種大功率高頻激勵源的阻抗匹配裝置的實(shí)現(xiàn)方法，包括W下步 驟：
[0017] 步驟1，設(shè)定所述DE類射頻功率放大器的負(fù)載等效阻抗為Z=R，根據(jù)所述電磁超 聲換能器的額定功率來確定所述阻抗匹配裝置的輸出功率P。，由公式（1)可W得出所述DE 類射頻功率放大器的直流電壓V。。；
[001 引
（1)
[0019]步驟2,根據(jù)公式（2)計(jì)算出所述第一功率管Si與所述第二功率管S 2上并聯(lián)的第 一電容Cl及第二電容C2的值；
[0020]
(2)
[0021] 其中，所述第一功率管Si和所述第二功率管S2自身的寄生電容；
[0022] 步驟3,設(shè)定所述串聯(lián)諧振輸出電路Lt-Ct的品質(zhì)因素Q，工作頻率為f。，根據(jù)公式 (3)、（4)、（5)、做分別計(jì)算出所述補(bǔ)償電感Ly、諧振電感Lt、諧振電容Ct和總電感L的值；
[0027] 步驟4,根據(jù)所述電磁超聲換能器的說明書選取其阻抗形式為串聯(lián)型或并聯(lián)型，選 取其阻抗為感性或容性，計(jì)算所選取的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；
[0028] 步驟5,根據(jù)計(jì)算出的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，選出所述阻抗匹配裝置的工作效率最 高的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
[0029] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟4中，若所述電磁超聲換能器為串聯(lián)型等效阻抗Z。 =R〇+jX〇,
[0030] 阻抗匹配系數(shù)A1由公式（7)計(jì)算得出，將A1代入公式巧）、（9)得出X。和Xb的 電抗值；若電抗值為正數(shù)時，則為感抗，得出電感值；若電抗值為負(fù)數(shù)，則為容抗，得出電容 值；
[0034]或，
[003引阻抗匹配系數(shù)由公式（10)計(jì)算得出，將A2代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的電抗值諾電抗值為正數(shù)時，則為感抗，得出電感值諾電抗值為負(fù)數(shù)，則為容抗，得出 電容值。
[0039] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟4中，若所述電磁超聲換能器為并聯(lián)型等效阻抗
，根據(jù)公式（13)、（14)先將并聯(lián)型等效阻抗
轉(zhuǎn)換為串聯(lián)型等效 阻抗2。=R"+巧。；
[004引再根據(jù)公式（7)計(jì)算出阻抗匹配系數(shù)Ai，將代入公式巧）、（9)得出X。和的Xb電抗值；若電抗值為正數(shù)時，則為感抗，得出電感值；若電抗值為負(fù)數(shù)，則為容抗，得出電 容值；或，
[004引再根據(jù)公式（10)計(jì)算出匹配系數(shù)^2,將代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的 電抗值；若電抗值為正數(shù)時，則為感抗，得出電感值；若電抗值為負(fù)數(shù)，則為容抗，得出電容 值。
[0044] 本發(fā)明的有益效果為；
[0045] 1、阻抗匹配裝置一方面滿足了大功率輸出，另一方面提高了換能器的換能效率；
[0046] 2、DE類射頻功率放大器拓?fù)潆娐返暮喕?，減小了大功率阻抗匹配裝置的體積，W 適應(yīng)管道內(nèi)檢測技術(shù)對儀器小型化的苛刻要求；
[0047] 3、提出了阻抗匹配裝置高效工作的最佳操作頻率范圍f。，可大幅地提高DE類射頻 功率放大器的輸出功率，并實(shí)現(xiàn)電磁超聲換能器能量的高效轉(zhuǎn)化；
[0048] 4、本發(fā)明提出的阻抗匹配裝置的實(shí)現(xiàn)方法可同時獲得二至四種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，從 而為激勵源與電磁超聲換能器之間的高性能傳輸提供多種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)選擇。
【附圖說明】
[0049] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的大功率高頻激勵源的阻抗匹配裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0050] 圖2為圖1中DE類射頻功率放大器原理圖。
[0051] 圖3為圖1中阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
[0052] 圖4為當(dāng)電磁超聲換能器為串聯(lián)型等效阻抗Z。的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
[0053] 圖5為又一種當(dāng)電磁超聲換能器為串聯(lián)型等效阻抗Z。的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
[0054] 圖6為當(dāng)電磁超聲換能器為并聯(lián)型等效阻抗Z。的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
[00巧]圖7為又一種當(dāng)電磁超聲換能器為并聯(lián)型等效阻抗Z。的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
[0056] 圖8為電磁超聲換能器的并聯(lián)型等效阻抗Z。轉(zhuǎn)換為串聯(lián)型等效阻抗Z。的轉(zhuǎn)換方 法不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 下面通過具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0058] 如圖1-3所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種大功率高頻激勵源的阻抗匹配裝置，包括信 號源、DE類射頻功率放大器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和電磁超聲換能器；
[0059]DE類射頻功率放大器的電路中，第一功率管Si與第二功率管S2串聯(lián)，第一電容Cl 及第二電容C2分別并聯(lián)在第一功率管S1和第二功率管S2上，在第一功率管和第二功率管 中點(diǎn)處，連接由諧振電容Ct和諧振電感Lt構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，諧振電感Lt的另一端為補(bǔ) 償電感Ly、負(fù)載等效阻抗Z=R與S2的源極構(gòu)成的回路，串聯(lián)諧振輸出電路的工作頻率為 f。；
[0060] 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)分為串聯(lián)型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或并聯(lián)型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；
[0061] 電磁超聲換能器的等效阻抗為串聯(lián)型等效阻抗Z"=R"+jX?；虿⒙?lián)型等效阻抗
[0062] 如圖4-5所示，若電磁超聲換能器的等效阻抗為串聯(lián)型等效阻抗Z"=R"+巧。，阻抗