用于高鐵鋼軌探傷的正負(fù)脈沖超聲發(fā)射接收板卡設(shè)計(jì)

　　摘要：目前在鋼軌探傷的超聲波發(fā)射電路中常用的是基于電容充放電原理的負(fù)尖脈沖的激勵(lì)方式，超聲波發(fā)射重復(fù)頻率受電容充放電速度的影響，且激勵(lì)電壓不恒定，直接導(dǎo)致測量結(jié)果定量困難。針對(duì)這一問題，提出了一種用于高鐵鋼軌探傷的正負(fù)脈沖激勵(lì)的超聲波發(fā)射電路，采用與超聲探頭周期相同的正負(fù)脈沖對(duì)探頭進(jìn)行激勵(lì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該超聲波發(fā)射電路脈沖在4KHz重復(fù)頻率下激勵(lì)電壓穩(wěn)定，接收電路通道間無干擾，符合高鐵鋼軌探傷使用要求。

　　前言

　　目前超聲系統(tǒng)使用的激勵(lì)波形主要有負(fù)尖脈沖、雙極性調(diào)諧脈沖、方波脈沖、階躍脈沖(如圖1所示)，作者對(duì)各種激勵(lì)方式對(duì)超聲信號(hào)的影響進(jìn)行了分析。

　　在鋼軌探傷領(lǐng)域內(nèi)，超聲探頭的固有頻率多為2.5MHz或3.5MHz，且激勵(lì)電壓高，一般為300V左右，使用最多的是負(fù)尖脈沖激勵(lì)方式，負(fù)尖脈沖激勵(lì)方式原理和電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)。負(fù)尖脈沖的產(chǎn)生原理如圖2所示。

　　通過控制高速開關(guān)使電容充放電來產(chǎn)生負(fù)尖脈沖。為提高超聲測量的靈敏度，需要負(fù)尖脈沖的下降沿時(shí)間越短越好。負(fù)尖脈沖電路超聲波激勵(lì)在高速鋼軌檢測使用中有如下不足：(1)激勵(lì)電壓的幅值取決于電容的充電電壓，受各種因素影響，激勵(lì)電壓的幅值不穩(wěn)定，重復(fù)性不好。(2)受到電容充放電速度的影響，測量的重復(fù)頻率受到限制，當(dāng)測量重復(fù)頻率增大時(shí)，激勵(lì)電壓的幅值會(huì)下降。

　　目前采用輪式探頭的高鐵鋼軌探傷車檢測速度最高為80km/h，檢測重復(fù)頻率為4KHz，采用負(fù)尖脈沖的激發(fā)方式已經(jīng)不能很好地滿足要求。

　　方波脈沖可以提高激勵(lì)電壓的穩(wěn)定性，雙極性調(diào)諧脈沖可以明顯提高檢測信號(hào)幅度，本文提出了一種正負(fù)脈沖的激勵(lì)方式，結(jié)合了方波脈沖和雙極性調(diào)諧脈沖的優(yōu)點(diǎn)。

　　1 正負(fù)脈沖激勵(lì)的超聲波發(fā)射接收電路

　　1.1 正負(fù)脈沖激勵(lì)的原理

　　正負(fù)脈沖激勵(lì)的波形如圖3所示，采用正負(fù)兩種電壓輪流施加到超聲探傷上，正負(fù)脈沖的峰峰值即為施加到超生探頭上的電壓值，正負(fù)脈沖的頻率可以根據(jù)檢測的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。在正負(fù)脈沖的一個(gè)周期內(nèi)，超聲探頭產(chǎn)生3次振動(dòng)。

　　正負(fù)脈沖具有方波脈沖的可控性優(yōu)點(diǎn)，激勵(lì)幅值電壓穩(wěn)定，同時(shí)，又具有雙極性調(diào)諧脈沖的調(diào)諧特性，可以提高檢測信號(hào)的幅值。