用于高铁钢轨探伤的正负脉冲超声发射接收板卡设计

　　摘要：目前在钢轨探伤的超声波发射电路中常用的是基于电容充放电原理的负尖脉冲的激励方式，超声波发射重复频率受电容充放电速度的影响，且激励电压不恒定，直接导致测量结果定量困难。针对这一问题，提出了一种用于高铁钢轨探伤的正负脉冲激励的超声波发射电路，采用与超声探头周期相同的正负脉冲对探头进行激励，实验结果表明，该超声波发射电路脉冲在4KHz重复频率下激励电压稳定，接收电路通道间无干扰，符合高铁钢轨探伤使用要求。

　　前言

　　目前超声系统使用的激励波形主要有负尖脉冲、双极性调谐脉冲、方波脉冲、阶跃脉冲(如图1所示)，作者对各种激励方式对超声信号的影响进行了分析。

　　在钢轨探伤领域内，超声探头的固有频率多为2.5MHz或3.5MHz，且激励电压高，一般为300V左右，使用最多的是负尖脉冲激励方式，负尖脉冲激励方式原理和电路简单，易于实现。负尖脉冲的产生原理如图2所示。

　　通过控制高速开关使电容充放电来产生负尖脉冲。为提高超声测量的灵敏度，需要负尖脉冲的下降沿时间越短越好。负尖脉冲电路超声波激励在高速钢轨检测使用中有如下不足：(1)激励电压的幅值取决于电容的充电电压，受各种因素影响，激励电压的幅值不稳定，重复性不好。(2)受到电容充放电速度的影响，测量的重复频率受到限制，当测量重复频率增大时，激励电压的幅值会下降。

　　目前采用轮式探头的高铁钢轨探伤车检测速度最高为80km/h，检测重复频率为4KHz，采用负尖脉冲的激发方式已经不能很好地满足要求。

　　方波脉冲可以提高激励电压的稳定性，双极性调谐脉冲可以明显提高检测信号幅度，本文提出了一种正负脉冲的激励方式，结合了方波脉冲和双极性调谐脉冲的优点。

　　1 正负脉冲激励的超声波发射接收电路

　　1.1 正负脉冲激励的原理

　　正负脉冲激励的波形如图3所示，采用正负两种电压轮流施加到超声探伤上，正负脉冲的峰峰值即为施加到超生探头上的电压值，正负脉冲的频率可以根据检测的需要进行调节。在正负脉冲的一个周期内，超声探头产生3次振动。

　　正负脉冲具有方波脉冲的可控性优点，激励幅值电压稳定，同时，又具有双极性调谐脉冲的调谐特性，可以提高检测信号的幅值。

　　1.2 正负脉冲激励的超声波发射电路设计

　　正负脉冲激励的超声波发射电路示意图如图4所示，图中OUTA、OUTB为正负脉冲控制信号，VPP、VNN分别为正负电压电源，Q1为P沟道增强型DMOS管，Q2为N沟道增强型DMOS管，TX端接超声波传感器的发射端。

　　VPP与VNN可以根据超声探头的激励电压进行选择。为保证超声波发射功率和超声波激励脉冲的频率，需要对Q1、Q2的参数进行限定。Q1、Q2的参数需满足如下条件：

　　● 上升时间和关断时间需小于100ns 钢轨探伤中使用的超声探头频率为3.5MHz和2.25MHz，为能产生3.5MHz的方波并保持一定宽度，Q1与Q2的上升时间与关段时间均应小于100ns;

　　●DS间耐压需满足BVDS<1.5*(VPP-VNN) 探头施加电压由正电压VPP切换到负电压VNN时，DMOS管的DS间承受电压最大，为保险起见，安全系数取1.5;

　　● 脉冲电流ID需满足探头发射功率要求 依据超声探头的电气特性和测量发射功率要求，对DMOS管的瞬间电流ID进行选择，本文选择DMOS管的瞬间脉冲电流最大为2A。

　　1.3 超声接收电路设计

　　高铁钢轨探伤车采用单收发方式，发射接收采用同一探头，因此正负脉冲激励信号同时施加在发射电路和接收电路上，需要对接收电路的输入幅值进行限制，为不影响施加到超声探头上的电压，需使用电阻将发射电压与限幅线路进行隔离。超声波回波信号的幅值为mV级，因此需要固定增益放大和可变增益放大电路对信号进行放大处理，固定增益放大一方面对信号进行放大，另一方面起阻抗匹配作用，可变增益放大电路用来进行超声波的距离补偿和闸门增益控制。超声波接收电路功能框图如图5所示。

　　2 正负脉冲发射接收电路电磁兼容设计

　　使用正负脉冲方式激励多路超声波，激励电压高，正负脉冲频率快，且方波自身包含高频谐波，极易产生电磁兼容问题，超声波接收电路的模拟电路部分信号小，也很容易受到电磁干扰，因此需要对超声波发射接收电路进行电磁兼容设计。本文采用了多种措施：

　　(1)高低压电源分开 超声波发射激励电压采用±70V电源，发射控制及接收电路中使用5V电压，高压与低压间采用单点连接方式，避免瞬间脉冲电流流入模拟地;

　　(2)数字控制部分与模拟信号部分器件布局分区，如图6所示;

　　(3)多个通道间的地层进行分割，确保各个通道之间的电流回路互不影响;

　　(4)精心走线，确保高压部分的正负脉冲与探头组成的电流回路面积最小;

　　(5)采用6层板设计，将关键数字信号内部走线。

　　3 实验验证

　　为验证设计的正负脉冲发射接收电路，对设计的电路进行试验。实验采用探轮标定装置进行试验，该探轮标定装置可以对9英寸探轮内部0度超声探头进行标定。将设计的4通道正负脉冲发射接收卡的发射端接9英寸探轮的0度超声探头，超声发射重复频率为4KHz。

　　图7为在发射电路的TX端不接超声探头时测量到的正负脉冲波形，每次触发采用2个正脉冲、2个负脉冲，脉冲电压为±70V，正负脉冲的频率与超声探头的频率相同，均为2.25MHz，可以看出：设计的正负脉冲发射电路可以产生要求的正负脉冲，选择的器件能够满足要求。图8为接入0度探头对钢轨试块进行测试，在螺孔处测得的界面波、螺孔回波和底波的全波检波后的A型显示信号波形。测试过程中采用的界面波增益为30dB，监视闸门和底波闸门的增益均为47dB。界面波时间约为90us。图7中黄色波形为施加到探头上的激励脉冲波形，从图8可以看出：(1)正负脉冲电路可以对超声探头进行激励;(2)隔离限幅电路确保了正负脉冲既能施加到超声探头上，又能对后续的接收电路起到隔离保护作用;(3)设计的接收电路可以完成信号在固定增益和闸门增益下的信号放大。

　　为验证各通道的干扰情况，采用一个超声发射接收通道对0度超声探头进行激励，使用示波器测量其他3个超声发射接收通道的A型显示，各闸门增益与0度接收通道闸门增益设置相同，未发现在其他3个通道存在干扰回波。

　　4 结论

　　本文研究了一种采用正负脉冲对超声探头进行激励的发射接收电路，提出了一种正负脉冲产生电路，设计了超声波接收电路，并采用多种技术手段解决了发射接收电路的电磁兼容问题，并采用研究的发射接收电路进行了实验，实验表明：研究的正负脉冲超声波发射接收电路满足超声波激励要求，接收到的超声回波信号幅值稳定、各通道间无相互干扰。

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