超声成像检测系统声波信号激励与处理技术

Acoustic Signal Excitation and Processing Technology in Ultrasonic Imaging Detection System

摘要: 在过程层析成像系统中，投影数据精度直接决定成像分辨率。根据超声成像检测声场的要求，采用高频MAX038芯片作为超声波发射电路的信号发生器；在接收电路前端设计了RC无源滤波预处理电路，并采用高输入电阻的集成运放芯片构成电压跟随器。设计结果表明，超声波激励信号幅值、功率稳定；有效地消除了接收信号中的电磁干扰成分，且避免了在接收电路前端产生的压电电荷泄漏。

Abstract: In a process tomography system, the accuracy of projection data directly determines the imaging resolution. MAX038 chip with high working frequency is used as the signal generator in the ultra-sonic transmitting circuit, according to the sound field requirements of imaging detection. At the front-end of receiving circuit, a passive RC band-pass filter and a voltage follower with high input resistance integrated op-amp were used. The results show that the transmitted ultrasonic wave amplitude and power are stable; electromagnetic interference in the received signal is effectively eliminated, and piezoelectric charge leakage at the front-end of the receiving circuit is avoided.

1. 引言

工业过程层析成像，简称过程层析成像PT (Process Tomography) [1] [2] [3]，是近年新出现的新型工业无损检测技术 [4]，通过给检测对象表面分布的传感器施加激励电信号，并在接收传感器端，测量反映被测对象内部相介质物理参数分布的投影数据，再依据成像算法程序，能够重建反映物体内部结构的二维或三维图像。但在PT成像过程中，存在着各种测量环境噪声和成像电路系统噪声，因此，设计功率适合的超声波激励电路与接收信号处理电路成为必要。本文利用升压变阻器设计了超声激励电路；重点研究信号的去噪方法 [5] [6]，利用高输入电阻芯片CA3140E作为信号处理电路前级，从而获得了精确的成像投影数据。

2. 超声波激励电路的设计

依据检测对象的结构特点，超声波激励电路应满足下面功能要求：由成像分辨率对超声激励脉冲频率的依赖关系 [7]，确定超声激励脉冲频率为180 kHz，且具有微调功能；激励脉冲具有足够高的输出功率，以满足检测声场要求；激励脉冲电压幅值稳定。

2.1. 脉冲发生器电路设计

MAX038芯片输出信号幅频精度高、波形易于变换，外加少许外围电路就能够方便地输出方波、矩形波、正弦波、三角波或锯齿波。当频率调节引脚FADJ接地时，MAX038输出信号的频率 ${ƒ}_o$ 与电流IIN、COSC引脚外接电容C_f之间的关系为

${ƒ}_o=2.5V/\left[\left(R_{W11}+R_{12}\right)C_f\right]$ (1)

采用MAX038芯片设计的矩形波信号发生电路如图1所示，其中，C_f为1 nF。当ƒ_o按要求输出180 kHz时，IIN引脚的外接电阻应为13.9 kΩ，因此，在外接电阻中串联可调电阻R_W11实现阻值微调。

2.2. 功率放大电路设计

信号功率放大电路由电压调整电路、功率管、升压变阻器以及限幅电路等四部分构成，如图2所示。

电压调整电路由三极管VT、电阻R₁、R₂、R₃以及可变电阻VR₁构成，实现MAX038和MOS管间的电压调整，将波形产生电路的输出电压幅值调整至5 V以上，以达到功放MOS管栅极开启电压要求。电压调整电路电源Vcc1采用12 V供电。

Figure 1. Oscillation circuit for rectangular wave

图1. 矩形波产生电路

Figure 2. Power amplifier circuit

图2. 功率放大电路

功放电路核心器件场效应管型号为P45NF06，在其漏极串接限流电阻R₄，阻值为100 Ω，功率为10 W。功放电源Vcc2采用25 V供电。

升压变阻器(T)采用高频脉冲变压器来实现，它的作用为提升激励电压，并实现阻抗变换，使激励源与发射传感器达到阻抗匹配。所谓阻抗变换，是指将发射传感器的谐振阻抗变换成适当的阻抗值，并与激励源的输出阻抗相匹配，这样才能够获得所需的输出功率。

采用高频磁芯、合理直径的铜导线，并按变压器升压公式

$U_1/U_2=N_1/N_2=1/2$ (2)

绕制高频脉冲变压器，变压器初级匝数N₁的计算公式为

$N_1=\frac{U_1}{4fA\times B_m}$ (3)

其中，U₁为初级绕组电压，ƒ为脉冲频率，A为磁芯截面积，B_m为磁芯材料的饱和磁感应强度。

将参数U₁ = 25 V，ƒ = 180 kHz，B_m = 0.1 T，A = 1 cm²代入式(3)，得到初级绕组匝数N₁为4。考虑到铜导线额定工作电流等因素，确定N₁匝数为10，N₂为20，双线绕制。

结合超声波发射传感器的谐振等效直流电阻，计算其初级绕组的变阻公式为

$Z_1={\left(N_1/N_2\right)}^{2}R$ (4)

调整串联电阻R5、R6之值，使变阻值Z₁与激励源输出阻抗相匹配。

功放电路中，二极管D和可变电阻VR2串联支路的作用是，吸收变压器初级绕组产生的脉冲尖峰。IN47A型稳压管在变压器输出绕组中实现双向限幅，限幅值为±40 V。超声波激励电路输出电压波形如图3所示。

Figure 3. Excitation voltage waveform

图3. 激励电压波形

3. 信号接收电路的设计

超声接收信号较弱(mV单位)，并伴有较为严重的噪声信号，波形如图4所示。

Figure 4. Received signal waveform

图4. 接收信号波形

经分析，噪声产生的原因有电源噪声、电路噪声、空间工频电磁波信号干扰等因素，因此信号接收电路的设计重点为滤波电路的设计。

设计的信号接收电路具有滤波、信号放大、提取包络电压等功能，以获得精确的成像投影数据，框图如图5所示，具体含有信号预处理、电压跟随、工频陷波、带通滤波、可编程放大及检波等电路。

Figure 5. Diagram of signal receiving circuit

图5. 信号接收电路框图

3.1. 信号预处理电路设计

信号预处理电路采用无源RC带通滤波器实现，原理图如图6所示。将低通上限截止频率设定为300 kHz，高通下限截止频率设定为100 kHz，并由此确定电路的R、C参数。

Figure 6. RC band-pass filter

图6. RC带通滤波器

RC带通滤波器的传递函数(放大倍数)为输出、输入电压之比。低通滤波器的传递函数为

${\stackrel{\dot{}}{A}}_u=\frac{{\stackrel{\dot{}}{U}}_o}{{\stackrel{\dot{}}{U}}_i}=\frac{\frac{1}{j\omega C_1}}{R_1+\frac{1}{j\omega C_1}}=\frac{1}{1+j\omega R_1{C}_1}$ (5)

令截止频率ƒ_p为1/(2πR₁C₁)，则放大倍数转化为

${\stackrel{\dot{}}{A}}_u=\frac{1}{1+j\frac{f}{f_p}}$ (6)

${\stackrel{\dot{}}{A}}_u$ 的模为

$\left|{\stackrel{\dot{}}{A}}_u\right|=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{f}{f_p}\right)}^2}}$ (7)

将信号频率ƒ = 180 kHz及上限截止频率ƒ_p = 300 kHz代入式(7)中，得到低通滤波器信号放大倍数为0.85。同上，RC高通滤波器的电压放大倍数的模为

$\left|{\stackrel{\dot{}}{A}}_u\right|=\frac{\frac{f}{{f^{\prime }}_p}}{\sqrt{1+{\left(\frac{f}{{f^{\prime }}_p}\right)}^2}}$ (8)

将信号频率ƒ = 180 kHz和下限截止频率 ${f^{\prime }}_p$ = 100 kHz代入式(8)中，可得高通滤波器信号放大倍数为0.87。因此，RC带通滤波器总的信号电压放大倍数为0.74。

引入无源RC带通滤波电路，有效地抑制了工频干扰(如图7)。RC滤波电路虽削弱了信号幅值，但超声成像过程利用的是电压值之比(正比于声压比)，信号幅度的衰减并不影响投影数据的使用。经RC滤波后的信号中还含有一定的噪声成分，且数值较弱，峰–峰值在10 mV左右，因此需要后续电路来进一步处理。

Figure 7. Signal waveform after RC filtering

图7. RC滤波后的信号波形

3.2. 电压跟随器设计

接收超声波传感器等效于无源信号源，且内阻很大。如将接收传感器内阻设定为R_s，输出信号经由集成运放进行放大，则放大倍数为

${\stackrel{\dot{}}{A}}_{us}=\frac{R_i}{R_s+R_i}{\stackrel{\dot{}}{A}}_u$ (9)

其中，R_i为放大器输入电阻。

为保证放大器具有稳定放大倍数，要求其输入电阻R_i应远远大于信号源输出电阻Rs。另一方面，因超声传感器的输出信号很弱，如放大器的输入电阻不高，则会造成压电电荷泄漏，使测量值出现较大偏差。

实验发现，如电压跟随器采用输入电阻较小集成运放OP07或OP37，其信号输出甚至为零值，由此说明该两种型号集成运放的输入电阻远小于R_s，因此产生了不可忽视的压电电荷泄漏。在信号接收电路设计中，选用集成运放CA3140E来构成电压跟随器，该芯片的输入电阻为1.5 TΩ，输出电阻为60 Ω。

3.3. 工频陷波器设计

由于前级输出信号中还含有一定的50 Hz工频干扰成分，因此，采用Q值可调的双T型工频陷波器加以滤除(如图8)，集成运放型号为OP37。

Figure 8. Double T power frequency trap

图8. 双T型工频陷波器

其中，C₁ = C₂ = C，C₃ = 2C，R₁ = R₂ = R，R₃ = R/2。

陷波器通带电压放大倍数为

$A=1+\frac{R_5}{R_4}$ (10)

将通带放大倍数设定为1，即要求R₄远远大于R₅，电路中，它们的阻值分别选择为10 kΩ和1 kΩ。陷波器中心频率为1/(2πRC)，用该频率来确定R、C参数值。

3.4. 有源带通滤波器设计

有源带通滤波器由二阶低通滤波器和二阶高通滤波器构成，前级为低通滤波器，后级为高通滤波器。两级滤波器皆采用集成运放OP37，±15 V电源供电，电路如图9所示。

Figure 9. Active band-pass filter circuit

图9. 有源带通滤波电路

其中，R₁ = R₂ = R，C₁ = C₂ = C；R₃ = R₄，C₃ = C₄。设定低通滤波器的上限截止频率为220 kHz，高通滤波器下限截止频率为150 kHz，并由这两个截止频率来确定各级R、C参数值。

3.5. 程控放大电路设计

为使采集信号达到A/D转换电压指标要求，电路采用程控放大器PGA202和PGA203进行级联放大。程控放大器PGA202工作在十进制放大方式，放大倍数有1、10、100、1000等四种，程控放大器PGA203工作在二进制放大方式，放大倍数有1、2、4、8等四种，两种芯片皆有A1、A0引脚作为放大倍数选择端，各放大倍数值所对应的A1、A0控制信号分别为00，01，10和11。如将两芯片级联放大，放大能力可达到1~8000倍。两芯片皆与TTL/CMOS兼容，放大频率响应为1 MHz，输入电流为微安级。

程控级联放大电路采用PGA202、PGA203芯片各一片，供电电源为±15 V，并将总放大倍数设定为40，电路连接如图10所示。

Figure 10. Programmable cascade amplifier circuit

图10. 程控级联放大电路

PGA放大电路是信号处理电路中唯有的数字部分，为避免外部元件引起增益、CMR等方面的误差，在电路板设计时采用了“一点接地法”。

3.6. 检波电路设计

设计如图11所示的检波电路，实现接收信号的包络检波。检波二极管D (1N60)的作用是去掉输入信号的负电压部分，高频检波电容C (1 nF)的作用是将检波二极管输出信号中高频成分滤除，检波电阻R (10 kΩ)的作用是构成电流回路，提供输出电压。

Figure 11. Detection circuit

图11. 检波电路

Figure 12. Voltage waveform of detection circuit

图12. 检波电路电压波形

检波电路输出为输入信号的电压包络值，如图12所示，并传送至ARM控制器进行A/D转换。

4. 超声成像投影数据测量测量

实验测量测量装置为直径20 cm、高度为60 cm的圆桶，内部盛满水。圆桶水平截面如图13所示，将超声发射传感器置于桶壁一侧，用超声接收传感器在1至5位置(间隔5 cm)分别测量接收电压信号，每位置测量10次并求平均值，实验数据如表1所示。

Figure 13. Schematic diagram of projection data measuring device

图13. 投影数据测量装置示意图

Table 1. The projection data

表1. 投影数据

5. 结论

针对液固两相流超声成像系统对超声波投影数据采集精度的要求，采用MAX038芯片作为信号源，设计了超声波激励电路，该电路激励电压工作频率高，且可微调。设计了信号采集电路，采用两项措施提高信号电路的抗干扰能力，一项措施是在接收电路前端设置了RC无源带通滤波电路，该项措施有效地消除了信号中的工频干扰成分；另一项措施是采用输入电阻极高(1.5 TΩ)的集成运放CA3140E构成电压跟随器作为阻抗调整单元，该项措施有效地避免了接收电路前端易产生的压电感应电荷泄漏，实现了投影数据的准确接收。

基金项目

吉林师范大学大学生创新创业训练计划项目S2018054；四平市科技发展计划项目(四科合字第2014063号)。

NOTES

^*通讯作者。