传感器技术与应用  >> Vol. 8 No. 1 (January 2020)

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

DOI: 10.12677/JSTA.2020.81001, PDF, HTML, XML, 下载: 233  浏览: 624  科研立项经费支持

作者: 周 明*, 张溢月, 侯 锟:吉林师范大学计算机学院,吉林 四平

关键词: 超声波激励电路脉冲变压器信号处理电路抗干扰能力Ultrasonic Excitation Circuit Pulse Transformer Signal Processing Circuit Anti-Interference Ability

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.

文章引用: 周明, 张溢月, 侯锟. 超声成像检测系统声波信号激励与处理技术[J]. 传感器技术与应用, 2020, 8(1): 1-9. https://doi.org/10.12677/JSTA.2020.81001

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Cf之间的关系为

ƒ o = 2.5 V / [ ( R W 11 + R 12 ) C f ] (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,Cf为1 nF。当ƒo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RW11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 = U 1 4 f A × 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,Bm为磁芯材料的饱和磁感应强度。

将参数U1 = 25 V,ƒ = 180 kHz,Bm = 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 = ( N 1 / N 2 ) 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

A ˙ u = U ˙ o U ˙ i = 1 j ω C 1 R 1 + 1 j ω C 1 = 1 1 + j ω R 1 C 1 (5)

令截止频率ƒp为1/(2πR1C1),则放大倍数转化为

A ˙ u = 1 1 + j f f p (6)

A ˙ u 的模为

| A ˙ u | = 1 1 + ( f f p ) 2 (7)

将信号频率ƒ = 180 kHz及上限截止频率ƒp = 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

| A ˙ u | = f f p 1 + ( f f p ) 2 (8)

将信号频率ƒ = 180 kHz和下限截止频率 f 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Rs,输出信号经由集成运放进行放大,则放大倍数为

A ˙ u s = R i R s + R i A ˙ u (9)

其中,Ri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Ri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Rs,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 + 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。

参考文献

[1] 马平, 周晓宁, 田沛. 过程层析成像技术的发展及应用[J]. 化工自动化及仪表, 2009, 36(1): 1-5.
[2] 杜运成. 基于电容层析成像技术的气液两相流特性分析[D]. 天津: 天津大学, 2011.
[3] 李楠, 徐昆, 刘逵. 基于超声层析成像技术的气/液两相流检测仿真[J]. 北京工业大学学报, 2018, 44(5):735-742.
[4] 杨键刚, 吴运新, 龚海, 李伟, 韩雷. 基于LabVIEW的电磁超声热态金属在线缺陷检测系统[J]. 传感技术学报, 2018, 31(5): 809-814.
[5] 陈文会, 丁晓鸿, 陈江宁, 刘小民. 超声波测距信号小波阈值去噪参数的选定方法[J]. 传感技术学报, 2017, 30(3): 407-410.
[6] 刘宇舜, 程登峰, 夏令志, 李森林, 程洋. 基于单通道盲源分离算法的局部放电特高频信号去噪方法[J]. 电工技术学报, 2018, 33(23): 5625-5635.
[7] 赵彩凤, 于志, 王智勇. 高频功率脉冲变压器的设计[J]. 变压器, 2003, 40(10): 6-7.