超声导波检测用功率放大器的设计

博士论坛

锚杆超声导波检测用功率放大器的设计

DesignofSpecialPowerAmplifierAppliedinBoltInspectionBasedonUltrasonicGuidedWave

(北京工业大学)

何存富朱海涛周进节吴斌

HECun-fuZHUHai-taoZHOUJin-jieWUBin

摘要:功率放大器是锚杆超声导波检测系统的重要组成部分,但国内还少有满足导波检测要求的功率放大器产品,本文针对锚杆超声导波检测应用特点设计了一种功率放大器。功率放大器采用A类推挽功率放大方式,利用传输线变压器宽带匹配技术,其工作原理为:先将不平衡信号转换为两路平衡信号分别放大,再经平衡-不平衡变换器转换为单路不平衡信号。经测试,功率放大器在1MHz-5MHz范围内,输出电压大于70V,达到设计指标。锚杆长度检测实验表明:功率放大器满足实验要求,其可作为超声导波激励源使用。关键词:超声导波;锚杆;功率放大器中图分类号:TP274文献标识码:B

Abstract:Poweramplifierisanimportantcomponentoftheboltinspectionsystembasedonultrasonicguidedwave.Aspecialpoweramplifierwasdesignedfortheinspectionsystem.Thepoweramplifieremployedpush-pullcircuitoperatingonClass-Aandadoptedtransmissionlinetransformerbroadbandmatchtechnology.Firstittransferredunbalancedinputsignaltotwowaybalancedsignalswhichwereamplifiedseparately.Thetwowayamplifiedsignalsthenweretransferredtounbalancedsignal.Theoutputvoltageofpoweramplifierismorethan70Vat1MHzto5MHzthatreachingthetargetaftertested.Theexperimentalresultsdemonstratethatthispoweramplifiersatisfyexperimentalrequirement.Keywords:Ultrasonicguidedwave;Bolt;Poweramplifier

技术创新

引言

超声导波技术对锚杆施工质量的检测具有潜在优势。只需在锚杆露出的端部激励和接收超声导波,由于导波沿传播路径衰减很小,其可以沿杆件传播很远的距离,接收到的信号则包含了锚杆的整体性信息。因此,这种技术的特点是检测距离大,检测效率高,大大节省了检测时间。何存富、吴斌等分析了1MHz-3MHz纵向超声导波在锚杆中的传播特性,表明高频超声导波

功率放大器是锚杆超声导可以用于锚杆长度检测和缺陷定位。

波检测系统的重要组成部分。目前,能够满足超声导波检测要求的功率放大器产品较少,且都为国外公司生产,价格昂贵,这就为

财力。因产品采购和后期维护带来了很多不便,大量耗费人力、

此,研制一款锚杆超声导波检测用功率放大器,对今后的导波检测?研究工作具有重要意义。

1功率放大器设计方案

1.1功率放大器技术指标

功率放大器的主要指标包括输出电压,频率范围和输出阻抗,在确定其技术指标时应充分考虑应用背景。

1.输出电压。在锚杆超声导波检测中,功率放大器的负载通常是压电传感器。压电传感器利用电介质的压电效应工作,在传

何存富:教授博士生导师博士

基金项目:基金申请人:吴斌;项目名称:基于时间-空间聚焦理论的管道大范围超声导波检测技术及其仪器研制;基金颁发部门:国家自然科学基金委(10772009)

感器型号不变的情况下,提高输出电压可以增大压电传感器的

振动幅度,扩大检测距离。为得到清晰易分辨的回波信号,压电传感器的激励电压需大于70V,即功率放大器的输出信号电压峰-峰值要大于70V。

2.频率范围。目前已有文献研究了1MHz-3MHz纵向超声导波在锚杆中的传播特性。考虑到导波研究现状以及今后研究的扩展性,设计功放工作频率范围为1MHz-5MHz。

3.输出阻抗。在高频功放设计中,需要考虑阻抗匹配问题。阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。目前传感器生产厂商通常将传感器中心频率处的阻抗匹配到50Ω,因此功放的输出阻抗设计为50Ω。

1.2功率放大器工作状态

功率放大器按其功率管导通角的不同可为A类、B类、AB类和D类功放等。B类和AB类功放在放大交流信号时会产生交越失真,而导波激励信号是汉宁窗调制的十个周期正弦波,其起始段和终止段信号幅值较小,交越失真的存在会损失这部分波形信息,影响输出信号频率成分,最终影响检测准确度。D类功放受目前器件性能,上限频率很难超过2MHz。A类功放不存在交越失真,采用合适的功率管上限频率可以扩展到几十兆甚至上百兆,满足超声导波检测方法对激励信号的要求。

1.3功率放大电路结构

功放电路结构可以分为单管结构、平衡结构、并联结构和推挽结构等。单管结构没有耦合器引入的损耗,噪声系数小,但其输出电压无法超过电源电压。平衡结构线形度好、工作稳定,

o

但带宽受90移相网络的,很难超过两个倍频程。并联结构

邮局订阅号：82-946360元/年-13-

《PLC技术应用200例》

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可以在不提高电源电压的情况下,增大输出电压和输出功率。增大输出功率的另一个方法是采用推挽结构,相对于并联结构,推挽结构不需要额外的匹配电路,且能够抵消偶次谐波。综合考虑后,最终采用推挽放大电路结构。

(嵌入式与SOC)2010年第26卷第4-2期《微计算机信息》

3电路测试及实验分析

3.1电路测试

为检验功率放大器是否达到设计要求,对其进行性能测试。测试时输入信号由函数发生器提供,功放负载为50Ω电阻。经测试,功放输入信号在1MHz-5MHz范围内,输出信号均大于70V,达到设计指标。图3为功放电路在1MHz和5MHz输入信号下的输入和输出波形图,两幅图中的通道1为输入信号,通道2为输出信号。

3.2实验分析

为测试功放的实际放大效果,进行超声导波检测实验。实验装置由函数发生器、功率放大器、示波器、锚杆、激励和接收传感器组成。其中,锚杆直径20mm,长度1m,无缺陷。激励和接收传感器均为中心频率2.25MHz的压电传感器,两个传感器通过耦合剂分别耦合在锚杆两端的端面上。激励信号为经汉宁窗调制的十个周期正弦信号,中心频率2.25MHz。

2电路设计

2.1电路原理

技术创新

图1电路结构框图

功率放大器由直流偏置电路,不平衡-平衡变换器,功率管,平衡-不平衡变换器,电源以及滤波电路组成。结构框图见图1。直流偏置电路为功率管提供稳定的直流偏置;不平衡-平衡转换器将外部输入的不平衡信号转换为两路幅值相等,极性相反的平衡信号,同时进行阻抗匹配;两个功率管分别将两路信号进行放大;平衡-不平衡转换器将放大后的两路平衡信号变换为不平衡信号,送至负载,同时进行阻抗匹配。

2.2硬件实现

2.1节已简单介绍了电路中各模块的功能,现对各模块具体实现方法进行说明。

2.2.1功率管

电路中的两个功率管采用N沟道增强型场效应管(MOS－FET),相比于双极晶体管,场效应管有更高的输入阻抗,更小的输

输出以及反馈电容,更简单的偏置电路。本电路采用某型号入、

场效应管,其主要性能参数为:漏-源极电压100V,栅-源极电压±20V,功耗48W。

2.2.2直流偏置电路

图1中的两个直流偏置电路完全相同,由偏压电源提供一个稳定电压输出,再经过后级的电阻分压网络和保护电路后,将合适电压值加到场效应管的栅极,电路图见图2。C1和R2用于滤除电源中的噪声。R3用于防止前级中的感性成分与栅极电容形成LC振荡。R4用于防止在栅-源开路且漏-源间存在电压时,功率管发热甚至损坏。

(a)1MHz(b)5MHz图3不同频率下功率放大器输入输出波形图

图2直流偏压电路图

2.2.3变压器

电路中不平衡-平衡变换器和平衡-不平衡变换器都是巴伦。巴伦是平衡-不平衡变换器(BalancedtoUnbalanced)的音译,是传输线变压器中的一种,用于将功率相等相位相反的平衡信号转换为单端不平衡信号,送至不平衡负载;反之,亦可将不平衡信号转换为平衡信号。此外,它还能提供阻抗变换功能,所以又叫做平衡馈电器。电路中两个变压器的阻抗变换比均为1:1。变压器采用镍锌软磁材料制作,使用漆包线绕制而成。

-14-360元/年邮局订阅号：82-946图4实验结果

超声导波检测实验结果如图4所示,其中通道1为功放输入信号,通道2为输出信号,通道3为传感器接收信号。通道3上可以观察到两个回波,第一个回波是激励传感器上激励出的超声导波信号经过1m长锚杆后,由接收传感器接收所得;第二个回波是该超声导波信号先在锚杆右端面反射,又在左端面反射后,由接收传感器接收所得,因此第二个回波传输路程为3m。两个回波与激励信号间的时间间隔分别为178μs和0μs。已知信号频率为2.25MHz时,L(0,13)模态超声导波在锚杆中的群速度为5527m/s,通过群速度与时间的乘积可计算出超声导波在锚杆内的传播距离。经计算,回波1和回波2的传播距离分别为984mm和2985mm,实验值与理论值之间误差分别为1.6%和0.5%,与实际距离吻合较好。实验表明本功放能够在锚杆检测中作为超声导波激励源使用。

4结语

功率放大器采用A类推挽放大电路结构,可以降低信号失真,最大限度的保留信号的细节部分。两个场效应管同时工作,一方面提高了输出电压和输出功率,另一方面抑制偶次谐波,提

(下转第37页)高信噪比。

《现场总线技术应用200例》

您的论文得到两院院士关注嵌入式系统应用

[J].微计算机信息,2006,11-2:96-98

[8]李蛟,杨仁锟,肖峻.2.4GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能[J].电信工程技术与标准化,2006,(03):31-35.

作者简介:赖晓强(1984-),男(汉族),福建省龙岩市人,北京大学深圳研究生院硕士研究生,研究方向为嵌入式系统与无线通信;邹月娴(19-),女(汉族),博士,副教授,主要研究领域为通信与信号处理。

Biography:LAIXiao-qiang(1984-),male,Fujian,ShenzhenGraduateSchoolofPekingUniversity,Master,Researcharea:EmbeddedSystemandWirelessCommunication.(518055深圳北京大学深圳研究生院信息工程学院)赖晓强

邹月娴任朝利王伟东

短地址冲突问题主要是由于现有ZigBee协议栈的不完善所致。在无法修改现有ZigBee协议栈的情况下,可在系统软件设计中,通过增加ZigBee设备脱离网络的检测功能以及设备在脱离网络后的复位重连网络功能,来有效避免短地址冲突问题,提高网络可靠性。

3.4广播机制分析

本系统中,集中器采用广播方式将抄表命令发送到每个采集器。测试中发现,采集器并非同时接收到广播抄表命令,而且偶尔出现多个采集器都无法收到广播抄表命令的情况。

通过反复测试和分析发现,ZigBee网络中的广播数据帧,一般是按照ZigBee设备加入ZigBee网络的顺序在ZigBee设备之间依次传递。对于每个ZigBee设备,既要接收广播帧,又向邻居设备中继转发该广播帧。在这个依次传递的过程中,如果某个ZigBee设备失效或脱离网络了,将导致其后续ZigBee设备无法接收到广播帧。因此,ZigBee采用的这种广播机制不能保证广播帧为所有ZigBee设备接收,每个采集器设备故障都将严重影响系统的整体可靠性。为此,可以采取的措施包括:1)在软件设计中增加对广播结果的检测和确认机制,对于未能接收到广播帧的ZigBee设备,由网络向该设备自动重发广播数据帧;2)在采集器上增加水表数据定期自动上报功能,免去集中器广播抄表命令的发送过程。

(SchoolofComputer&InformationEngineering,ShenzhenGraduateSchoolofPekingUniversity,Shenzhen,518055,China)LAIXiao-qiangZOUYue-xianRENZhao-liWANGWei-dong

通讯地址:(518055广东省深圳市南山区西丽大学城北大校区A413室)邹月娴

(收稿日期:2009.04.17)(修稿日期:2009.07.17)

4结束语

本文对比分析了现有自动抄表系统中采用的几种有线和无线通信技术,利用新兴的ZigBee技术设计和实现了一套自动水表抄表系统。然后总结了系统测试情况,并就测试结果和测试中发现的问题进行试验和分析,提出了提高抄表系统可靠性的若干改进措施。本系统充分发挥了ZigBee技术低成本、低功耗、网络组织管理简便等优势,克服了室外布线和维护的困难,并具有较好的抗干扰能力。

本文创新点:对现有自动抄表系统中采用的几种通信技术的优势和不足进行了对比分析,并将新兴的ZigBee技术应用到自动抄表系统中;针对所开发系统进行详细的实地测试,发现了实际应用中可能出现的一些问题,特别是现有ZigBee协议栈在短地址分配和广播机制等方面存在的不足;对于测试中发现的问题,本文都通过理论分析和反复试验,从工程实现的角度提出有效的改进措施。参考文献

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(上接第14页)经测试功放在1MHz-5MHz范围内,负载为50Ω时,输出电压峰-峰值大于70V,达到设计指标。在锚杆超声导波检测实验中,功放通过压电传感器在锚杆上激励出超声导波,满足试验要求,为进一步锚杆健康状况检测提供了实验系统保证。如果需要更高的输出电压,可以考虑使用更多的场效应管同时工作,或者采用多级放大结构。

本文作者创新点:针对锚杆超声导波检测的特点提出功率放大器的设计方案和技术指标,并据此制作了一种功率放大器。

本项目预计经济效益30万元。参考文献

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作者简介:何存富(1958-),男,山西大同人,教授,博士生导师,博士,主要从事现代测控技术与方法、无损检测与健康评价、智能仪器与虚拟仪器技术等方面的研究。

Biography:HECun-fu(1958-),male,ShanXiprovince,aprofessorofBeijingUniversityoftechnology,PhDdegree,researchinterestsincludingmoderntestingtechnologyandmethods,nondestructivetestingandhealthevaluation,intelligentinstrumentandvirtualinstrument.(100124北京北京工业大学机械工程与应用电子技术学院)

何存富朱海涛周进节吴斌

技术创新

(CollegeofMechanicalEngineerandAppliedElectronicsTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)HECun-fuZHUHai-taoZHOUJin-jieWUBin通讯地址:(100124北京市朝阳区平乐园100号基础楼204)

何存富

(收稿日期:2009.04.28)(修稿日期:2009.07.28)

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