改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器及其元器件参数设计方法

摘要

本发明公开一种改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器，包括信号发射部、偏置磁场以及信号接收部，信号发射部与偏置磁场作用产生超声波检测被测器件，反射的超声波与偏置磁场作用，产生信号被信号接收部接收，得出检测结果，信号发射部由信号发射电路、阻抗匹配电路以及激励线圈电路组成，阻抗匹配电路为LCL谐振电路。本发明还公开了用于本发明的元器件参数的设计方法，本发明通过两级谐振能得到较高的电压增益供给电磁超声波换能器，无需变压器，没有变压器磁饱和和电磁干扰的问题；产生的脉冲激励信号频谱单一，检测精度高；直流电压源可以为锂电池等电源，便于携带。

说明书

技术领域

本发明涉及无损伤探测领域，特别是涉及一种改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器及其元器件参数设计方法。

背景技术

随着工业自动化的极大发展，各种设备得到大规模运用，在使用中安全隐患问题也极大突显出来，为了消除这类问题，需要对设备进行不定期探伤检测，因此，无损伤探伤技术迅速发展。在无损伤探伤领域，超声导波检测技术具有传播距离远、速度快等优点，应用前景十分广阔。在超声导波检测技术中，电磁超声波检测技术以其非接触、耐高温、无需耦合剂的优点，成为超声检测技术的前沿发展技术之一。在电磁超声波检测技术中，电磁超声波激励源的激励信号需要是高频窄带宽脉冲信号，传统技术主要是利用变压器获得高压增益，但是这种方法会产生电磁干扰，而且变压器是具有高转换比率的脉冲型变压器，而这种变压器不仅有磁饱和的限制，而且需要复杂的保护电路，体积庞大，成本高，难以实现小型化便携式设备使用。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器及其激励电源元器件参数设计方法。利用全桥逆变器产生脉冲型方波信号，再经改进型LCL谐振电路的两级谐振产生无谐振拖尾的正弦波的脉冲型激励高压信号，用以激励电磁超声换能器产生超声波进行元器件探伤。

技术方案如下：

一种改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器，包括信号发射部、偏置磁场以及信号接收部，其关键在于：所述信号发射部由信号发射电路、阻抗匹配电路以及激励线圈电路组成，所述信号发射电路产生矩形脉冲信号，矩形脉冲经阻抗匹配电路电压增益后输入激励线圈电路产生交变电磁场，交变电磁场与偏置磁场产生的电涡流作用产生发射超声波，该发射超声波作用在被测物体上，信号接收部接收被测物体反射超声波；

所述阻抗匹配电路为LCL谐振电路，由电感L_S、电感L_P、电容C_p组成，电感L_S的前端连接信号发射电路的第一输出端，获取矩形脉冲信号，电感L_S的后端串电容C_p后接信号发射电路第二输出端，电感L_S的后端还接电感L_P的前端，电感L_P后端接激励线圈电路的输入端。

采用上述结构，通过两级谐振能提供较高的电磁超声波换能器所需的脉冲型激励电压，无需变压器，没有变压器磁饱和和电磁干扰的问题；产生的脉冲激励信号频谱单一，检测精度高。

更进一步的，所述电感L_S经电阻R₁与电感L_P连接，所述激励线圈电路内设置有一个用于消除谐振拖尾的电阻R₂。

采用上述结构，电阻R₁和电阻R₂能消除谐振拖尾现象，能使产生的激励信号一直为高次谐波，提高检测精度。

更进一步的，所述信号发射电路包括直流电压源、驱动电路和全桥逆变器，所述直流电压源接所述全桥逆变器，所述驱动电路驱动全桥逆变器输出矩形脉冲信号，所述全桥逆变器的输出端接LCL谐振电路。

采用上述结构，能产生良好的矩形脉冲信号。

更进一步的，超声波换能器由锂电池供电。

采用上述结构，锂电池便于携带，能实现电磁超声波换能器的小型化便携式设备使用。

改进型LCL谐振电路的电磁超声波换能器的元器件参数设计方法，其关键在于按照一下步骤进行：

步骤1、选定增益倍数λ和谐振频率ω_R，其中λ为正整数；

步骤2、检测出激励线圈电路的等效电感L₀以及等效电阻R₀，将激励线圈电路等效成由电阻R₀、电感L₀、电容C₀组成的等效电路，则改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器的等效电路为：电感L_S的前端连接信号发射电路的第一输出端，获取矩形脉冲信号，电感L_S的后端串电容C_p后接信号发射电路第二输出端，电感L_S的后端还经电阻R₁接电感L_P的前端，电感L_P后端串电容C₀后接信号发射电路第二输出端，电感L_P后端还经电阻R₂接电感L₀前端，电感L₀后端经电阻R₀接信号发射电路第二输出端；

新的等效电路的前级可以看作由电感L_S和电容C_p组成的LC谐振，后级可以看由电感L_P、电容C₀以及电感L₀组成的LCL谐振；

步骤3、对于后级LCL谐振，其输入阻抗

$Z_{LCL}=\frac{{\mathrm{j\omega L}}_p-{\mathrm{j\omega }}^3{L}_0{L}_p{C}_0+{\mathrm{j\omega L}}_0+R_0}{1-{\omega }^2{L}_0{C}_0}$

因为电路工作在谐振状态，所以输入阻抗的虚部为0，即

$\mathrm{Im}\left[Z_{LCL}\right]=\frac{{\mathrm{j\omega L}}_p-{\mathrm{j\omega }}^3{L}_p{L}_0{C}_0+{\mathrm{j\omega L}}_0}{1-{\omega }^2{L}_0{C}_0}=0$

由此可以求出谐振频率：

${\omega }_R=\sqrt{\frac{L_p+L_0}{L_p{L}_0{C}_0}}$

为了便于确定LCL谐振的参数，取L_P/L₀＝λ，则可得到电感L_P,电容C₀的参数计算公式如下：

$C_0=\frac{1+\lambda }{L_0{{\omega }_R}^2}$

步骤4、整个激励电源的增益倍数为λ，即：L_S/L_P＝λ以此可以求得电感L_S的参数值；

步骤5、对于前级LC谐振，因为整个增益电路的谐振频率需要保证一致，所以根据以下公式可以求出电容C_p的参数值：

${\omega }_R=\frac{1}{\sqrt{L_s{C}_p}},L_s{C}_p=\frac{1}{{{\omega }_R}^2}$

步骤6、根据步骤1-6求得的参数搭建好电路，并得到输出的电压波形；

步骤7、根据输出电压波形的二次谐波幅值和三次谐波幅值的差值求得电阻R₁和R₂的参数值。

采用上述方法，能根据需求设定各个元器件的参数值，避免参数值设定不准确造成不能够产生高的电压增益甚至不能产生电压增益，或者产生过大的谐振拖尾现象。

更进一步的，所述增益倍数λ的取值范围是：0<λ≤20。

采用上述限制，能避免产生严重的谐振拖尾现象和系统振荡。

更进一步的，所述电阻R₂的阻值的取值范围是0<R₂<5Ω。

采用上述限制，能避免降低增益电压的幅值。

有益效果：采用本发明能提供电磁超声波换能器所需的脉冲型激励电压，无需变压器，没有变压器磁饱和和电磁干扰的问题；产生的脉冲激励信号频谱单一，检测精度高；直流电压源可以为锂电池等电源，便于携带。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为图1中信号发射部的原理框图；

图3为本发明的LCL谐振拓扑等效电路图；

图4为本发明的激励电源参数设计流程图；

图5为本发明未抑制谐振拖尾的仿真结果图；

图6为本发明的电阻R₁和电阻R₂的阻值确定图；

图7为本发明抑制谐振拖尾的仿真效果图；

图8为本发明输入50V时的实验效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，一种改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器，包括信号发射部偏置磁场以及信号接收部，信号发射部产生交变电磁场，与偏置磁场产生的电涡流作用产生超声波，超声波被测器件中沿一定方向传播，遇到缺陷时，部分超声波会被反射回信号接收部，然后与偏置磁场产生的电涡流作用产生交变磁场，通过分析信号接收部接收到的超声波，就能精确检测出缺陷来。

所述信号发射部由信号发射电路、阻抗匹配电路以及激励线圈组成，信号发射电路产生脉冲型方波信号，脉冲型方波信号经过阻抗匹配电路电压增益，得到脉冲型激励高压信号，脉冲型激励高压信号输入激励线圈中，激励线圈产生交变电磁场。

所述信号发射电路由直流电压源、驱动电路和全桥逆变器，所述直流电压源接所述全桥逆变器，所述驱动电路驱动全桥逆变器输出脉冲型方波信号，所述直流电压源和驱动电路均由锂电池供电。

所述阻抗匹配电路为LCL谐振电路，由电感L_S、电感L_P、电容C_p组成，电感L_S的前端连接信号发射电路第一输出端，获取矩形脉冲信号，电感L_S的后端串电容C_p后接信号发射电路第二输出端，电感L_S的后端还接电感L_P的前端，电感L_P后端接激励线圈电路的输入端。

为消除谐振拖尾现象，所述电感L_S经电阻R₁与电感L_P连接，所述激励线圈电路内设置有一个用于消除谐振拖尾的电阻R₂。

如图3-8所示，改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器的激励电源元器件参数设计方法，按照一下步骤进行：

步骤1、选定增益倍数λ和谐振频率ω_R，其中λ为正整数，为避免产生严重的谐振拖尾现象和系统振荡，所述增益倍数λ的取值范围是：0<λ≤20。

步骤2、用阻抗分析仪检测出激励线圈电路的等效电感L₀以及等效电阻R₀，将激励线圈电路等效成由电阻R₀、电感L₀、电容C₀组成的等效电路，则改进型LCL谐振电路的电磁超声换能器的等效电路为：电感L_S的前端连接信号发射电路的第一输出端，获取矩形脉冲信号，电感L_S的后端串电容C_p后接信号发射电路第二输出端，电感L_S的后端还经电阻R₁接电感L_P的前端，电感L_P后端串电容C₀后接信号发射电路第二输出端，电感L_P后端还经电阻R₂接电感L₀前端，电感L₀后端经电阻R₀接信号发射电路第二输出端。

新的等效电路的前级可以看作一个由电感L_S和电容C_p组成的LC谐振，后级可以看由电感L_P、电容C₀以及电感L₀组成的LCL谐振。

步骤3、对于后级LCL谐振，其输入阻抗

$Z_{LCL}=\frac{{\mathrm{j\omega L}}_p-{\mathrm{j\omega }}^3{L}_0{L}_p{C}_0+{\mathrm{j\omega L}}_0+R_0}{1-{\omega }^2{L}_0{C}_0}$

因为电路工作在谐振状态，所以输入阻抗的虚部为0，即

$\mathrm{Im}\left[Z_{LCL}\right]=\frac{{\mathrm{j\omega L}}_p-{\mathrm{j\omega }}^3{L}_p{L}_0{C}_0+{\mathrm{j\omega L}}_0}{1-{\omega }^2{L}_0{C}_0}=0$

由此可以求出谐振频率：

${\omega }_R=\sqrt{\frac{L_p+L_0}{L_p{L}_0{C}_0}}$

为了便于确定LCL谐振的参数，取L_P/L₀＝λ，则可得到电感L_P的参数值,电容C₀的参数计算公式如下：

$C_0=\frac{1+\lambda }{L_0{{\omega }_R}^2}$

步骤4、整个电路的增益倍数为λ，即：L_S/L_P＝λ以此可以求得电感L_S的参数值；

步骤5、对于前级LC谐振，因为整个增益电路的谐振频率需要保证一致，所以根据以下公式可以求出电容C_p的参数值：

${\omega }_R=\frac{1}{\sqrt{L_s{C}_p}},L_s{C}_p=\frac{1}{{{\omega }_R}^2}$

步骤6、根据步骤1-6求得的参数搭建好电路，并检测输出的电压波形；

步骤7、根据输出电压波形的二次谐波幅值和三次谐波幅值的差值求得电阻R₁和电阻R₂的参数值，为避免电阻R₂影响电压增益，电阻R₂的取值范围为0<R₂<5Ω。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。