用于高鐵鋼軌探傷的正負脈沖超聲發射接收板卡設計

　　摘要：目前在鋼軌探傷的超聲波發射電路中常用的是基于電容充放電原理的負尖脈沖的激勵方式，超聲波發射重復頻率受電容充放電速度的影響，且激勵電壓不恒定，直接導致測量結果定量困難。針對這一問題，提出了一種用于高鐵鋼軌探傷的正負脈沖激勵的超聲波發射電路，采用與超聲探頭周期相同的正負脈沖對探頭進行激勵，實驗結果表明，該超聲波發射電路脈沖在4KHz重復頻率下激勵電壓穩定，接收電路通道間無干擾，符合高鐵鋼軌探傷使用要求。

　　前言

　　目前超聲系統使用的激勵波形主要有負尖脈沖、雙極性調諧脈沖、方波脈沖、階躍脈沖(如圖1所示)，作者對各種激勵方式對超聲信號的影響進行了分析。

　　在鋼軌探傷領域內，超聲探頭的固有頻率多為2.5MHz或3.5MHz，且激勵電壓高，一般為300V左右，使用最多的是負尖脈沖激勵方式，負尖脈沖激勵方式原理和電路簡單，易于實現。負尖脈沖的產生原理如圖2所示。

　　通過控制高速開關使電容充放電來產生負尖脈沖。為提高超聲測量的靈敏度，需要負尖脈沖的下降沿時間越短越好。負尖脈沖電路超聲波激勵在高速鋼軌檢測使用中有如下不足：(1)激勵電壓的幅值取決于電容的充電電壓，受各種因素影響，激勵電壓的幅值不穩定，重復性不好。(2)受到電容充放電速度的影響，測量的重復頻率受到限制，當測量重復頻率增大時，激勵電壓的幅值會下降。

　　目前采用輪式探頭的高鐵鋼軌探傷車檢測速度最高為80km/h，檢測重復頻率為4KHz，采用負尖脈沖的激發方式已經不能很好地滿足要求。

　　方波脈沖可以提高激勵電壓的穩定性，雙極性調諧脈沖可以明顯提高檢測信號幅度，本文提出了一種正負脈沖的激勵方式，結合了方波脈沖和雙極性調諧脈沖的優點。

　　1 正負脈沖激勵的超聲波發射接收電路

　　1.1 正負脈沖激勵的原理

　　正負脈沖激勵的波形如圖3所示，采用正負兩種電壓輪流施加到超聲探傷上，正負脈沖的峰峰值即為施加到超生探頭上的電壓值，正負脈沖的頻率可以根據檢測的需要進行調節。在正負脈沖的一個周期內，超聲探頭產生3次振動。

　　正負脈沖具有方波脈沖的可控性優點，激勵幅值電壓穩定，同時，又具有雙極性調諧脈沖的調諧特性，可以提高檢測信號的幅值。