一种超声探伤用高压脉冲发射机及脉冲生成方法与流程

1.本发明涉及高压脉冲生成技术领域，尤其涉及一种超声探伤用高压脉冲发射机及脉冲生成方法。


背景技术：

2.高压脉冲设备在许多地方都有应用，一般主要应用在等离子体供电、高压电容器充电、惰性气体放电、半导体离子注入等场合，而本发明是针对容性负载充电所设计，主要应用场合为电容式超声探伤，超声测距等超声应用。传统的超声波装置使用脉冲方式激励超声波探头，即用高压脉冲设备产生一个高压负脉冲激励压电晶片，从而激发出超声波。高压脉冲装置根据储能方式不同可分为电容储能型和电感储能型，目前，电容储能型是使用最多的储能方式。从功能上区分，电容储能型脉冲发生器主要分为四大块：初级储能装置、升压装置、脉冲形成电路和负载。目前，应用最广泛的是脉冲变压器型脉冲发生器，其基本原理是：初级储能电容给变压器初级绕组放电，从而在初级回路产生谐振，通过初、次级绕组之间的紧密耦合，在次级绕组中输出脉冲信号给脉冲形成电路充电。当脉冲形成电路充电到一定的电压值时，脉冲形成电路给负载放电，在负载上获得几千伏以上的高电压脉冲。其中，脉冲形成电路可以采用如图1所示的结构，当各级开关关断时，电路处于并联充电状态，充电回路如图1所示；充电过程结束后，触发各级mosfet导通，形成串联放电回路，放电回路如图2所示。通过上述方式和电路可以产生高压脉冲，但是电容可有两种不同的充放电模式：完全充放电模式和不完全充放电模式。当电路为电容完全充放电模式时，脉冲形成电路输出波形接近于锯齿波，使得容性负载产生的超声波中存在大量的次谐波信号，无法达到检测声场的要求；当电容的不完全充放电，使得脉冲的波形顶端能够维持平顶，但是由于电路中mos管的关断时间较长，造成了波形的拖尾，波形拖尾部分容易造成容性负载产生的脉冲与前次超声脉冲反射回波相遇而发生干扰。因此，通过上述方式得到的脉冲波形平顶度差。为了解决上述问题，本发明提供一种超声探伤用高压脉冲发射机及脉冲生成方法，通过改进脉冲形成电路的结构以及脉冲自适应算法，使得高压脉冲发射机可以克服由于电容充放电模式造成脉冲波形平顶度差的问题，从而解决容性负载产生的超声波因脉冲信号波形差造成信噪比差的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出了一种超声探伤用高压脉冲发射机及脉冲生成方法，通过改进脉冲形成电路的结构以及脉冲自适应算法，使得高压脉冲发射机可以克服由于电容充放电模式造成脉冲波形平顶度差的问题，从而解决容性负载产生的超声波因脉冲信号波形差造成信噪比差的问题。
4.本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种超声探伤用高压脉冲发射机，其包括脉冲形成电路，脉冲形成电路包括主电路、延时补偿电路、脉冲整形电路、第一mos管、第二mos管及控制器；
5.主电路的输入端输入高压直流信号，主电路的输出端与第二mos管的源极电性连接，第二mos管的漏极与脉冲整形电路的输入端电性连接，脉冲整形电路的输出端与负载的电压输入端连接，负载的电压输出端接地；
6.第一mos管的源极与主电路的输入端电性连接，第一mos管的漏极与延时补偿电路的输入端电性连接，延时补偿电路的输出端分别与主电路的输出端以及负载的电压输入端电性连接；
7.第一mos管的栅极、第二mos管的栅极、主电路的控制端及延时补偿电路的控制端分别与控制器的i/o口一一对应电性连接。
8.在以上技术方案的基础上，优选的，主电路包括若干组结构相同且依次串联的开关电路；
9.第一阶所述开关电路的输入端输入高压直流信号，第一阶所述开关电路的输出端与第二阶所述开关电路的输入端电性连接，依次循环，直至最后一阶所述开关电路的输出端与第二mos管的源极电性连接；
10.第一mos管的源极与第一阶所述开关电路的输入端电性连接，延时补偿电路的输出端与最后一阶所述开关电路的输出端电性连接。
11.在以上技术方案的基础上，优选的，延时补偿电路包括若干组结构相同且相互并联的补偿单元；
12.第一阶所述补偿单元的输入端与第一mos管的漏极电性连接，第一阶所述补偿单元的输出端与分别与主电路的输出端以及负载的电压输入端电性连接；
13.第二阶所述补偿单元的输入端与第一阶所述补偿单元的输入端电性连接，第二阶所述补偿单元的输出端与第一阶所述补偿单元的输出端电性连接；依次循环，直至最后一阶补偿单元。
14.另一方面，本发明提供一种超声探伤用高压脉冲发射机的脉冲生成方法，包括以下步骤：
15.s1、搭建高压脉冲发射机；
16.s2、基于主电路预设输出脉冲宽度将主电路设置为电容不完全充放电模式或电容完全充放电模式；当主电路处于电容不完全充放电模式时，执行步骤s3；当主电路处于电容完全充放电模式时，执行步骤s4；
17.s3、控制器控制第一mos管闭合、第二mos管断开及第一阶补偿单元开通，第一阶补偿单元产生锯齿状阶梯波形，所述锯齿状阶梯波形与主电路产生的脉冲波形进行叠加，使主电路输出电压恢复到预设电压，并将主电路输出电压加载在负载上；持续检测主电路输出电压是否达到预设电压，若没有达到预设电压，则控制器控制第二阶补偿单元开通，依次循环，直至主电路输出电压达到预设电压；
18.s4、控制器控制第一mos管断开及第二mos管闭合，主电路输出信号输入至脉冲整形电路，所述脉冲整形电路将主电路输出的波形转换为方波波形并加载在负载上。
19.在以上技术方案的基础上，优选的，s2中“基于主电路预设输出脉冲宽度将主电路设置为电容不完全充放电模式或电容完全充放电模式”具体包括以下步骤：
20.基于主电路预设输出脉冲宽度设置阈值，若主电路预设输出脉冲宽度超过阈值，则将主电路设置为电容不完全充放电模式；反之，则将主电路设置为电容完全充放电模式。
21.在以上技术方案的基础上，优选的，将主电路设置为电容不完全充放电模式，具体包括以下步骤：
22.按照预设脉宽差值缩短控制器输出用于控制开关电路中开关管关断的控制信号脉宽，所述预设脉宽差值为开关电路中开关管关断时延对应的脉宽。
23.在以上技术方案的基础上，优选的，将主电路设置为电容完全充放电模式，具体包括以下步骤：
24.根据电路工作频率获取主电路充放电周期，基于电容完全充放电时间公式获取主电路中各级并联电容的等效容值，将主电路中各级电容的容值调整为等效容值。
25.本发明的一种超声探伤用高压脉冲发射机相对于现有技术具有以下有益效果：
26.(1)通过设置第一mos管和第二mos管，两者配合使用，在切换电容充放电模式时，通过改变第一mos管和第二mos管的状态组合，切换不同电容充放电模式下的处理方案；
27.(2)在电容完全充放电模式下，通过脉冲整形电路将锯齿波转换为方波，解决脉冲波形在电容完全放电模式下呈锯齿波的问题，并获得具有一段平顶的方波波形；在电容不完全充放电模式下，通过延时补偿电路产生锯齿状阶梯波形，所述锯齿状阶梯波形与主电路产生的脉冲波形进行叠加，使主电路输出电压恢复到预设电压，解决脉冲波形在电容不完全充放电模式下产生波形拖尾的问题；
28.(3)基于主电路预设输出脉冲宽度选择电容不完全充放电模式和完全充放电模式，合理利用电容不完全充放电模式和完全充放电模式两种模式的优点，可以根据实际需求自适应调整电容充放电模式，兼容性和自适应性强。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为现有技术中高压脉冲发射机中主电路的充电回路；
31.图2为现有技术中一种超声探伤用高压脉冲发射机中主电路的放电回路；
32.图3为本发明一种超声探伤用高压脉冲发射机的结构图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
34.实施例1
35.在超声探伤、超声测深度等超声应用领域中，传统的超声波装置使用脉冲方式激励超声波探头，即使用高压脉冲设备产生一个高压放电负脉冲激励压电晶片，从而激发出超声波。本实施例中，高压脉冲设备产生的脉冲激励信号直接影响超声波探头发射超声波的质量，例如，当脉冲激励信号为锯齿波时，超声波探头产生的超声波中存在大量的次谐波
信号，无法达到检测声场的要求；当脉冲激励信号存在波形拖尾时，波形拖尾部分容易造成超声波探头产生的脉冲与前次超声脉冲反射回波相遇而发生干扰。因此，为了解决上述问题，如图1所示，本实施例的一种超声探伤用高压脉冲发射机，包括电容储能型脉冲发生器的四大部件，即初级储能装置、升压装置、脉冲形成电路和负载，其中，升压装置一般为变压器。初级储能装置给变压器初级绕组放电，从而在初级回路产生谐振，通过初、次级绕组之间的紧密耦合，在次级绕组中输出脉冲信号给脉冲形成电路充电。当脉冲形成电路充电到一定的电压值时，脉冲形成电路给负载放电，在负载上获得几百千伏以上的高电压脉冲。其中，传统的脉冲形成电路的主电路如图1所述，其充电回路如图1所示中加粗黑线所示，其放电回路如图2所示中加粗黑线所示。显然，脉冲形成电路中电容作为脉冲形成电路的储能装置，其参数决定了脉冲形成电路充放电时间和脉冲波形。目前，电容有两种不同的充放电模式，即完全充放电模式和不完全充放电模式，两模式的对比如下：
36.电容完全充放电模式，指电容在图1中mos管导通的时间内，将所存储的能量完全泄放，电压由充电完成时的电压变为0v，并在图1中mos管关断后，由零伏开始充电，并恢复到放电前的电压。当电路为电容完全充放电模式时，电容上存储的能量在放电期间被完全释放，因此影响其放电波形的最主要因素是mos管的导通速度。由于其的导通速度极快，电容的串联状态被瞬间建立，因此能在极短的时间内获得陡峭的脉冲前沿。由于电容的容值较小，存储的能量可在开关器件导通的时间内完全释放，脉冲的底部宽度与控制信号的脉宽基本吻合。不过正因为电容容值小的原因，造成了其波形接近于锯齿波。
37.电容不完全充放电模式是指电容在图1中mos管导通时间内，其存储的能量并没有对负载完全泄放，其电压在放电结束后没有降至0v。电容不完全充放电的情况下，由于mos管的导通速度依很快，使得其在波形上也能获得陡峭的脉冲前沿。电容的不完全充放电，使得脉冲的波形顶端能够维持平顶，但是由于mos管的关断时间较长，造成了波形的拖尾。
38.因此，为了解决上述问题，本实施例提供了一种超声探伤用高压脉冲发射机，重点改进脉冲形成电路的结构，本实施例中，如图3所示，脉冲形成电路包括主电路、延时补偿电路、脉冲整形电路、第一mos管、第二mos管及控制器。
39.主电路，存在充电阶段和放电阶段，在充电阶段，将升压装置提供的充电电压存储在电容中；在放电阶段，电容中存储的电能加载在负载上；通过电容的充放电产生高压脉冲。本实施例中，主电路的输入端输入高压直流信号，主电路的输出端与第二mos管的源极电性连接。优选的，主电路包括若干组结构相同且依次串联的开关电路；第一阶开关电路的输入端输入高压直流信号，第一阶所述开关电路的输出端与第二阶所述开关电路的输入端电性连接，依次循环，直至最后一阶所述开关电路的输出端与第二mos管的源极电性连接；第一mos管的源极与第一阶所述开关电路的输入端电性连接，延时补偿电路的输出端与最后一阶所述开关电路的输出端电性连接。本实施例中，开关电路可以采用图1中由二极管d10、电容c7和mos管q7组成的电路，其中，电容c7为储能电容；二极管d10起隔离作用；mos管q7用于切换主电路充放电阶段。其中，主电路输出电压大小与充电电压以及开关电路的阶数有关，一般而言，满足以下公式：u＝nu0，u为主电路输出电压，n为开关电路的阶数，u0为充电电压。
40.由于开关电路中的储能电容存在完全充放电模式和不完全充放电模式，该储能电容在完全充放电模式下产生的脉冲波形接近于锯齿波；该储能电容在不完全充放电模式下
产生的脉冲波形具有拖尾。综上，电容的两种充放电模式都无法获得平顶度高的脉冲波形。因此，为了解决上述问题，本实施例针对电容的两种充放电模式，设置了两种不同的处理方案。具体的，在电容完全充放电模式下，断开第一mos管，闭合第二mos管，选通脉冲整形电路，通过脉冲整形电路将锯齿波转换为方波；在电容不完全充放电模式下，闭合第一mos管，断开第二mos管，选通延时补偿电路，通过延时补偿电路产生锯齿状阶梯波形，所述锯齿状阶梯波形与主电路产生的脉冲波形进行叠加，使主电路输出电压恢复到预设电压。其中，第一mos管和第二mos管起到开关作用，两者配合使用，在切换电容充放电模式时，通过改变第一mos管和第二mos管的状态组合，切换不同电容充放电模式下的处理方案。其中，电容充放电模式的检测通过检测开关电路中储能电容两端电压在mos管导通和关断期间内的电压实现，通过分析该电压的变化得知当前储能电容的充放电模式，进而选择第一mos管和第二mos管的状态组合。
41.延时补偿电路，当电容处于不完全充放电模式时，用于产生锯齿状阶梯波形，所述锯齿状阶梯波形与主电路产生的脉冲波形进行叠加，使主电路输出电压恢复到预设电压，解决脉冲波形在电容不完全充放电模式下产生波形拖尾的问题。本实施例中，第一mos管的漏极与延时补偿电路的输入端电性连接，延时补偿电路的输出端分别与主电路的输出端以及负载的电压输入端电性连接；延时补偿电路的控制端与控制器的i/o口电性连接。优选的，延时补偿电路包括若干组结构相同且相互并联的补偿单元；第一阶所述补偿单元的输入端与第一mos管的漏极电性连接，第一阶所述补偿单元的输出端与分别与主电路的输出端以及负载的电压输入端电性连接；第二阶所述补偿单元的输入端与第一阶所述补偿单元的输入端电性连接，第二阶所述补偿单元的输出端与第一阶所述补偿单元的输出端电性连接；依次循环，直至最后一阶补偿单元。其中，补偿单元与主电路中开关电路采用相同的拓扑结构，并以延时放电形式实现对主电路的电压补偿。在主电路处于充电阶段时，补偿单元与主电路一起充电；在主电路处于放电阶段时，每个补偿单元延时一段时间放电，以此形成锯齿状的阶梯波形，用于弥补主电路放电产生的顶降。
42.脉冲整形电路，当电容处于完全充放电模式时，主电路输出波形近似锯齿波，脉冲前沿陡峭，并形成尖峰，后沿缓慢下降，为了获得具有一段平顶的方波波形，本实施例设置脉冲整形电路将其顶部的尖峰部分适当抹去。本实施例中，第二mos管的漏极与脉冲整形电路的输入端电性连接，脉冲整形电路的输出端与负载的电压输入端连接。本实施例不限制脉冲整形电路的具体结构，可以采用现有技术实现，因此，在此不再累述。
43.本实施例的工作原理为：在主电路充放电阶段中，实时检测主电路中储能电容在mos管导通和关断期间内的电压，分析该电压的变化得知当前储能电容的充放电模式；当电容处于完全充放电模式下，断开第一mos管，闭合第二mos管，选通脉冲整形电路，通过脉冲整形电路将锯齿波转换为方波；在电容不完全充放电模式下，闭合第一mos管，断开第二mos管，选通延时补偿电路，通过延时补偿电路产生锯齿状阶梯波形，所述锯齿状阶梯波形与主电路产生的脉冲波形进行叠加，使主电路输出电压恢复到预设电压。
44.本实施例的有益效果为：通过设置第一mos管和第二mos管，两者配合使用，在切换电容充放电模式时，通过改变第一mos管和第二mos管的状态组合，切换不同电容充放电模式下的处理方案；
45.在电容完全充放电模式下，通过脉冲整形电路将锯齿波转换为方波，解决脉冲波
形在电容完全放电模式下呈锯齿波的问题，并获得具有一段平顶的方波波形；在电容不完全充放电模式下，通过延时补偿电路产生锯齿状阶梯波形，所述锯齿状阶梯波形与主电路产生的脉冲波形进行叠加，使主电路输出电压恢复到预设电压，解决脉冲波形在电容不完全充放电模式下产生波形拖尾的问题。
46.实施例2
47.在实施例1的基础上，由于主电路输出脉冲脉宽的不同，会造成主电路中电容充放电时间不同，若采用固定充放电模式，则只能满足一定范围脉冲宽度和平顶度的要求，基于实施例1的脉冲发射机，其无法根据实际需求自适应调整电容充放电模式。因此，为了解决上述问题，本实施例提供一种超声探伤用高压脉冲发射机的脉冲生成方法，具体包括以下步骤：
48.s1、搭建如实施例1的高压脉冲发射机；
49.s2、基于主电路预设输出脉冲宽度将主电路设置为电容不完全充放电模式或电容完全充放电模式；当主电路处于电容不完全充放电模式时，执行步骤s3；当主电路处于电容完全充放电模式时，执行步骤s4；
50.其中，“基于主电路预设输出脉冲宽度将主电路设置为电容不完全充放电模式或电容完全充放电模式”具体包括以下步骤：基于主电路预设输出脉冲宽度设置阈值，若主电路预设输出脉冲宽度超过阈值，则将主电路设置为电容不完全充放电模式；反之，则将主电路设置为电容完全充放电模式。本实施例中以100ns为阈值，当主电路预设输出脉冲宽度超过100ns时，将主电路设置为电容不完全充放电模式；反之，则设置为电容完全充放电模式。
51.进一步优选的，将主电路设置为电容不完全充放电模式，具体包括以下步骤：按照预设脉宽差值缩短控制器输出用于控制开关电路中开关管关断的控制信号脉宽，所述预设脉宽差值为开关电路中开关管关断时延对应的脉宽。其中，电容不完全充放电模式下，只需要把主控制器输出的控制信号脉宽相应的缩短，就可以调整主电路输出脉冲达到相应的宽度，以此切除波形拖尾部分。
52.进一步优选的，将主电路设置为电容完全充放电模式，具体包括以下步骤：根据电路工作频率获取主电路充放电周期，基于电容完全充放电时间公式获取主电路中各级并联电容的等效容值，将主电路中各级电容的容值调整为等效容值。电容存储能量一定，可以根据工作频率计算出充电周期，放电周期由电容本身决定。例如，当主电路工作频率需达到500khz时，主电路的一个充放电周期为2us，根据电容完全充放电时间公式t＝5rc，r为额定工作电流下主电路中二极管的串联等效电阻，c为各级电容的并联等效电容。
53.s3、控制器控制第一mos管闭合、第二mos管断开及第一阶补偿单元开通，第一阶补偿单元产生锯齿状阶梯波形，所述锯齿状阶梯波形与主电路产生的脉冲波形进行叠加，使主电路输出电压恢复到预设电压，并将主电路输出电压加载在负载上；持续检测主电路输出电压是否达到预设电压，若没有达到预设电压，则控制器控制第二阶补偿单元开通，依次循环，直至主电路输出电压达到预设电压；
54.s4、控制器控制第一mos管断开及第二mos管闭合，主电路输出信号输入至脉冲整形电路，所述脉冲整形电路将主电路输出的波形转换为方波波形并加载在负载上。
55.本实施例的有益效果为：基于主电路预设输出脉冲宽度选择电容不完全充放电模式和完全充放电模式，合理利用电容不完全充放电模式和完全充放电模式两种模式的优
点，可以根据实际需求自适应调整电容充放电模式，兼容性和自适应性强。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。