阅读说明：本技术 一种超声换能器快速激励装置及控制方法 (Ultrasonic transducer rapid excitation device and control method ) 是由 张喻 王承成 杨涛 杨红幸 陈�胜 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种超声换能器快速激励装置及控制方法,通过电压比较器将变压器副边反射回变压器原边的电压与设定电压比较,比较结果反馈给频率发生器,频率发生器根据比较结果调整下一次输出的方波频率,可以根据不同的充电电容电压,产生不同频率的方波,进而使得充电时间与充电电容电压相匹配,在充电过程中,没有等待的时间,提高了超声波换能器的激励速度；通过电压比较器得知充电循环的开始和结束时间,不论充电电容电压的高或低,都能在一个充电循环完成后立即启动下一个充电循环,中间没有等待的时间,从而大大提高了换能器的激励速度。(The invention provides a rapid excitation device of an ultrasonic transducer and a control method, wherein a voltage comparator is used for comparing the voltage reflected by a secondary side of a transformer to a primary side of the transformer with a set voltage, a comparison result is fed back to a frequency generator, the frequency generator adjusts the frequency of a square wave output next time according to the comparison result, square waves with different frequencies can be generated according to different charging capacitor voltages, so that the charging time is matched with the charging capacitor voltage, no waiting time exists in the charging process, and the excitation speed of the ultrasonic transducer is improved; the starting time and the ending time of the charging cycle are known through the voltage comparator, no matter whether the voltage of the charging capacitor is high or low, the next charging cycle can be started immediately after the completion of one charging cycle, and no waiting time exists in the middle, so that the excitation speed of the transducer is greatly improved.)

一种超声换能器快速激励装置及控制方法

技术领域

本发明涉及基桩超声波检测仪技术领域，尤其涉及一种超声换能器快速激励装置及控制方法。

背景技术

桩基检测的主要方法有静载试验、钻芯法、低应变法、高应变法、声波透射法等几种，其中声波透射法作为基桩完整性检测与评价的重要方式，得到了普遍的应用。声波透射法通常采用基桩超声波检测仪，目前国内主流的基桩超声波检测仪主要有如下几个部分组成：1、超声波换能器；2、超声波检测主机；3、深度计数编码器。具体操作过程为：现场检测过程中，检测人员操作超声波检测主机，启动超声波检测主机内部超声换能器激励装置及采集模块进行工作，同时通过拉动超声波换能器线缆，深度计数器实时记录超声波换能器当前所在深度，便于后续分析处理中，对缺陷位置的定位。

如图1所示，超声波检测技术中，如果埋设三根声测管，则需要同时完成三个剖面的数据检测，超声波换能器快速激励装置至少需要对超声换能器进行2次激励；如果埋设四根声测管，则需要同时完成六个剖面的数据检测，超声波换能器快速激励装置至少需要对超声换能器进行3次激励；如果埋设五根声测管，则需要同时完成十个剖面的数据检测，超声波换能器快速激励装置至少需要对超声换能器进行4次激励。随着大型建筑、高速公路等不断的兴起，大直径的桩身是必然趋势，埋设的声测管越多，为了不影响提升速度，因此，对换能器的激励速度提出了要求和挑战。而在整个基桩检测过程中，超声换能器的提升速度直接影响检测效率及操作体验。若按提升速度1m/s，移距50mm，那么每个测点激励完成的时间需在20ms以内。而目前主流激励装置对1-2uF大电容充电需50ms-100ms以上，还只能达到预设充电电压的70-80％左右，如果要将充电电压达到或接近预设电压，需要的充电时间将成倍增加，满足不了实际的工程应用。因此，为解决上述问题，本发明提供一种超声换能器快速激励装置及控制方法，可以提高超声换能器的激励速度，满足实际的工程应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种超声换能器快速激励装置及控制方法，可以提高超声换能器的激励速度，满足实际的工程应用。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种超声换能器快速激励装置，其包括频率发生器、占空比控制器、开关管驱动器、开关管、变压器和充电电容，还包括电压比较器；

频率发生器的输出端通过占空比控制器与开关管驱动器的输入端电性连接，开关管驱动器的输出端与开关管的控制端电性连接，开关管的一端与变压器原边的低压端电性连接，开关管的另一端接地，变压器原边的高压端与电源电性连接，变压器副边的高压端与充电电容的一端电性连接，充电电容的另一端接地，变压器副边的低压端接地；电压比较器的输入端与变压器原边的低压端电性连接，电压比较器的输出端与频率发生器的反馈端电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，电压比较器包括：运算放大器和电阻R1-R4；

变压器原边的低压端通过电阻R2与运算放大器的同相输入端电性连接，电阻R4的一端与运算放大器的同相输入端电性连接，电阻R4的另一端接地；

电源通过电阻R1与运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R3的一端与运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R3的另一端接地。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括单相电流阀；

单相电流阀串联在变压器副边的高压端与声测管之间。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括切换开关；

切换开关的输入端与充电电容的一端电性连接，切换开关的另一端分别与外部的多个超声换能器电性连接。

另一方面，本发明提供一种超声换能器快速激励装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、频率发生器产生一个方波信号，并将该方波信号发送至占空比控制器，占空比控制器调节该方波信号的占空比，调节后的方波信号通过开关管驱动器驱动开关管；

S2、当开关管导通时，充电循环开始，由于变压器的电感特性，电流持续增大；当开关管断开时，变压器原边电流突然变为0，变压器原边电感积累的能量无处泄放，变压器进入回扫模式，变压器副边通过单相电流阀对充电电容充电，同时将变压器副边的电压反射回变压器原边；

S3、在变压器原边的低压端引出一条线至电压比较器的同相输入端，电压比较器将变压器副边反射回变压器原边的电压与设定电压比较，比较结果反馈给频率发生器，频率发生器根据比较结果调整下一次输出的方波频率；

S4、当变压器副边电流为0时，变压器副边反射回变压器原边的电压为0，电压比较器输出结果跳变，充电循环结束，频率发生器立即启动，下一个充电循环开始。

在以上技术方案的基础上，优选的，S1中，当方波的高电平时开关管导通，方波的低电平时开关管关闭。

在以上技术方案的基础上，优选的，S2中，当开关管导通时，电压比较器将变压器原边低压端的电压与预设电压比较，比较结果反馈给频率发生器，占空比控制器根据比较结果调整下一次输出的方波占空比，使变压器快速升压。

本发明的一种超声换能器快速激励装置及控制方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过电压比较器将变压器副边反射回变压器原边的电压与设定电压比较，比较结果反馈给频率发生器，频率发生器根据比较结果调整下一次输出的方波频率，可以根据不同的充电电容电压，产生不同频率的方波，进而使得充电时间与充电电容电压相匹配，在充电过程中，没有等待的时间，提高了超声波换能器的激励速度；

(2)通过电压比较器得知充电循环的开始和结束时间，不论充电电容电压的高或低，都能在一个充电循环完成后立即启动下一个充电循环，中间没有等待的时间，从而大大提高了换能器的激励速度。

附图说明

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。

图1为超声波检测技术中埋设不同数量声测管时，对应完成的剖面示意图；

图2为本发明一种超声换能器快速激励装置的结构图。

具体实施方式

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。

实施例1

如图1所示，超声波检测技术中，如果埋设三根声测管，则需要同时完成三个剖面的数据检测，超声波换能器快速激励装置至少需要对超声换能器进行2次激励；如果埋设四根声测管，则需要同时完成六个剖面的数据检测，超声波换能器快速激励装置至少需要对超声换能器进行3次激励；如果埋设五根声测管，则需要同时完成十个剖面的数据检测，超声波换能器快速激励装置至少需要对超声换能器进行4次激励。随着大型建筑、高速公路等不断的兴起，大直径的桩身是必然趋势，埋设的声测管越多，为了不影响提升速度，因此，对换能器的激励速度提出了要求和挑战。而在整个基桩检测过程中，超声换能器的提升速度直接影响检测效率及操作体验。若按提升速度1m/s，移距50mm，那么每个测点激励完成的时间需在20ms以内。而目前主流激励装置对1-2uF大电容充电需50ms-100ms以上，还只能达到预设充电电压的70-80％左右，如果要将充电电压达到或接近预设电压，需要的充电时间将成倍增加，满足不了实际的工程应用。因此，为解决上述问题，如图2所示，本实施例提供一种超声换能器快速激励装置，其包括频率发生器、占空比控制器、开关管驱动器、开关管、变压器、充电电容、切换开关、电压比较器和单相电流阀。本实施例的超声换能器快速激励装置工作原理是通过变压器升压，对1-2uF的充电电容进行充电，充电电容充满以后，充电电容对超声换能器内置压电陶瓷进行放电，压电陶瓷由于压电效应体积膨胀，产生超声波，从而达到持续对超声换能器进行激励的目的。

频率发生器，根据电压比较器输出结果调整其输出的方波频率。本实施例中，频率发生器的输出端通过占空比控制器与开关管驱动器的输入端电性连接。需要注意的是：本实施例中，频率发生器可以采用现有的方波发生器实现，本实施例中，并不涉及对频率发生器内部结构的改进，本领域的技术人员在获知本实施例记载的技术方案时，可以毫无疑虑的获取对应的结构和原理，因此，在此不再累述。

占空比控制器，对频率发生器输出的方波进行占空比调节。本实施例中，占空比控制器采用现有的占空比控制器等仪器实现占空比调节的功能，本实施例中，并不涉及对占空比控制器内部结构的改进，本领域的技术人员在获知本实施例记载的技术方案时，可以毫无疑虑的获取对应的结构和原理，因此，在此不再累述。

开关管驱动器，接收经占空比控制器调控后的方波信号，并被该方波信号驱动，用于驱动开关管导通或断开。本实施例中，开关管驱动器的输出端与开关管的控制端电性连接。开关管驱动器可以选用现有技术中常用的开关管驱动电路或开关管驱动器实现驱动开关管导通或断开的功能，本实施例中，并不涉及对开关管驱动器内部结构的改进，本领域的技术人员在获知本实施例记载的技术方案时，可以毫无疑虑的获取对应的结构和原理，因此，在此不再累述。

开关管，开关管的一端与变压器原边的低压端电性连接，开关管的另一端接地，当方波的高电平时开关管导通，方波的低电平时开关管关闭。通过控制开关管的导通或断开，可以控制变压器原边能量的积累量。本实施例中，不限制开关管的型号，可以选用任何型号的MOS管或者IGBT管。

变压器，用于升压。本实施例中，变压器的原边高压端接入的是12V电源，通过选择不同的变比实现不同倍数的升压。本实施例中，不限制变压器的变比。当开关管导通时，由于变压器的电感特性，电流持续增大；当开关管关闭时，变压器原边电流突然变为0，原边电感积累的能量无处泄放，变压器进入回扫模式，副边通过单相电流阀对充电电容充电。其中，单相电流阀，用于防止充电电容向变压器副边放电，起到保护作用。

充电电容，高压对充电电容充电，充电电容充满电后，通过开关管，将充电电容迅速导地，因超声换能器接在充电电容两端，这样产生的高压脉冲激励超声换能器内置压电陶瓷产生超声波。

本实施例中，如图2所示，还设置了切换开关，切换开关的输入端与充电电容的一端电性连接，切换开关的另一端分别与外部的多个超声换能器电性连接，通过切换开关可以复用激励装置使外部多个超声换能器产生超声波。

电压比较器，一方面，将变压器原边的低压端电压与设定电压比较，比较结果控制频率发生器，使得频率发生器产生的方波信号频率和占空比可变，进而实现变压器快速升压的功能；另一方面，由于变压器的特性，变压器副边存在电流时，会将电压反射回变压器原边，当变压器副边电流为0时，反射电压为0，此时变压器副边的低压端电压将变成电源电压；所以通过对变压器原边低压端电压的探测可以得知一个充电循环是否结束，当变压器副边电流为0时候，重启频率发生器，立即启动下一个充电循环。这样不论输出电容电压的高或低，都能在一个充电循环完成后立即启动下一个充电循环，中间没有等待的时间，从而大大提高了换能器的激励速度。本实施例中，电压比较器的输入端与变压器原边的低压端电性连接，电压比较器的输出端与频率发生器的反馈端电性连接。

进一步优选的，本实施例中，电压比较器包括：运算放大器和电阻R1-R4；具体的，变压器原边的低压端通过电阻R2与运算放大器的同相输入端电性连接，电阻R4的一端与运算放大器的同相输入端电性连接，电阻R4的另一端接地；电源通过电阻R1与运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R3的一端与运算放大器的反相输入端电性连接，电阻R3的另一端接地。其中，电阻R1-R4分别用于分压和整流的作用。

本实施例的工作原理为：频率发生器产生一个方波信号，并将该方波信号发送至占空比控制器，占空比控制器调节该方波信号的占空比，调节后的方波信号通过开关管驱动器驱动开关管，当方波的高电平时开关管导通，方波的低电平时开关管关闭。当开关管导通时，充电循环开始，由于变压器的电感特性，电流持续增大，电压比较器将变压器原边低压端的电压与预设电压比较，比较结果反馈给频率发生器，占空比控制器根据比较结果调整下一次输出的方波占空比，使变压器快速升压；当开关管断开时，变压器原边电流突然变为0，变压器原边电感积累的能量无处泄放，变压器进入回扫模式，变压器副边通过单相电流阀对充电电容充电，同时将变压器副边的电压反射回变压器原边；电压比较器将变压器副边反射回变压器原边的电压与设定电压比较，比较结果反馈给频率发生器，频率发生器根据比较结果调整下一次输出的方波频率。当变压器副边电流为0时，变压器副边反射回变压器原边的电压为0，电压比较器输出结果跳变，充电循环结束，频率发生器立即启动，下一个充电循环开始。

本实施例的有益效果为：通过在变压器原边绕组的低压端引出一条线，其电压与电压比较器的设定电压比较，比较的结果控制频率发生器，使得频率发生器产生的方波信号频率和占空比可变，可以根据不同充电电容电压大小调整变压器升压时间和充电电容的充电时间，进而实现变压器快速升压的功能，减少充电循环之间的等待时间，使得充电电压可以在短时间内达到预设充电电压，满足实际的应用需求；

通过电压比较器得知充电循环的开始和结束时间，不论充电电容电压的高或低，都能在一个充电循环完成后立即启动下一个充电循环，中间没有等待的时间，从而大大提高了换能器的激励速度。

实施例2

如图1所示，本实施例的一种超声换能器快速激励装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、频率发生器产生一个方波信号，并将该方波信号发送至占空比控制器，占空比控制器调节该方波信号的占空比，调节后的方波信号通过开关管驱动器驱动开关管；

本实施例中，方波的高电平时开关管导通，方波的低电平时开关管关闭。

S2、当开关管导通时，充电循环开始，由于变压器的电感特性，电流持续增大，电压比较器将变压器原边低压端的电压与预设电压比较，比较结果反馈给频率发生器，占空比控制器根据比较结果调整下一次输出的方波占空比，使变压器快速升压；当开关管断开时，变压器原边电流突然变为0，变压器原边电感积累的能量无处泄放，变压器进入回扫模式，变压器副边通过单相电流阀对充电电容充电，同时将变压器副边的电压反射回变压器原边；

S3、在变压器原边的低压端引出一条线至电压比较器的同相输入端，电压比较器将变压器副边反射回变压器原边的电压与设定电压比较，比较结果反馈给频率发生器，频率发生器根据比较结果调整下一次输出的方波频率；

当充电电容电压小时，充电相对容易，积累的能量会很快耗尽；当充电电容电压大时，充电相对困难，充电过程相对缓慢。若采用固定的频率发生器，则必须满足最大的时间需求，这样在充电电容电压小的时候有很多时间浪费了。因此，为了解决上述问题，本实施例中通过电压比较器将变压器副边反射回变压器原边的电压与设定电压比较，比较结果反馈给频率发生器，频率发生器根据比较结果调整下一次输出的方波频率，可以根据不同的充电电容电压，产生不同频率的方波，进而使得充电时间与充电电容电压相匹配，在充电过程中，没有等待的时间，提高了超声波换能器的激励速度。

S4、当变压器副边电流为0时，变压器副边反射回变压器原边的电压为0，电压比较器输出结果跳变，充电循环结束，频率发生器立即启动，下一个充电循环开始。

通过电压比较器得知充电循环的开始和结束时间，不论充电电容电压的高或低，都能在一个充电循环完成后立即启动下一个充电循环，中间没有等待的时间，从而大大提高了换能器的激励速度。

本实施例的有益效果为：通过电压比较器将变压器副边反射回变压器原边的电压与设定电压比较，比较结果反馈给频率发生器，频率发生器根据比较结果调整下一次输出的方波频率和占空比，可以根据不同的充电电容电压，产生不同频率的方波，进而使得充电时间与充电电容电压相匹配，在充电过程中，没有等待的时间，提高了超声波换能器的激励速度；

通过电压比较器得知充电循环的开始和结束时间，不论充电电容电压的高或低，都能在一个充电循环完成后立即启动下一个充电循环，中间没有等待的时间，从而大大提高了换能器的激励速度。

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。