用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的制造方法
用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无损检测技术领域，特别涉及一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置。
【背景技术】
[0002]相对于传统的超声检测需要对结构整个待检区域进行逐点扫查，超声导波具有传播距离远、衰减小的特点，可在单点激发而实现对待检结构长距离、大范围的全面检测。但由于超声导波的频散特性，若采用常规超声检测中使用的时域较窄而频率宽带的脉冲信号作为激励时，会使得时程曲线上的缺陷波包展宽，不便于缺陷特征信息的提取，甚至会导致不同缺陷反射波包发生混叠，使得缺陷信息难以分辨。因此，用于驱动超声导波换能器的激励信号需要采用时域和频带均较窄的信号，如加矩形窗、汉宁窗或海明窗等窗函数调制的多周期正弦波。在这种情况下，超声导波检测装置中的激励模块已不能采用传统的脉冲信号输出方式，需要能实现任意波形信号的输出。
[0003]相对于传统的压电超声导波检测技术，电磁超声导波检测技术具有非接触式、不需要耦合剂、无需对检测对象表面进行打磨处理及能对高温对象进行检测等优点，并且电磁超声导波检测结果重复性好。这些优点使得电磁超声导波检测技术更适合于超声导波定量评估的场合。对于激励装置而言，压电换能器属于容性负载，只需要激励装置提供的输出信号具有较大的幅值即可，而电磁超声换能器属于感性负载，需要激励装置能发射大功率的驱动信号。
[0004]综上所述，用于电磁超声导波检测的激励装置需要能输出大功率任意波形激励信号，这要求激励装置不仅能对送入其输入端口的小功率任意波形信号进行线性放大，且放大后的任意波形激励信号应具有足够的输出功率，以便能驱动电磁超声导波换能器在待检结构中产生超声导波。
[0005]但是，现有能输出任意波形激励信号的超声检测装置是针对压电换能器设计的。例如，现有技术中的激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡，该任意波形激励板卡由USB接口电路、用于存储波形数据点的SRAM(静态随机存取存储器)、波形合成电路、控制USB接口电路、SRAM、波形合成电路进行波形数据点接收、存储和合成的FPGA (现场可编程门阵列)以及波形功放电路等几部分组成，该激励板卡可输出用于驱动压电换能器的高压任意波形信号，但其输出信号的功率较小，不适合激励电磁超声换能器。目前，能驱动电磁超声换能器的激励装置难以产生大功率的任意波形。例如，还有现有技术中的“一种电磁超声的电源装置”，该电源装置由信号产生器、功率放大装置、阻抗匹配器、EMAT(电磁超声换能器)发射以及EMAT接收探头组成，该装置采用谐振的方式为EMAT发射探头提供自起点至最大幅值、以等差数列的形式分布的激励电流。但该装置无法为EMAT发射探头提供任意波形激励信号。
[0006]因此，现有的能驱动电磁超声换能器的激励装置难以产生大功率的任意波形激励信号。【实用新型内容】
[0007]本实用新型实施例提供了一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，以提供满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率任意波形激励信号。该激励装置包括:多级驱动模块以及多个线性放大模块，其中，多级驱动模块中第一级驱动模块的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，多级所述驱动模块用于逐级提高任意波形信号的输出功率，并产生多路输出功率提高后的任意波形信号；多个线性放大模块中各线性放大模块的输出端并联，多个线性放大模块中每个线性放大模块的输入端接收所述多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号，多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号至少输入至多个线性放大模块中的一个线性放大模块，每个线性放大模块用于对输入的任意波形信号进行线性放大，并在输出端输出线性放大后的任意波形形状的信号，多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形形状的信号进行功率合成以生成激励信号。
[0008]在一个实施例中，多级所述驱动模块中的第一级驱动模块包括一个用于提高信号输出功率的第一线性放大电路，多级所述驱动模块中的其他级驱动模块包括多个用于提高信号输出功率的第二线性放大电路，第一线性放大电路的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，第一线性放大电路的输出端连接下一级驱动模块中的每个第二线性放大电路的输入端。
[0009]在一个实施例中，多级所述驱动模块包括第一级驱动模块和第二级驱动模块，所述第一级驱动模块包括一个第一线性放大电路，所述第二级驱动模块包括三个第二线性放大电路，该三个第二线性放大电路的输入端均连接所述第一线性放大电路的输出端，该三个第二线性放大电路的输出端分别输出一路输出功率提高后的任意波形信号。
[0010]在一个实施例中，所述第一线性放大电路，包括:第一 N沟道绝缘栅型场效应管、第一电源、第一电阻、第二电阻、第一电感、第三电阻、第四电阻、第一电容以及第五电阻，其中，所述第一电源的输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接地平面；所述第一电源的输出端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极；所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述地平面，所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第一线性放大电路的输出端；所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第五电阻的第二端、所述第一电阻的第二端及所述第二电阻的第一端，所述第五电阻的第一端连接所述第一电容的第二端，所述第一电容的第一端连接所述任意波形发生模块的输出端。
[0011 ] 在一个实施例中，所述第二线性放大电路，包括:第二 N沟道绝缘栅型场效应管、第二电源、第六电阻、第二电感、第七电阻以及第八电阻，其中，所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第六电阻的第二端，所述第六电阻的第一端为所述第二线性放大电路的输入端；所述第二电源的输出端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极；所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第八电阻的第一端，所述第八电阻的第二端连接地平面，所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第二线性放大电路的输出端。
[0012]在一个实施例中，所述线性放大模块，包括:第三N沟道绝缘栅型场效应管、第三电源、第九电阻、第三电感、第十电阻、第十一电阻，其中，所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第九电阻的第二端，所述第九电阻的第一端为所述线性放大模块的输入端；所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极连接所述第十电阻的第一端，所述第十电阻的第二端连接所述第三电感的第一端，所述第三电感的第二端连接所述第三电源，所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极为所述线性放大模块的输出端；所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第十一电阻的第一端，所述第十一电阻的第二端连接地平面。
[0013]在一个实施例中，还包括:电容，所述电容的第一端并联多个线性放大模块的输出端，所述电容的第二端连接电磁超声导波换能器的输入端。
[0014]在本实用新型实施例中，依次通过多级驱动模块逐级提高信号源输出的任意波形信号的功率，以增强输出功率提高后的任意波形信号对线性放大模块的驱动能力，可实现一路输出功率提高后的任意波形信号对多个线性放大模块的同时驱动；通过将多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号，可提高激励信号的输出功率，增强对电磁超声导波换能器的驱动能力， 使得该激励信号为满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率激励信号，而且该大功率激励信号的波形可以是任意的，即可根据不同的检测需求，选择不同波形形状的信号进行功率放大，来激发电磁超声导波换能器在待检结果中产生所需要的超声导波。
【附图说明】
[0015]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中:
[0016]图1是本实用新型实施例提供的一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的结构图；
[0017]图2是本实用新型实施例提供的一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的具体电路图；
[0018]图3是本实用新型实施例提供的一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的测试装置示意图；
[0019]图4是本实用新型实施例提供的一种激励信号与标准输入信号的对比图；
[0020]图5是本实用新型实施例提供的一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的应用系统示意图；
[0021]图6是本实用新型实施例提供的一种检测波形信号的时程曲线图。
【具体实施方式】
[0022]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
[0023]在本实用新型实施例中，提供了一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，如图1所示，该装置包括:多级驱动模块(在图1中，以多级驱动模块为两级为例，即包括第一级驱动模块1021和第二级驱动模块1022，具体的，驱动模块的级数可以根据具体需求调整)以及多个线性放大模块103，其中，
[0024]多级驱动模块中第一级驱动模块的输入端输入信号源101 (例如，该信号源101为任意波形发生模块)输出的任意波形形状的信号，多级所述驱动模块用于逐级提高任意波形信号的输出功率，并产生多路输出功率提高后的任意波形信号；
[0025]多个线性放大模块103中各线性放大模块的输出端并联，多个线性放大模块中每个线性放大模块的输入端接收所述多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号，多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号至少输入至多个线性放大模块中的一个线性放大模块，每个线性放大模块用于对输入的任意波形信号进行线性放大，并在输出端输出线性放大后的任意波形信号，多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号。
[0026]由图1所示可知，在本实用新型实施例中，依次通过多级驱动模块逐级提高任意波形发生模块输出的任意波形信号的输出功率，增强输出功率提高后的任意波形信号对线性放大模块的驱动能力，可实现一路输出功率提高后的任意波形信号对多个线性放大模块的同时驱动；通过将多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号，提高激励信号的输出功率，增强对电磁超声导波换能器的驱动能力，使得该激励信号为满足驱动电磁超声导波换能器要求的大功率激励信号，而且该大功率激励信号的波形可以是任意的，即可根据不同的检测需求，选择不同波形形状的信号进行功率放大，来激发电磁超声导波换能器在待检结构中产生所需要的超声导波。
[0027]具体实施时，如图1所示，上述多级所述驱动模块中的第一级驱动模块1021包括一个用于提高任意波形信号输出功率的第一线性放大电路，多级所述驱动模块中的其他级驱动模块1022包括多个用于提高任意波形信号输出功率的第二线性放大电路具体的，第二线性放大电路的个数可以根据具体需求调整，第一线性放大电路的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，第一线性放大电路的输出端连接下一级驱动模块中的每个第二线性放大电路的输入端。具体实施时，如图1所示，多级所述驱动模块包括第一级驱动模块1021和第二级驱动模块1022，第一级驱动模块1021包括一个第一线性放大电路，所述第二级驱动模块1022包括三个第二线性放大电路，该三个第二线性放大电路的输入端均连接所述第一线性放大电路的输出端，该三个第二线性放大电路的输出端分别输出一路输出功率提高后的任意波形信号。以实现依次通过第一级驱动模块1021、第二级驱动模块1022逐级提高信号的输出功率，同时产生多路输出功率提高后的任意波形信号。
[0028]具体实施时，在本实施例中，如图2所示，第一级驱动模块中第一线性放大电路由N沟道绝缘栅型场效应管及其外围元器件构成，具体的，所述第一线性放大电路，包括:第一 N沟道绝缘栅型场效应管、第一电源、第一电阻、第二电阻、第一电感、第三电阻、第四电阻、第一电容以及第五电阻，其中，第一 N沟道绝缘栅型场效应管，如图2所示的N沟道绝缘栅型场效应管Ml ;第一电源，如图2所示的电源VCCl ;所述第一电源的输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接地平面，在图2中，第一电阻为电阻R40，第二电阻为电阻R41，通过将电阻R40和电阻R41串联在电源VCCl与地平面之间，分压后的电压为N沟道绝缘栅型场效应管Ml提供栅极偏置电压；所述第一电源的输出端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极，在图2中，该第一电感为电感LI，第三电阻为电阻R2，电压源VCCl的输出电压经电感LI和电阻R2后接在N沟道绝缘栅型场效应管Ml的漏极，电感LI用于钳制电源抖动，电阻R2用于设置静态工作点；所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述地平面，所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第一线性放大电路的输出端，在图2中，即该第四电阻为电阻R3，即N沟道绝缘栅型场效应管Ml的源极经电阻R3接地，电阻R3所分得的直流电压为下一级驱动模块提供栅极偏置电压；所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第五电阻的第二端、所述第一电阻的第二端以及所述第二电阻的第一端，所述第五电阻的第一端连接所述第一电容的第二端，所述第一电容的第一端连接所述任意波形发生模块的输出端，在图2中，即该第一电容为电容C5，第五电阻为电阻R1，任意波形发生模块输出的任意波形信号经C5交流耦合至交直隔离电阻Rl的一端，Rl的另一端接N沟道绝缘栅型场效应管Ml的栅极，这种耦合和隔离方式即可实现将任意波形发生模块输出的任意波形信号不失真地传输至N沟道绝缘栅型场效应管Ml的栅极，又可消除直流电压对任意波形发生模块的影响。
[0029]基于上述如图2所示的第一线性放大电路的构成，在该第一线性放大电路中交流任意波形信号的线性放大过程如下:任意波形发生模块输出的任意波形信号经C5交流耦合至交直隔离电阻Rl的一端，Rl的另一端接N沟道绝缘栅型场效应管Ml的栅极，进入效应管Ml栅极的任意波形信号经第一线性放大电路的线性放大后，经电阻R3与N沟道绝缘栅型场效应管Ml的连接点输出的任意波形信号为下一级驱动模块提供具有任意波形形状的交流输入信号。另，如图2所示，电容C1、C6分别连接在电压源VCCl与地平面之间，使得可以滤除交流任意波形信号对电压源VCCl的干扰。第一线性放大电路不仅可以为下一级驱动模块提供直流偏置电压，还可以为下一级驱动模块提供驱动能力足够的具有任意波形形状的交流输入信号。
[0030]具体实施时，在本实施例中，如图2所示，其他级驱动模块中第二线性放大电路由N沟道绝缘栅型场效应管及其外围元器件构成，具体的，以其他级驱动 模块中包括三个第二线性放大电路为例，所述第二线性放大电路，包括:第二 N沟道绝缘栅型场效应管、第二电源、第六电阻、第二电感、第七电阻以及第八电阻，其中，第二 N沟道绝缘栅型场效应管，如图2所示，该第二 N沟道绝缘栅型场效应管在三个第二线性放大电路中分别为N沟道绝缘栅型场效应管为M2、M3、M4 ;第二电源，如图2所示，三个第二线性放大电路可以共用一个电源，即电压源VCC2 ;所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第六电阻的第二端，所述第六电阻的第一端为所述第二线性放大电路的输入端，如图2所示，该第六电阻在三个第二线性放大电路中分别为电阻R4、R16、R28，即第一线性放大电路输出的直流偏置经三个电阻R4、R16、R28分别接入场效应M2、M3、M4的栅极，为三个N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4提供相同的偏置电压，实现第一线性放大电路分别为三个第二线性放大电路提供直流偏置电压，同时，三个电阻R4、R16、R28可消除各第二线性放大电路之间的串扰信号，提高整个电路的稳定性；所述第二电源的输出端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极，如图2所示，三个第二线性放大电路共用第二电感，该第二电感为电感L2，第七电阻在三个第二线性放大电路中分别为R5、Rl7、R29，S卩电压源VCC2输出的电压由电容C2接至地平面进行滤波，经电感L2分别接至电阻R5、R17、R29的第一端，电阻R5、R17、R29的第二端分别与N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4的漏极相连，电感L2用于钳制电源抖动，电阻R5、R17、R29分别用于设置三个线性放大电路的静态工作点；所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第八电阻的第一端，所述第八电阻的第二端连接地平面，所述第二N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第二线性放大电路的输出端，如图2所示，该第八电阻在三个第二线性放大电路中分别为R6、R18、R30，即N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4的源极分别经电阻R6、R18、R30接地，N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4源极输出的直流电压可分别为下一级驱动模块中的第二线性放大电路提供栅极偏置电压。
[0031]基于上述如图2所示的第二线性放大电路的构成，在该第二线性放大电路中任意波形信号的线性放大过程如下:第一级驱动模块中第一线性放大电路输出的输出功率提高后的、具有任意波形形状的交流信号分别通过三个电阻R4、R16、R28进入N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4的栅极，经三个第二线性放大电路放大后的具有任意波形形状的交流信号驱动能力足够，分别可用于驱动后一级电路的多个线性放大模块。
[0032]具体实施时，多个线性放大模块的个数可以根据具体需求调整，在本实施例中，以多个线性放大模块的个数是九个为例，具体实施时，以经多级驱动模块输出的多路信号中每路信号驱动线性放大模块的个数可以根据具体需求调整，如图2所示，以每路信号驱动三个线性放大模块为例，具体的，所示线性放大模块103，包括:第三N沟道绝缘栅型场效应管、第三电源、第九电阻、第三电感、第十电阻、第i^一电阻，其中，第三N沟道绝缘栅型场效应管，如图2所示，该第三N沟道绝缘栅型场效应管在九个线性放大模块中分别是N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13 ;第三电源，如图2所示，九个线性放大模块共用一个电源，第三电源为电源VCC3;所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第九电阻的第二端，所述第九电阻的第一端为所述线性放大模块的输入端，在图2中，该第九电阻在九个线性放大模块中分别是电阻R7、R8、R9、R19、R20、R21、R31、R32、R33，实现N沟道绝缘栅型场效应管M2的源极输出的直流电压分别经电阻R7、R8、R9输入至N沟道绝缘栅型场效应管M5、M6、M7的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管M3的源极输出的直流电压分别经电阻R19、R20、R21输入至N沟道绝缘栅型场效应管M8、M9、M10的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管M4的源极输出的直流电压分别经电阻R31、R32、R33输入至N沟道绝缘栅型场效应管M11、M12、M13的栅极，同时电阻R7、R8、R9、R19、R20、R21、R31、R32、R33可隔离各线性放大模块之间的串扰；所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极连接所述第十电阻的第一端，所述第十电阻的第二端连接所述第三电感的第一端，所述第三电感的第二端连接所述第三电源，所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极为所述线性放大模块的输出端，在图2中，九个线性放大模块共用第三电感，该第三电感即为电感L3，第十电阻在九个线性放大模块中分别是电阻R10、R12、R14、R22、R24、R26、R34、R36、R38，实现了电压源VCC3经电容C3接至地平面进行滤波，接入电感L3的一端，电感L3的另一端分别经电阻R10、R12、R14、R22、R24、R26、R34、R36、R38串接至N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13的漏极，为N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13的漏极提供直流电压；所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第十一电阻的第一端，所述第十一电阻的第二端连接地平面，在图2中，该第十一电阻在九个线性放大模块中分别是电阻R11、R13、R15、R23、R25、R27、R35、R37、R39，即N沟道绝缘栅型场效应管 M5 ?M13 的源极分别经电阻 Rll、R13、R15、R23、R25、R27、R35、R37、R39 接地。
[0033]基于上述如图2所示的线性放大模块103的构成，在线性放大模块103中交流信号的线性放大过程如下:第2级驱动模块中第二线性放大电路的N沟道绝缘栅型场效应管M2的源极输出的具有任意波形形状的交流信号分别经电阻R7、R8、R9接入场效应M5、M6、M7的栅极，第2级驱动模块中第二线性放大电路的N沟道绝缘栅型场效应管M3的源极输出的具有任意波形形状的交流信号分别经电阻R19、R20、R21接入场效应M8、M9、M10的栅极，第2级驱动模块中第二线性放大电路的效应管M4的源极输出的具有任意波形形状的交流信号分别经电阻R31、R32、R33接入场效应M11、M12、M13的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13分别对各自输入的具有任意波形形状的交流信号进行线性放大，N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13的漏极分别输出各自线性放大后的具有任意波形形状的交流信号。
[0034]具体实施时，上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，还包括:电容，所述电容的一端连接电磁超声导波换能器的输入端，所述电容的另一端并联多个线性放大模块的输出端。具体的，如图2所示，N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13的漏极并联后输出信号为直流偏置上叠加具有任意波形形状的交流信号，可在N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13漏极并联输出端与电磁超声导波换能器(EMAT)之间串接电容C4(即上述电容)进行交流耦合，这种耦合方式既可消除直流偏置电压对电磁超声导波换能器的影响，又可为电磁超声导波换能器提供线性放大后的满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率任意波形信号。
[0035]为了说明上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置能输出任意波形的满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率激励信号，在本实施例中，搭建了如图3所示的测试装置。在采用该测试系统测试时任意波形发生模块301输出幅值为2V的加汉宁窗调制的5周期正弦波，经上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置302放大后驱动标准的50欧姆阻性负载303，通过1dB衰减器304接入示波器305，所采集的波形如图4所示，图4中实线为示波 器305采集的输出信号，虚线为加汉宁窗调制的5周期标准正弦波输入信号。从图4可知，示波器305所输出波形的峰-峰值功率为800W，且与加汉宁窗调制的5周期标准正弦波输入信号相比波形畸变很小，说明上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置302能实现对任意波形信号的大功率线性放大。
[0036]为说明上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置输出的激励信号能驱动电磁超声导波换能器在待检结构中产生超声导波，在本实施例中，搭建了如图5所示的测试系统。在采用该测试系统实际测试时，采用任意波形发生模块501输出幅值为2V的加汉宁窗调制的5周期正弦波，经上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置502放大后驱动发射电磁超声导波换能器503在待检铁板504中产生超声导波，另一接收电磁超声导波换能器505拾取待测铁板504中所产生超声导波信号，所拾取的信号经放大倍数为10dB的小信号放大模块506放大后，由示波器507检测到的波形如图6所示。从图6可知，所检测波形的信噪比较好，能明显分辨出直达波I和端面反射回波2，说明上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置能驱动电磁超声换能器产生超声导波。
[0037]在本实用新型实施例中，依次通过多级驱动模块逐级提高任意波形发生模块输出的任意波形信号的输出功率，增强输出功率提高后的任意波形信号对线性放大模块的驱动能力，可实现一路输出功率提高后的任意波形信号对多个线性放大模块的同时驱动；通过将多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号，提高激励装置输出的激励信号的输出功率，增强对电磁超声导波换能器的驱动能力，使得该激励信号为满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率激励信号，而且该大功率激励信号的波形可以是任意的，即可根据不同的检测需求，选择不同波形形状的信号进行功率放大，来激发电磁超声导波换能器在待检结构中产生所需要的超声导波。
[0038]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，其特征在于，包括:多级驱动模块以及多个线性放大模块，其中， 多级驱动模块中第一级驱动模块的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，多级所述驱动模块用于逐级提高信号的输出功率，并产生多路输出功率提高后的任意波形信号; 多个线性放大模块中各线性放大模块的输出端并联，多个线性放大模块中每个线性放大模块的输入端接收所述多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号，多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号至少输入至多个线性放大模块中的一个线性放大模块，每个线性放大模块用于对输入的任意波形信号进行线性放大，并在输出端输出线性放大后的任意波形形状的信号，多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形形状的信号进行功率合成以生成激励信号。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，多级所述驱动模块中的第一级驱动模块包括一个用于提高信号的输出功率的第一线性放大电路，多级所述驱动模块中的其他级驱动模块包括多个用于提高信号的输出功率的第二线性放大电路，第一线性放大电路的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，第一线性放大电路的输出端连接下一级驱动模块中的每个第二线性放大电路的输入端。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，多级所述驱动模块包括第一级驱动模块和第二级驱动模块，所述第一级驱动模块包括一个第一线性放大电路，所述第二级驱动模块包括三个第二线性放大电路，该三个第二线性放大电路的输入端均连接所述第一线性放大电路的输出端，该三个第二线性放大电路的输出端分别输出一路输出功率提高后的任意波形信号。4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一线性放大电路，包括: 第一 N沟道绝缘栅型场效应管、第一电源、第一电阻、第二电阻、第一电感、第三电阻、第四电阻、第一电容以及第五电阻，其中， 所述第一电源的输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接地平面； 所述第一电源的输出端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极； 所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述地平面，所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第一线性放大电路的输出端； 所述第一N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第五电阻的第二端、所述第一电阻的第二端以及所述第二电阻的第一端，所述第五电阻的第一端连接所述第一电容的第二端，所述第一电容的第一端连接所述任意波形发生模块的输出端。5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二线性放大电路，包括: 第二 N沟道绝缘栅型场效应管、第二电源、第六电阻、第二电感、第七电阻以及第八电阻，其中， 所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第六电阻的第二端，所述第六电阻的第一端为所述第二线性放大电路的输入端； 所述第二电源的输出端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极； 所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第八电阻的第一端，所述第八电阻的第二端连接地平面，所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第二线性放大电路的输出端。6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述线性放大模块，包括: 第三N沟道绝缘栅型场效应管、第三电源、第九电阻、第三电感、第十电阻、第^^一电阻，其中， 所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第九电阻的第二端，所述第九电阻的第一端为所述线性放大模块的输入端； 所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极连接所述第十电阻的第一端，所述第十电阻的第二端连接所述第三电感的第一端，所述第三电感的第二端连接所述第三电源，所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极为所述线性放大模块的输出端； 所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第十一电阻的第一端，所述第十一电阻的第二端连接地平面。7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，还包括: 电容，所述电容的第一端并联多个线性放大模块的输出端，所述电容的第二端连接电磁超声导波换能器的输入端。
【专利摘要】本实用新型实施例提供一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，该装置包括：多级驱动模块逐级提高信号的输出功率，产生多路输出功率提高后的任意波形信号；多个线性放大模块中各线性放大模块的输出端并联，多个线性放大模块中每个线性放大模块的输入端接收多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号，多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号至少输入至多个线性放大模块中的一个，每个线性放大模块对输入的任意波形信号进行线性放大，在输出端输出线性放大后的任意波形信号，多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号。该方案提供能驱动电磁超声导波换能器的大功率任意波形激励信号。
【IPC分类】H03F3/21
【公开号】CN204697018
【申请号】CN201520495147
【发明人】郑阳, 周进节
【申请人】中国特种设备检测研究院, 中北大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年7月9日
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无损检测技术领域，特别涉及一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置。
【背景技术】
[0002]相对于传统的超声检测需要对结构整个待检区域进行逐点扫查，超声导波具有传播距离远、衰减小的特点，可在单点激发而实现对待检结构长距离、大范围的全面检测。但由于超声导波的频散特性，若采用常规超声检测中使用的时域较窄而频率宽带的脉冲信号作为激励时，会使得时程曲线上的缺陷波包展宽，不便于缺陷特征信息的提取，甚至会导致不同缺陷反射波包发生混叠，使得缺陷信息难以分辨。因此，用于驱动超声导波换能器的激励信号需要采用时域和频带均较窄的信号，如加矩形窗、汉宁窗或海明窗等窗函数调制的多周期正弦波。在这种情况下，超声导波检测装置中的激励模块已不能采用传统的脉冲信号输出方式，需要能实现任意波形信号的输出。
[0003]相对于传统的压电超声导波检测技术，电磁超声导波检测技术具有非接触式、不需要耦合剂、无需对检测对象表面进行打磨处理及能对高温对象进行检测等优点，并且电磁超声导波检测结果重复性好。这些优点使得电磁超声导波检测技术更适合于超声导波定量评估的场合。对于激励装置而言，压电换能器属于容性负载，只需要激励装置提供的输出信号具有较大的幅值即可，而电磁超声换能器属于感性负载，需要激励装置能发射大功率的驱动信号。
[0004]综上所述，用于电磁超声导波检测的激励装置需要能输出大功率任意波形激励信号，这要求激励装置不仅能对送入其输入端口的小功率任意波形信号进行线性放大，且放大后的任意波形激励信号应具有足够的输出功率，以便能驱动电磁超声导波换能器在待检结构中产生超声导波。
[0005]但是，现有能输出任意波形激励信号的超声检测装置是针对压电换能器设计的。例如，现有技术中的激励压电换能器阵列产生超声导波的任意波形激励板卡，该任意波形激励板卡由USB接口电路、用于存储波形数据点的SRAM(静态随机存取存储器)、波形合成电路、控制USB接口电路、SRAM、波形合成电路进行波形数据点接收、存储和合成的FPGA (现场可编程门阵列)以及波形功放电路等几部分组成，该激励板卡可输出用于驱动压电换能器的高压任意波形信号，但其输出信号的功率较小，不适合激励电磁超声换能器。目前，能驱动电磁超声换能器的激励装置难以产生大功率的任意波形。例如，还有现有技术中的“一种电磁超声的电源装置”，该电源装置由信号产生器、功率放大装置、阻抗匹配器、EMAT(电磁超声换能器)发射以及EMAT接收探头组成，该装置采用谐振的方式为EMAT发射探头提供自起点至最大幅值、以等差数列的形式分布的激励电流。但该装置无法为EMAT发射探头提供任意波形激励信号。
[0006]因此，现有的能驱动电磁超声换能器的激励装置难以产生大功率的任意波形激励信号。【实用新型内容】
[0007]本实用新型实施例提供了一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，以提供满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率任意波形激励信号。该激励装置包括:多级驱动模块以及多个线性放大模块，其中，多级驱动模块中第一级驱动模块的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，多级所述驱动模块用于逐级提高任意波形信号的输出功率，并产生多路输出功率提高后的任意波形信号；多个线性放大模块中各线性放大模块的输出端并联，多个线性放大模块中每个线性放大模块的输入端接收所述多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号，多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号至少输入至多个线性放大模块中的一个线性放大模块，每个线性放大模块用于对输入的任意波形信号进行线性放大，并在输出端输出线性放大后的任意波形形状的信号，多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形形状的信号进行功率合成以生成激励信号。
[0008]在一个实施例中，多级所述驱动模块中的第一级驱动模块包括一个用于提高信号输出功率的第一线性放大电路，多级所述驱动模块中的其他级驱动模块包括多个用于提高信号输出功率的第二线性放大电路，第一线性放大电路的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，第一线性放大电路的输出端连接下一级驱动模块中的每个第二线性放大电路的输入端。
[0009]在一个实施例中，多级所述驱动模块包括第一级驱动模块和第二级驱动模块，所述第一级驱动模块包括一个第一线性放大电路，所述第二级驱动模块包括三个第二线性放大电路，该三个第二线性放大电路的输入端均连接所述第一线性放大电路的输出端，该三个第二线性放大电路的输出端分别输出一路输出功率提高后的任意波形信号。
[0010]在一个实施例中，所述第一线性放大电路，包括:第一 N沟道绝缘栅型场效应管、第一电源、第一电阻、第二电阻、第一电感、第三电阻、第四电阻、第一电容以及第五电阻，其中，所述第一电源的输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接地平面；所述第一电源的输出端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极；所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述地平面，所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第一线性放大电路的输出端；所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第五电阻的第二端、所述第一电阻的第二端及所述第二电阻的第一端，所述第五电阻的第一端连接所述第一电容的第二端，所述第一电容的第一端连接所述任意波形发生模块的输出端。
[0011 ] 在一个实施例中，所述第二线性放大电路，包括:第二 N沟道绝缘栅型场效应管、第二电源、第六电阻、第二电感、第七电阻以及第八电阻，其中，所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第六电阻的第二端，所述第六电阻的第一端为所述第二线性放大电路的输入端；所述第二电源的输出端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极；所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第八电阻的第一端，所述第八电阻的第二端连接地平面，所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第二线性放大电路的输出端。
[0012]在一个实施例中，所述线性放大模块，包括:第三N沟道绝缘栅型场效应管、第三电源、第九电阻、第三电感、第十电阻、第十一电阻，其中，所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第九电阻的第二端，所述第九电阻的第一端为所述线性放大模块的输入端；所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极连接所述第十电阻的第一端，所述第十电阻的第二端连接所述第三电感的第一端，所述第三电感的第二端连接所述第三电源，所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极为所述线性放大模块的输出端；所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第十一电阻的第一端，所述第十一电阻的第二端连接地平面。
[0013]在一个实施例中，还包括:电容，所述电容的第一端并联多个线性放大模块的输出端，所述电容的第二端连接电磁超声导波换能器的输入端。
[0014]在本实用新型实施例中，依次通过多级驱动模块逐级提高信号源输出的任意波形信号的功率，以增强输出功率提高后的任意波形信号对线性放大模块的驱动能力，可实现一路输出功率提高后的任意波形信号对多个线性放大模块的同时驱动；通过将多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号，可提高激励信号的输出功率，增强对电磁超声导波换能器的驱动能力， 使得该激励信号为满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率激励信号，而且该大功率激励信号的波形可以是任意的，即可根据不同的检测需求，选择不同波形形状的信号进行功率放大，来激发电磁超声导波换能器在待检结果中产生所需要的超声导波。
【附图说明】
[0015]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中:
[0016]图1是本实用新型实施例提供的一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的结构图；
[0017]图2是本实用新型实施例提供的一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的具体电路图；
[0018]图3是本实用新型实施例提供的一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的测试装置示意图；
[0019]图4是本实用新型实施例提供的一种激励信号与标准输入信号的对比图；
[0020]图5是本实用新型实施例提供的一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置的应用系统示意图；
[0021]图6是本实用新型实施例提供的一种检测波形信号的时程曲线图。
【具体实施方式】
[0022]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
[0023]在本实用新型实施例中，提供了一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，如图1所示，该装置包括:多级驱动模块(在图1中，以多级驱动模块为两级为例，即包括第一级驱动模块1021和第二级驱动模块1022，具体的，驱动模块的级数可以根据具体需求调整)以及多个线性放大模块103，其中，
[0024]多级驱动模块中第一级驱动模块的输入端输入信号源101 (例如，该信号源101为任意波形发生模块)输出的任意波形形状的信号，多级所述驱动模块用于逐级提高任意波形信号的输出功率，并产生多路输出功率提高后的任意波形信号；
[0025]多个线性放大模块103中各线性放大模块的输出端并联，多个线性放大模块中每个线性放大模块的输入端接收所述多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号，多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号至少输入至多个线性放大模块中的一个线性放大模块，每个线性放大模块用于对输入的任意波形信号进行线性放大，并在输出端输出线性放大后的任意波形信号，多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号。
[0026]由图1所示可知，在本实用新型实施例中，依次通过多级驱动模块逐级提高任意波形发生模块输出的任意波形信号的输出功率，增强输出功率提高后的任意波形信号对线性放大模块的驱动能力，可实现一路输出功率提高后的任意波形信号对多个线性放大模块的同时驱动；通过将多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号，提高激励信号的输出功率，增强对电磁超声导波换能器的驱动能力，使得该激励信号为满足驱动电磁超声导波换能器要求的大功率激励信号，而且该大功率激励信号的波形可以是任意的，即可根据不同的检测需求，选择不同波形形状的信号进行功率放大，来激发电磁超声导波换能器在待检结构中产生所需要的超声导波。
[0027]具体实施时，如图1所示，上述多级所述驱动模块中的第一级驱动模块1021包括一个用于提高任意波形信号输出功率的第一线性放大电路，多级所述驱动模块中的其他级驱动模块1022包括多个用于提高任意波形信号输出功率的第二线性放大电路具体的，第二线性放大电路的个数可以根据具体需求调整，第一线性放大电路的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，第一线性放大电路的输出端连接下一级驱动模块中的每个第二线性放大电路的输入端。具体实施时，如图1所示，多级所述驱动模块包括第一级驱动模块1021和第二级驱动模块1022，第一级驱动模块1021包括一个第一线性放大电路，所述第二级驱动模块1022包括三个第二线性放大电路，该三个第二线性放大电路的输入端均连接所述第一线性放大电路的输出端，该三个第二线性放大电路的输出端分别输出一路输出功率提高后的任意波形信号。以实现依次通过第一级驱动模块1021、第二级驱动模块1022逐级提高信号的输出功率，同时产生多路输出功率提高后的任意波形信号。
[0028]具体实施时，在本实施例中，如图2所示，第一级驱动模块中第一线性放大电路由N沟道绝缘栅型场效应管及其外围元器件构成，具体的，所述第一线性放大电路，包括:第一 N沟道绝缘栅型场效应管、第一电源、第一电阻、第二电阻、第一电感、第三电阻、第四电阻、第一电容以及第五电阻，其中，第一 N沟道绝缘栅型场效应管，如图2所示的N沟道绝缘栅型场效应管Ml ;第一电源，如图2所示的电源VCCl ;所述第一电源的输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接地平面，在图2中，第一电阻为电阻R40，第二电阻为电阻R41，通过将电阻R40和电阻R41串联在电源VCCl与地平面之间，分压后的电压为N沟道绝缘栅型场效应管Ml提供栅极偏置电压；所述第一电源的输出端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极，在图2中，该第一电感为电感LI，第三电阻为电阻R2，电压源VCCl的输出电压经电感LI和电阻R2后接在N沟道绝缘栅型场效应管Ml的漏极，电感LI用于钳制电源抖动，电阻R2用于设置静态工作点；所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述地平面，所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第一线性放大电路的输出端，在图2中，即该第四电阻为电阻R3，即N沟道绝缘栅型场效应管Ml的源极经电阻R3接地，电阻R3所分得的直流电压为下一级驱动模块提供栅极偏置电压；所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第五电阻的第二端、所述第一电阻的第二端以及所述第二电阻的第一端，所述第五电阻的第一端连接所述第一电容的第二端，所述第一电容的第一端连接所述任意波形发生模块的输出端，在图2中，即该第一电容为电容C5，第五电阻为电阻R1，任意波形发生模块输出的任意波形信号经C5交流耦合至交直隔离电阻Rl的一端，Rl的另一端接N沟道绝缘栅型场效应管Ml的栅极，这种耦合和隔离方式即可实现将任意波形发生模块输出的任意波形信号不失真地传输至N沟道绝缘栅型场效应管Ml的栅极，又可消除直流电压对任意波形发生模块的影响。
[0029]基于上述如图2所示的第一线性放大电路的构成，在该第一线性放大电路中交流任意波形信号的线性放大过程如下:任意波形发生模块输出的任意波形信号经C5交流耦合至交直隔离电阻Rl的一端，Rl的另一端接N沟道绝缘栅型场效应管Ml的栅极，进入效应管Ml栅极的任意波形信号经第一线性放大电路的线性放大后，经电阻R3与N沟道绝缘栅型场效应管Ml的连接点输出的任意波形信号为下一级驱动模块提供具有任意波形形状的交流输入信号。另，如图2所示，电容C1、C6分别连接在电压源VCCl与地平面之间，使得可以滤除交流任意波形信号对电压源VCCl的干扰。第一线性放大电路不仅可以为下一级驱动模块提供直流偏置电压，还可以为下一级驱动模块提供驱动能力足够的具有任意波形形状的交流输入信号。
[0030]具体实施时，在本实施例中，如图2所示，其他级驱动模块中第二线性放大电路由N沟道绝缘栅型场效应管及其外围元器件构成，具体的，以其他级驱动 模块中包括三个第二线性放大电路为例，所述第二线性放大电路，包括:第二 N沟道绝缘栅型场效应管、第二电源、第六电阻、第二电感、第七电阻以及第八电阻，其中，第二 N沟道绝缘栅型场效应管，如图2所示，该第二 N沟道绝缘栅型场效应管在三个第二线性放大电路中分别为N沟道绝缘栅型场效应管为M2、M3、M4 ;第二电源，如图2所示，三个第二线性放大电路可以共用一个电源，即电压源VCC2 ;所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第六电阻的第二端，所述第六电阻的第一端为所述第二线性放大电路的输入端，如图2所示，该第六电阻在三个第二线性放大电路中分别为电阻R4、R16、R28，即第一线性放大电路输出的直流偏置经三个电阻R4、R16、R28分别接入场效应M2、M3、M4的栅极，为三个N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4提供相同的偏置电压，实现第一线性放大电路分别为三个第二线性放大电路提供直流偏置电压，同时，三个电阻R4、R16、R28可消除各第二线性放大电路之间的串扰信号，提高整个电路的稳定性；所述第二电源的输出端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极，如图2所示，三个第二线性放大电路共用第二电感，该第二电感为电感L2，第七电阻在三个第二线性放大电路中分别为R5、Rl7、R29，S卩电压源VCC2输出的电压由电容C2接至地平面进行滤波，经电感L2分别接至电阻R5、R17、R29的第一端，电阻R5、R17、R29的第二端分别与N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4的漏极相连，电感L2用于钳制电源抖动，电阻R5、R17、R29分别用于设置三个线性放大电路的静态工作点；所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第八电阻的第一端，所述第八电阻的第二端连接地平面，所述第二N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第二线性放大电路的输出端，如图2所示，该第八电阻在三个第二线性放大电路中分别为R6、R18、R30，即N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4的源极分别经电阻R6、R18、R30接地，N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4源极输出的直流电压可分别为下一级驱动模块中的第二线性放大电路提供栅极偏置电压。
[0031]基于上述如图2所示的第二线性放大电路的构成，在该第二线性放大电路中任意波形信号的线性放大过程如下:第一级驱动模块中第一线性放大电路输出的输出功率提高后的、具有任意波形形状的交流信号分别通过三个电阻R4、R16、R28进入N沟道绝缘栅型场效应管M2、M3、M4的栅极，经三个第二线性放大电路放大后的具有任意波形形状的交流信号驱动能力足够，分别可用于驱动后一级电路的多个线性放大模块。
[0032]具体实施时，多个线性放大模块的个数可以根据具体需求调整，在本实施例中，以多个线性放大模块的个数是九个为例，具体实施时，以经多级驱动模块输出的多路信号中每路信号驱动线性放大模块的个数可以根据具体需求调整，如图2所示，以每路信号驱动三个线性放大模块为例，具体的，所示线性放大模块103，包括:第三N沟道绝缘栅型场效应管、第三电源、第九电阻、第三电感、第十电阻、第i^一电阻，其中，第三N沟道绝缘栅型场效应管，如图2所示，该第三N沟道绝缘栅型场效应管在九个线性放大模块中分别是N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13 ;第三电源，如图2所示，九个线性放大模块共用一个电源，第三电源为电源VCC3;所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第九电阻的第二端，所述第九电阻的第一端为所述线性放大模块的输入端，在图2中，该第九电阻在九个线性放大模块中分别是电阻R7、R8、R9、R19、R20、R21、R31、R32、R33，实现N沟道绝缘栅型场效应管M2的源极输出的直流电压分别经电阻R7、R8、R9输入至N沟道绝缘栅型场效应管M5、M6、M7的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管M3的源极输出的直流电压分别经电阻R19、R20、R21输入至N沟道绝缘栅型场效应管M8、M9、M10的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管M4的源极输出的直流电压分别经电阻R31、R32、R33输入至N沟道绝缘栅型场效应管M11、M12、M13的栅极，同时电阻R7、R8、R9、R19、R20、R21、R31、R32、R33可隔离各线性放大模块之间的串扰；所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极连接所述第十电阻的第一端，所述第十电阻的第二端连接所述第三电感的第一端，所述第三电感的第二端连接所述第三电源，所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极为所述线性放大模块的输出端，在图2中，九个线性放大模块共用第三电感，该第三电感即为电感L3，第十电阻在九个线性放大模块中分别是电阻R10、R12、R14、R22、R24、R26、R34、R36、R38，实现了电压源VCC3经电容C3接至地平面进行滤波，接入电感L3的一端，电感L3的另一端分别经电阻R10、R12、R14、R22、R24、R26、R34、R36、R38串接至N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13的漏极，为N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13的漏极提供直流电压；所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第十一电阻的第一端，所述第十一电阻的第二端连接地平面，在图2中，该第十一电阻在九个线性放大模块中分别是电阻R11、R13、R15、R23、R25、R27、R35、R37、R39，即N沟道绝缘栅型场效应管 M5 ?M13 的源极分别经电阻 Rll、R13、R15、R23、R25、R27、R35、R37、R39 接地。
[0033]基于上述如图2所示的线性放大模块103的构成，在线性放大模块103中交流信号的线性放大过程如下:第2级驱动模块中第二线性放大电路的N沟道绝缘栅型场效应管M2的源极输出的具有任意波形形状的交流信号分别经电阻R7、R8、R9接入场效应M5、M6、M7的栅极，第2级驱动模块中第二线性放大电路的N沟道绝缘栅型场效应管M3的源极输出的具有任意波形形状的交流信号分别经电阻R19、R20、R21接入场效应M8、M9、M10的栅极，第2级驱动模块中第二线性放大电路的效应管M4的源极输出的具有任意波形形状的交流信号分别经电阻R31、R32、R33接入场效应M11、M12、M13的栅极，N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13分别对各自输入的具有任意波形形状的交流信号进行线性放大，N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13的漏极分别输出各自线性放大后的具有任意波形形状的交流信号。
[0034]具体实施时，上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，还包括:电容，所述电容的一端连接电磁超声导波换能器的输入端，所述电容的另一端并联多个线性放大模块的输出端。具体的，如图2所示，N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13的漏极并联后输出信号为直流偏置上叠加具有任意波形形状的交流信号，可在N沟道绝缘栅型场效应管M5?M13漏极并联输出端与电磁超声导波换能器(EMAT)之间串接电容C4(即上述电容)进行交流耦合，这种耦合方式既可消除直流偏置电压对电磁超声导波换能器的影响，又可为电磁超声导波换能器提供线性放大后的满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率任意波形信号。
[0035]为了说明上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置能输出任意波形的满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率激励信号，在本实施例中，搭建了如图3所示的测试装置。在采用该测试系统测试时任意波形发生模块301输出幅值为2V的加汉宁窗调制的5周期正弦波，经上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置302放大后驱动标准的50欧姆阻性负载303，通过1dB衰减器304接入示波器305，所采集的波形如图4所示，图4中实线为示波 器305采集的输出信号，虚线为加汉宁窗调制的5周期标准正弦波输入信号。从图4可知，示波器305所输出波形的峰-峰值功率为800W，且与加汉宁窗调制的5周期标准正弦波输入信号相比波形畸变很小，说明上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置302能实现对任意波形信号的大功率线性放大。
[0036]为说明上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置输出的激励信号能驱动电磁超声导波换能器在待检结构中产生超声导波，在本实施例中，搭建了如图5所示的测试系统。在采用该测试系统实际测试时，采用任意波形发生模块501输出幅值为2V的加汉宁窗调制的5周期正弦波，经上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置502放大后驱动发射电磁超声导波换能器503在待检铁板504中产生超声导波，另一接收电磁超声导波换能器505拾取待测铁板504中所产生超声导波信号，所拾取的信号经放大倍数为10dB的小信号放大模块506放大后，由示波器507检测到的波形如图6所示。从图6可知，所检测波形的信噪比较好，能明显分辨出直达波I和端面反射回波2，说明上述用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置能驱动电磁超声换能器产生超声导波。
[0037]在本实用新型实施例中，依次通过多级驱动模块逐级提高任意波形发生模块输出的任意波形信号的输出功率，增强输出功率提高后的任意波形信号对线性放大模块的驱动能力，可实现一路输出功率提高后的任意波形信号对多个线性放大模块的同时驱动；通过将多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号，提高激励装置输出的激励信号的输出功率，增强对电磁超声导波换能器的驱动能力，使得该激励信号为满足能驱动电磁超声导波换能器要求的大功率激励信号，而且该大功率激励信号的波形可以是任意的，即可根据不同的检测需求，选择不同波形形状的信号进行功率放大，来激发电磁超声导波换能器在待检结构中产生所需要的超声导波。
[0038]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，其特征在于，包括:多级驱动模块以及多个线性放大模块，其中， 多级驱动模块中第一级驱动模块的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，多级所述驱动模块用于逐级提高信号的输出功率，并产生多路输出功率提高后的任意波形信号; 多个线性放大模块中各线性放大模块的输出端并联，多个线性放大模块中每个线性放大模块的输入端接收所述多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号，多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号至少输入至多个线性放大模块中的一个线性放大模块，每个线性放大模块用于对输入的任意波形信号进行线性放大，并在输出端输出线性放大后的任意波形形状的信号，多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形形状的信号进行功率合成以生成激励信号。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，多级所述驱动模块中的第一级驱动模块包括一个用于提高信号的输出功率的第一线性放大电路，多级所述驱动模块中的其他级驱动模块包括多个用于提高信号的输出功率的第二线性放大电路，第一线性放大电路的输入端输入信号源输出的任意波形形状的信号，第一线性放大电路的输出端连接下一级驱动模块中的每个第二线性放大电路的输入端。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，多级所述驱动模块包括第一级驱动模块和第二级驱动模块，所述第一级驱动模块包括一个第一线性放大电路，所述第二级驱动模块包括三个第二线性放大电路，该三个第二线性放大电路的输入端均连接所述第一线性放大电路的输出端，该三个第二线性放大电路的输出端分别输出一路输出功率提高后的任意波形信号。4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一线性放大电路，包括: 第一 N沟道绝缘栅型场效应管、第一电源、第一电阻、第二电阻、第一电感、第三电阻、第四电阻、第一电容以及第五电阻，其中， 所述第一电源的输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接地平面； 所述第一电源的输出端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极； 所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述地平面，所述第一 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第一线性放大电路的输出端； 所述第一N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第五电阻的第二端、所述第一电阻的第二端以及所述第二电阻的第一端，所述第五电阻的第一端连接所述第一电容的第二端，所述第一电容的第一端连接所述任意波形发生模块的输出端。5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二线性放大电路，包括: 第二 N沟道绝缘栅型场效应管、第二电源、第六电阻、第二电感、第七电阻以及第八电阻，其中， 所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第六电阻的第二端，所述第六电阻的第一端为所述第二线性放大电路的输入端； 所述第二电源的输出端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的漏极； 所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第八电阻的第一端，所述第八电阻的第二端连接地平面，所述第二 N沟道绝缘栅型场效应管的源极为所述第二线性放大电路的输出端。6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述线性放大模块，包括: 第三N沟道绝缘栅型场效应管、第三电源、第九电阻、第三电感、第十电阻、第^^一电阻，其中， 所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的栅极连接所述第九电阻的第二端，所述第九电阻的第一端为所述线性放大模块的输入端； 所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极连接所述第十电阻的第一端，所述第十电阻的第二端连接所述第三电感的第一端，所述第三电感的第二端连接所述第三电源，所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的漏极为所述线性放大模块的输出端； 所述第三N沟道绝缘栅型场效应管的源极连接所述第十一电阻的第一端，所述第十一电阻的第二端连接地平面。7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，还包括: 电容，所述电容的第一端并联多个线性放大模块的输出端，所述电容的第二端连接电磁超声导波换能器的输入端。
【专利摘要】本实用新型实施例提供一种用于电磁超声导波激励信号生成的线性功率放大装置，该装置包括：多级驱动模块逐级提高信号的输出功率，产生多路输出功率提高后的任意波形信号；多个线性放大模块中各线性放大模块的输出端并联，多个线性放大模块中每个线性放大模块的输入端接收多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号，多路输出功率提高后的任意波形信号中的一路信号至少输入至多个线性放大模块中的一个，每个线性放大模块对输入的任意波形信号进行线性放大，在输出端输出线性放大后的任意波形信号，多个线性放大模块输出的线性放大后的任意波形信号进行功率合成以生成激励信号。该方案提供能驱动电磁超声导波换能器的大功率任意波形激励信号。
【IPC分类】H03F3/21
【公开号】CN204697018
【申请号】CN201520495147
【发明人】郑阳, 周进节
【申请人】中国特种设备检测研究院, 中北大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年7月9日
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