面向电容式微机械超声换能器器件的32通道收发 电路设计与测试*

针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列为探头的超声成像系统,设计了一种兼具现场可编程门阵列(FPGA)控制、脉冲驱动以及微弱电流信号检测功能的电路。利用FPGA产生64路控制信号,控制脉冲信号的频率、脉冲个数、占空比等参数;脉冲电路在FPGA以及直流电压的控制下,产生32路脉冲信号;接收电路通过跨阻放大结构实现32路电流信号检测;32通道收发电路利用脉冲产生芯片内自带的T/R开关进行高压隔离。通过搭建测试平台,对收发电路功能及一致性进行测试,并连接CMUT进行自发自收测试。测试结果表明,32通道收发电路具有良好的一致性,电路可以实现基于CMUT阵列的32通道超声信号的发射,检测回波信号,并对CMUT器件的带宽进行测试。电路具有功能完善,结构稳定的优点,为基于CMUT阵列的超声成像系统的应用提供了硬件支持。     

Integration of a piezoelectric transformer and an ultrasonic motor

Ultrasonic motors are usually operated at an AC voltage higher than a regular battery. This implies the need of a voltage step-up transformer. In this paper, we report the integration of a piezoelectric transformer (PT) with an ultrasonic motor and a simple drive circuit. The stator of the ultrasonic motor and the PT were operated in the same radial vibration mode. Their dimensions were very close to each other yielding nearly matching resonance frequencies. Consequently, they could be combined together without inductor. The drive circuit was designed by using a 555 timer as an astable multivibrator, and high-speed dual MOSFET drivers as a class D half-bridge switching amplifier. This integrated PT-ultrasonic motor performed reasonably without the use of electromagnetic transformer or inductor.     

相控阵井壁成像仪高压电源纹波噪声抑制研究

针对超声相控阵井壁成像仪工作环境恶劣以及超声脉冲发射所需高压电源纹波噪声对超声回波信号干扰大的问题,提出一种高温环境下高压电源纹波噪声抑制方法并进行设计分析。本方法综合开关电源与线性稳压电源各自的技术优势且注重纹波噪声抑制和耐高温设计。利用开关电源完成不同电压幅值的高效转换并在电源输出端增设专门的EMI滤波电路,再利用屏蔽罩对电源进行屏蔽,最后输出电压再经过一级线性稳压电路进一步进行稳压滤波。实测结果表明,利用该方法,电源的纹波与辐射噪声得到了抑制,有效减少电源对回波信号的干扰,且输出电压稳定,提高了超声相控阵井壁成像仪井下工作的稳定性。     

爆炸驱动铁电体电源快脉冲产生技术

以发展轻小型高电压脉冲驱动源为出发点,提出采用爆炸驱动铁电体作为初级电源,通过电感储能与电爆炸丝断路开关进行脉冲压缩和功率放大,探索基于爆炸驱动铁电体电源的小型化高电压快脉冲产生技术。从爆炸驱动铁电体电源的全电路模型和铁电陶瓷材料特性出发,通过理论分析和仿真研究,分别对大电流模式和高电压模式的爆炸驱动铁电体电源的物理参数进行了设计,获得了铁电体电源工作模式和电路参数对产生高电压脉冲的影响规律,认为铁电体电源高电压模式更适合于与断路开关技术结合产生高电压快脉冲,并通过实验对该技术原理进行了验证。实验中铁电体电源输出电流约360 A、脉宽约3.8 μs,对17.5 nF电容器充电至75 kV,电容器放电后在电爆炸断路开关中产生峰值大于12 kA的脉冲电流,最终在X射线二极管负载上获得了电压峰值大于180 kV、前沿3 ns、脉宽30 ns、电流峰值3.4 kA的高电压快脉冲。     

基于最小电压法的超声换能器谐振频率自动跟踪*

首先分析了最大电流法跟踪超声换能器谐振频率的原理及应用范围。研究了基于由串联电感和并联电容匹配电路下,不同频率时换能器两端电压电流的变化规律。研究表明在串联电感和并联电容匹配电路下发生谐振时,换能器两端的电压最小而电流并非最大。由此形成了采用最小电压法跟踪谐振频率的自动跟踪策略,并给出了该方法的具体实施步骤。论文研究结果为换能器谐振频率的自动跟踪方法提供了新的选择。     

一种高压电源谐振升压倍压电路

提出了一种高压电源谐振升压倍压电路,该电路由LC谐振电路与整流电路组成。对该电路的工作模式和稳态输出特性进行了分析;建立了该电路的数学模型:以归一化的形式定量描述了稳态输出电压与电流的增益、短路特性和开路特性、输出纹波与电压降、以及器件上的电应力,并分析了电路品质因数、归一化频率和电容比对输出特性的影响;对该电路进行了仿真与实验研究,仿真结果与实验结果具有很好的一致性,验证了数学模型的正确性。与C-W电路的对比研究结果表明:所提出的电路具有输出电压稳定、输出纹波小、短路特性好以及响应速度快的优点,满足高压小电流的应用需求。     

150 kV全固态高压脉冲发生器设计

设计了一种基于全固态MOSFET半导体开关器件的Marx脉冲发生器。充电回路用快恢复二极管代替充电电阻,减小了充电部分功率损耗;将主电路和驱动电路集成在一起,采用自取电模式给驱动电路供电;由光纤传输驱动信号,抑制了放电回路对触发信号的干扰;采用顺/逆时针方向环形分布的紧凑型拓扑结构,不仅减小了回路电感,而且实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的Marx发生器充电部分仅需提供900 V低压,用180级单元串联,获得最高幅值为150 kV、脉宽1~5 s可调的高压快脉冲,前沿控制在500 ns以内。利用该脉冲发生器在50 k电阻和5 pF电容并联的等效负载上进行了一系列实验;比较分析了脉冲发生器工作过程中影响脉冲上升沿的几个主要因素,包括回路电感、MOSFET驱动电压及主回路分布电容等,并讨论了提升脉冲前沿的技术措施。     

基于单片机的超声冲击装置频率跟踪控制和恒幅控制

对超声波冲击以提高焊接接头疲劳强度的装置进行了研究，研制出一台可用于实际冲击处理的样机。该样机以单片机为核心，采用自适应带通滤波器提取超声换能器工作的基波信号，在此基础上获得电流和电压的相位差，根据相位差用模糊控制方法来实现自动频率跟踪；通过电流控制执行机构的输出端振幅，使之恒定不变，对超声冲击处理的质量进行控制。该装置能够适应超声冲击这种负载变化十分剧烈的场合，并可实现准确的频率跟踪和保证冲击处理的质量及效率。     

The design of a high voltage scr pulse generator for ultrasonic pulse echo applications

This paper presents the design of a high voltage scr pulse generator that is useful for testing highly attenuative materials in the pulse echo mode. Electrical and ultrasonic considerations are discussed in detail followed by an example of a practical circuit design that can operate from a supply voltage of 1000 V at a pulse repetition frequency of 1000 Hz.     

频率自动跟踪超声波电源设计

针对超声波电源工作时负载状态改变,换能系统产生谐振漂移的问题,提出了一种基于STM32的频率自动跟踪超声波电源的设计。电源逆变电路采用带辅助网络的全桥结构,阻抗匹配电路选择了一种改进型的T型匹配网络,应用PWM移相调功技术控制电源的输出功率,通过数字鉴相技术得到电压电流的相位差作为电路谐振状态的反馈信号,结合STM32主控制器进行PI控制,调节PWM波的输出频率使电路始终工作于谐振状态,实现了谐振频率的自动跟踪。最后基于该设计方案,实际制作了一款应用于超声波清洗仪的电源,并通过实验验证了该电源具有输出功率稳定,负载适应性强,输出频率自动跟踪等特点。     

快Z箍缩物理过程的PSPICE电路模拟方法分析

 简单介绍了快Z箍缩概念和物理过程，以及Z箍缩物理过程不稳定性因素和简单分析。用PSPICE电路模拟方法解薄壳模型得到了箍缩时间、等离子体壳的速度、负载上的电流、电压变化规律等Z箍缩物理量。     

300 kV/3 ns脉冲电压源的研制

 研制了一台300 kV/3 ns快前沿脉冲电压源。为了得到快的前沿,设计了低电感的峰化电容和输出开关。其中峰化电容采用3个薄膜电容同轴串联设计,结构紧凑,分布电感小,电极端部的气隙结构使其能承受更高的脉冲高压,实验证明这种结构的峰化电容能承受前沿17 ns、峰值大于300 kV的脉冲高压。输出开关采用高气压小间隙SF₆开关,最高工作气压1 MPa,具有较小的分布电感和火花通道电感。经实验调试,由该峰化电容和输出开关组成的峰化回路在500 kV Marx发生器的驱动下,在150 Ω负载上可得到峰值电压大于300 kV、前沿小于3 ns的脉冲电压输出。     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

 设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理,解决了发生器电流上的高频信号干扰问题;经过快速比较电路和前级脉冲后,选取了同步信号开始工作的时间点,并形成十几V的触发信号;高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式,该结构的气体开关时间响应为50 ns,抖动小于5 ns,满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV,前沿小于10 ns,系统的工作时延440 ns,抖动13.5 ns;可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻,实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。     

用压电聚合物构成的单极性声脉冲发生器

本文介绍了用阶跃电压的快速下降沿作用在PVDF压电膜上而产生的单极性声脉冲。实验结果表明，声脉冲的波形和脉冲宽度取决于PVDF压电膜的厚度，阶跃电压的下降沿宽度，以及背衬材料和声传播媒质的形状等多个因素。该声脉冲发生器所产生的压力波脉冲的宽度约为50ns，不仅适用于固体中空间电荷的测量，也可以用于其他方面的应用，例如超声医学诊断，对材料的非破坏性的检测等。文章以该声脉冲发生器在压电压力波中的应用为例进行论述，并且所有测量结果都是通过压电压力波测试系统获得的。     

电容式微超声波换能器的设计与电容值测试*

本文设计的微电容超声波换能器(CMUT)是由电容阵列组成的超声波传感器,主要是利用电容的改变来实现能量的转换。是基于硅硅键合技术的MEMS电容式超声传感器,制作的传感器误差小,并且工艺流程简单且能进行量产。在利用E4990A阻抗分析仪对传感器进行C—V测试分析而得出其电容的实际值与理论值的误差仅为1.6%。并且利用该仪器测试传感器电容在工作电压下随频率的变化,得出其在工作电压下,频率为400K的时候电容值为617.67PF,为对传感器进行理论计算提供了重要支撑,并且为后续转换电路的设计提供了数据支撑。     

固态Marx发生器的自动控制研究

为了进一步推广固态Marx发生器的应用,实现输出脉冲波形的直观显示,提高电压调节精度,缩短充电调压时间,有必要对固态Marx发生器的自动控制进行研究。以现场可编译门阵列（FPGA）作为控制器,将输出电压、频率、脉宽、过电流阈值等参数以及故障检测及指示直接显示在液晶屏上,实现可视化设置和调节,在固态Marx发生器的输出端并联分压电路和高速数模转换电路,对输出的高压脉冲采样,一方面用于闭环PID控制实现分段式快速充电和输出电压精准化调节,另一方面用于在虚拟示波器中实时显示输出脉冲电压的基本波形。此外,在电路中加入了故障检测和保护机制,迅速检测电路中出现的过温、过电流等故障并对其及时停机响应以保护脉冲电源和操作人员安全。在20级的固态方波Marx发生器样机中产生的重复频率方波脉冲电压波形表明,该样机已经初步实现自动化控制,并能可靠运行。     

A new mode to excite a gas-discharge XeCl laser

The charge mode is a new mode to excite a discharge XeCl laser based on the dynamics of a spiker-sustainer circuit with a magnetic pulse compressor. The breakdown voltage is higher than in any other mode, due to a very fast rise time. The higher breakdown voltage provides a wider discharge and we found that more energy can be deposited before discharge instabilities terminate the optical output.     

锥变截面管形超声振动系统的设计

设计了一种锥变截面管形超声振动系统,振动系统由夹心式压电换能器和锥形变截面金属圆管组成。推导了锥变截面管形超声振动系统的等效电路和谐振/反谐振频率方程。利用等效电路法、有限元法对锥变截面管形超声振动系统进行了分析设计并制作了相应的实验样品。研究结果表明,锥形变截面管的等效电路为一种新型的非互易二端口等效网络;锥变截面管形超声振动系统具有较好的频率隔离性、较大的位移振幅和均匀的振动位移输出。该超声振动系统可望在超声连续缝焊、环形部件的超声切割和超声钻孔等领域获得应用。      

小型化电感隔离型Marx发生器的研制

随着脉冲功率技术的发展,纳秒脉冲电场被逐渐应用到等离子体水处理、不可逆电穿孔肿瘤消融等技术中。为了满足纳秒脉冲的应用需求,电源需要输出十几kV高压,拥有纳秒窄脉宽和快速的上升沿,同时尽量减小电源体积,降低成本。该纳秒脉冲电源采用电感隔离型Marx发生器结构,电路可以实现模块化叠加,电感隔离可以减少开关数量,抬升充电电压,以获得更高的电压输出。所设计的驱动电路仅需一路控制信号和一个直流供电模块,经功率放大和磁隔离后可同时控制所有放电管,该驱动电路结构简单、成本低、体积小,耐压水平高。所设计的24级电源样机,在50 kΩ阻性负载上,可输出0～14 kV电压,频率0.5～1 kHz,脉宽500 ns。该电源主电路的长宽高尺寸仅为23 cm×10 cm×12 cm。     

磁绝缘传输线电压的初步测量

针对快脉冲直线变压器驱动源装置上的真空磁绝缘传输线（MITL)电压测量的需求,开展了微分型电容分压器和电感分压器的设计、标定和实验。通过不同的电压值、负载阻抗的装置实验中探头输出结果的分析和比较,讨论了测量方法的可行性和适用范围。实验结果表明:微分型电容分压器能够应用于完全磁绝缘状态下的MITL电压测量,但容易受阴极电子发射的影响导致探头输出波形发生畸变。电感分压器受分布电容和电感的影响导致输出信号存在寄生振荡,采用波形重建的方法初步获得了合理的测量结果。