УДК 620.179.118.7
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЕМКОСТНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ, КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ
МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ
© 2020 г. Е.Л. Ноздрачева1,*, А.Ю. Слободчук1,**, Г.М. Сучков1,***
Р.П. Мигущенко1,****, О.Ю. Кропачек1,*****
1Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина 61002
Харьков, ул. Кирпичева, 2
E-mail: *nozdrachova@gmail.com; **antonslobodchuk@gmail.com;
***hpi.suchkov@gmail.com; ****mrp1@ukr.net; *****kropachek@ukr.net
Поступила в редакцию 28.11.2019; после доработки 21.01.2020
Принята к публикации 31.01.2020
На основе анализа информационных источников определены требования к конструкциям генераторов высокочастот-
ных пакетных радиоимпульсов высокого напряжения для питания преобразователей емкостного типа. Разработан вариант
схемотехнического решения генератора для питания емкостных преобразователей. Новый генератор позволяет создавать
импульсные пиковые напряжения в малоемкостных преобразователях более 1 кВ с частотами до 5 МГц с длительностью
1—10 периодов частоты заполнения и частотами зондирования до 1 кГц. Экспериментально показано, что с помощью маке-
та нового генератора получены амплитуды импульсов, прошедших стальной образец толщиной 20 мм, отношение которых
к амплитуде шума, принятых миниатюрным пьезоэлектрическим преобразователем, составляет 15,5 раз. Использование
разработанного мощного усилителя импульсов напряжения позволит создавать и усовершенствовать приборы для ультра-
звукового контроля качества металлоизделий, измерений и диагностики преобразователями емкостного типа.
Ключевые слова: контроль качества, измерения, диагностика, преобразователь емкостного типа, схемотехника, гене-
ратор радиосигналов напряжения, длительность импульса, частота.
DOI: 10.31857/S0130308220030045
ВВЕДЕНИЕ
В промышленности все более широкое применение находят бесконтактные методы измерений,
контроля и диагностики [1]: воздушный, электромагнитно-акустический, емкостной. Среди них
наиболее распространенным в применении является электромагнитно-акустический [1—2]. Не-
смотря на очевидные преимущества, у него есть существенные недостатки — сильное притяжение
к ферромагнитному объекту контроля (ОК), налипание окалины на преобразователь, сложная ап-
паратура питания преобразователей [3]. Воздушный метод возбуждения и приема ультразвуковых
импульсов применим только для низкочастотных импульсов [4—6]. Емкостной метод возбуждения
и приема ультразвуковых импульсов прост в реализации, позволяет возбуждать ультразвуковые
импульсы в широком диапазоне частот, не притягивается к ОК, на его работу не влияет наличие
окалины, но его чувствительность традиционно считается низкой [1]. Поэтому емкостной метод
применяется исключительно в лабораторных условиях в высокоточной аппаратуре для определе-
ния параметров импульсов ультразвуковых колебаний [7—10].
Суть работы преобразователя емкостного типа (ПЕТ), с учетом факторов влияющих на возбуж-
дение высокочастотных ультразвуковых импульсов, поясняется рис.1 [1, 11—13].
U0
R0
С
U×δ(t)
1
3
2
Рис. 1. Упрощенная схема преобразователя емкостного типа:
1 — электропроводящий круглый диск; 2 — диэлектрический слой; 3 — электропроводящее изделие; U0 — постоянное напряжение;
С — конденсатор; R0 — ограничительный резистор; U×δ(t) — короткий однополярный импульс напряжения.
32
Е.Л. Ноздрачева, А.Ю. Слободчук, Г.М. Сучков и др.
В традиционном представлении [1, 11—16] во время работы ПЕТ к диску 1 через высокоомный
резистор R0 прикладывается напряжение U0. В результате на поверхностный слой ОК 3 действует
постоянное электрическое поле. К этому же диску 1 через конденсатор С подается короткий одно-
полярный импульс напряжения U × δ(t), это приводит к действию на поверхностный слой ОК 3
импульсного электрического поля. Совместное действие созданных постоянного и импульсного
электромагнитных полей на поверхностный слой ОК 3 возбуждает импульсы продольных ультра-
звуковых колебаний, которые распространяются в объем электропроводного изделия 3. Диэлек-
трический слой 2 предохраняет устройство от электрического пробоя. Следует отметить низкую
чувствительность такого способа возбуждения ультразвуковых импульсов [1].
Авторы работ [14, 15] при теоретических расчетах (применили непрерывное переменное на-
пряжение U×eiωt) показали, что при отсутствии поляризующего постоянного напряжения происхо-
дит удвоение частоты возбуждаемых ультразвуковых импульсов [14]. При использовании поляри-
зующего постоянного напряжения возбуждаются две частоты ω и 2ω [14, 15]. Согласно этим рабо-
там, механическое высокочастотное давление Р0, созданное ПЕТ, можно определить из выражения
εε
2
εε
εε
0
0
2
0
2
2
P
=
(
U
sinω +U
)
=
(
2U
U
sinωt U
sinωt
)
+
(
U
+U
)
,
(1)
0
2
0
=
2
0
=
0
2
0
=
4d
4d
4d
где ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 — диэлектрическая постоянная;
d — расстояние между обкладками ПЕТ; U= — постоянное поляризующее напряжение; U0 — мак-
симальное значение переменного напряжения; ω — круговая частота.
При этом автор статьи [14] делает вывод: «Характерной особенностью полученных выражений
является то, что амплитуда возбуждающего давления Р0 по сути не зависит ни от формы, ни от
площади электрода. Увеличение амплитуды давления, а, следовательно, и амплитуды акустических
колебаний, можно осуществить путем увеличения амплитуды переменного и поляризующего на-
пряжений, подбора соответствующего материала с высокой диэлектрической проницаемостью в
качестве прослойки между электродом и поверхностью ОК, или уменьшения расстояния d между
обкладками конденсатора». В [14] приводится выражение для смещения точек поверхности ОК Uz,
создаваемых ПЕТ:
ω
2x
ω
2x
0
2
0
2
sin
R
1−
cos
ϕ
1−cos
r
1−
cos
ϕ
c
r
c
r
ω
2x
ω
2x
0
2
0
2
r
1−
cos
ϕ
r
1
−
cos
ϕ
r 2π
P
sin
ωt
c
r
c
r
0
U
(
M
)
=-
−
dϕdr,
(2)
z
2
∫∫
4πK
2x
2x
0
0
0
0
2
0
2
r
1−
cos
ϕ
r
1−
cos
ϕ
r
r
где R — радиус датчика; с — скорость распространения звука в объекте контроля; r — радиус ем-
костного преобразователя; φ — сферическая координата; М2 — точка наблюдения с координатами
М2(х0, 0, 0); К0 — коэффициент, характеризующий материал образца, выражается через параметры,
определяющие свойства материала:
2µ
K
=
2+
G,
(3)
0
1−2µ
где G — модуль сдвига; µ — коэффициент Пуассона.
На основании этих расчетов автор делает вывод о зависимости возбуждаемых смещений от
формы и геометрических размеров и давления Р0, создаваемого ПЕТ.
Из изложенного следует, что основными технологическими факторами, определяющими ин-
тенсивность возбуждаемых ультразвуковых колебаний, являются постоянное поляризующее элек-
трическое поле и импульсное электрическое поле. С учетом результатов работ [11—14], высоко-
частотные импульсы напряжения должны иметь вид пакета заданной длительности с узкой ча-
стотной полосой. Для исключения влияния поляризации диэлектрической прокладки между ОК
и электродом ПЕТ на амплитуду ультразвуковых импульсов поляризующее электрическое поле
Дефектоскопия
№ 3
2020
Источники питания высокочастотных емкостных преобразователей...
33
необходимо формировать в виде импульса прямоугольной формы заданной длительности [11, 14],
определяемой толщиной ОК. Поляризующее и импульсное напряжения должны иметь одинаковые
максимальные значения.
Из анализа рассмотренных информационных источников [1—17] наиболее сложным устрой-
ством для обеспечения работы ПЕТ является генератор высокочастотных пакетных импульсов
[17]. Однако в информационных источниках не приводятся требования к формированию импуль-
сов, построению генераторов, схемотехнические решения, а также примеры их реализации, кото-
рые могут повысить чувствительность ПЕТ. Поэтому настоящая публикация является актуальной.
Цель работы — разработка электронной схемы мощного усилителя пакетных импульсов напря-
жения с изменяющимися параметрами для питания преобразователей емкостного типа.
РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализ известных литературных источников [1—2, 11, 14, 17] позволил сформулировать требо-
вания к параметрам генератора высокочастотных импульсов (ГВИ), который должен обеспечивать
питание ПЕТ, например, в наиболее часто используемом для контроля и измерений частотном диа-
пазоне. Он должен формировать в ПЕТ, с бесконечным сопротивлением постоянному току, пакет-
ные импульсы напряжения с частотой заполнения от 1 до 5 MГц. Количество периодов частоты
заполнения импульса должно быть регулируемым в диапазоне 1—10 шт. Максимальная пиковая
амплитуда напряжения на преобразователе емкостного типа должна быть не менее 1 кВ. Частоту
следования зондирующих импульсов необходимо регулировать в интервале от 10 Гц до 1 кГц в за-
висимости от скорости сканирования ОК.
Авторы данной статьи (на основании анализа характеристик элементов силовой электроники)
пришли к выводу о целесообразности применения в выходных каскадах широкополосных симме-
тричных трансформаторов, включенных параллельно, а затем последовательно для достижения
коэффициента трансформации, равным 3. Были выполнены экспериментальные исследования воз-
можностей ряда повышающих трансформаторов на основе сердечников из феррита. Установлено,
что они не позволяют формировать выходной сигнал требуемого частотного диапазона. В то же вре-
мя было показано, что в заявленном частотном диапазоне некоторые модели MOSFET транзисторов
в двухтактных схемах включения переключаются с достаточными временными промежутками.
Для реализации разработанного технического решения предложено формировать выходной им-
пульс генератора высоковольтных импульсов в виде меандра, который преобразуется в синусоиду за
счет емкостных составляющих подводящего коаксиального кабеля и самого ПЕТ. Такой подход дает
возможность упростить высоковольтную часть генератора, особенно на высоких частотах зондиро-
вания, и получать в нагрузке значительные амплитуды возбуждаемого напряжения. Эксперименталь-
но установлена целесообразность применения параллельного включения до 3 шт. широкополосных
симметричных трансформаторов в мостовом включении, что позволяет увеличить напряжение за
счет применения высокочастотных широкополосных симметричных трансформаторов. Полевые
MOSFET транзисторы должны выдерживать импульсный ток до 100 А, а также иметь затвор и отно-
сительно небольшую емкость «исток-затвор» для быстрой работы в мостовом включении.
Установлена целесообразность изготавливать ГВИ в виде трех основных блоков: формировате-
ля сигналов с регулируемыми параметрами,
гальванической оптической развязкой и вы-
сокочастотного широкополосного усилителя
12 В
6
мощности.
На основе сформированного подхода раз-
3,3 В
работан ГВИ, который позволяет выполнить
требования, необходимые для питания ПЕТ
2
современных средств контроля, измерения и
диагностики. В качестве примера такой раз-
3,3 В
5 В
работки на рис. 2 приведена блок-схема фор-
Выход на
мирователя ГВИ.
гальваническую
Формирователь сигналов 1 с регулиру-
4
1
3
опторазвязку
емыми параметрами выполнен на микро-
Рис. 2. Блок-схема формирователя ГВИ:
1 — формирователь сигналов; 2 — орган управления (кнопки);
5 В
3 — буферный логический элемент; 4 — память EEPROM;
5
5 — ЖК дисплей; 6 — стабилизаторы питания.
Дефектоскопия
№ 3
2020
34
Е.Л. Ноздрачева, А.Ю. Слободчук, Г.М. Сучков и др.
U
T4
T3
T1
T2
t
СН1
СН2
t
Рис. 3. Временная диаграмма выходных сигналов блока формирователя: T1 — период последовательности прямоуголь-
ных импульсов; T2 — «мертвое» время, необходимое для исключения одновременного открывания транзисторов двух-
тактного каскада; T3 — длительность пакета импульсов; T4 — период следования пакета импульсов.
контроллере типа STM32, который формирует две последовательности прямоугольных импульсов
амплитудой 3,3 В со скважностью, равной 2 (меандр), и противоположных по фазе, что необходимо
для питания последующих каскадов ГВИ. Управление частотой, скважностью и количеством им-
пульсов осуществляется посредством кнопок 2. Временные диаграммы выходных сигналов блока
формирователя показаны на рис. 3.
Каждый из двух сигналов с выхода микроконтроллера 1 поступает на входы буферного повто-
рителя 3. Буферный повторитель используется для усиления выходного сигнала по напряжению
до уровня 5 В (уровень логической «1» на выходе из генератора) а также для обеспечения крутых
фронтов, сформированных прямоугольных последовательностей импульсов. Сохранение настроек
генератора осуществляется в энергонезависимую память 4.
Для защиты микроконтроллера 1 от радиопомех, наводящихся по линиям выхода буфера 3, при-
менено устройство гальванической развязки, блок-схема которого изображена на рис. 4.
5 В
1
5 В
5 В
Выход на «H»-мост
Вход с генератора
3
сигналов
2
Рис. 4. Блок-схема модуля гальванической опторазвязки ГВИ:
1 — DC/DC преобразователь; 2 — оптопара; 3 — буферный логический элемент.
«Мертвое время» необходимо для предотвращения протекания сквозных токов через транзи-
сторные ключи каждого из полумостов.
Отображение текущих параметров осуществляется на жидкокристаллическом индикаторе 5.
Стабилизаторы питания 6 применены линейные.
Модуль гальванической опторазвязки состоит из DC/DC преобразователя 1, оптопары 2 и бу-
ферных повторителей 3. Выходы буферных повторителей 3 подключены к схеме мостового усили-
теля мощности. Мостовой усилитель мощности состоит из двух одинаковых полумостов. Каждый
из полумостов состоит из драйвера нижнего и верхнего ключей, который управляет затворами двух
MOSFET транзисторов нижнего и верхнего плеча. Выход каждого полумоста подключается к каж-
дому выводу входа широкополосного симметричного трансформатора. «Н»-мостом формируется
переменное разнополярное напряжение, прикладываемое к первичной обмотке широкополосного
симметрирующего трансформатора.
Симметричный широкополосный трансформатор изображен на рис. 5. Он состоит из трех фер-
ритовых колец, (размерами К20×12×6) и имеет по семь витков коаксиального кабеля RG59 с вол-
новым сопротивлением 75 Ом. Каждый из трансформаторов является согласующим, то есть имеет
волновое сопротивление по 75 Ом по входу и выходу. Входы всех трех трансформаторов включены
параллельно, а выходы — последовательно. Это означает, что входное волновое сопротивление по-
Дефектоскопия
№ 3
2020
Источники питания высокочастотных емкостных преобразователей...
35
T1
К емкостному
К мостовому
преобразователю
коммутатору
T2
R1
T3
Рис. 5. Схема симметричного повышающего широкополосного трансформатора.
лучившегося симметричного широкополосного трансформатора составляет 25 Ом, то есть в 3 раза
меньше волнового сопротивления коаксиального кабеля. Для того, чтобы работа трансформатора
была согласованной, выход трансформаторной сборки необходимо нагрузить на сопротивление,
равное трехкратному сопротивлению коаксиального кабеля, то есть 225 Ом.
Блоки питания на схемах не указаны.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Рис. 6. Блок-схема экспериментальной установки:
1 — генератор высокочастотных импульсов; 2 — гальваническая развязка; 3 — «Н»-мост; 4 — повышающий широкополосный симме-
трирующий трансформатор; 5 — разделительный конденсатор; 6 — источник поляризующего электрического напряжения; 7 — элек-
трод ПЕТ; 8 — диэлектрический слой; 9 — объект контроля; 10 — миниатюрный ПЭП; 11 — малошумящий полосовой усилитель;
12 — осциллограф
Для выполнения экспериментальных исследований по возбуждению ультразвуковых импуль-
сов ЕП разработан стенд, блок-схема которого приведена на рис. 6. В состав стенда входит электро-
проводная плоскопараллельная пластина 9 толщиной 20 мм (объект контроля) без зачистки ее по-
верхности ввода ультразвуковых импульсов. На пластину 9 через диэлектрик 8 толщиной 0,06 мм
поместили круглый электрод 7 из стали толщиной 0,25 мм и диаметром 26 мм. К электроду 7 через
разделительный конденсатор 5 (емкость которого на порядок больше емкости преобразователя)
прикладывается переменное напряжение с амплитудой 1 кВ. Для исключения временного влияния
поляризационного эффекта в диэлектрике под электродом ПЕТ на результаты измерений амплиту-
ды, в составе стенда использован источник поляризующего электрического напряжения 6 (1 кВ).
Пакетные импульсы длительностью три периода частотой 5 МГц формируются генератором 1, ко-
торый через гальваническую развязку 2 генерирует импульсы на «Н»-мост 3, функция которого
в попеременной коммутации первичной обмотки повышающего широкополосного симметриру-
ющего трансформатора 4 для создания на вторичной обмотке импульсов высокого напряжения.
Для исключения попадания поляризующего напряжения на трансформатор применен пленочный
неполярный конденсатор 5. С противоположной стороны пластины 9 установлен миниатюрный
пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) 10 (с резонансной частотой 5 МГц, радиусом 2 мм),
подключенный к малошумящему полосовому усилителю 11 с коэффициентом усиления, равным
1000. С выхода усилителя 11 принятый сигнал подается на осциллограф 12.
На рис. 7 на экране осциллографа показано изображение реализации ультразвуковых импуль-
сов, излученных ПЕТ и принятых миниатюрным ПЭП.
Дефектоскопия
№ 3
2020
36
Е.Л. Ноздрачева, А.Ю. Слободчук, Г.М. Сучков и др.
2
1
Рис. 7. Принятая миниатюрным ПЭП последовательность импульсов, сформированная от одной посылки емкостного
датчика (0,2 В/дел, 10 мкс/дел):
1 — зондирующий импульс; 2 — первый принятый донный импульс.
Анализ данных, приведенных на рис. 7, показывает, что отношение амплитуд донных импуль-
сов и шума без применения методов обработки принятых донных импульсов составляет около
15 раз. Таким образом, подтверждается возможность приведения измерений, контроля и диа-
гностики как минимум теневым методом. Следует отметить незначительную «мертвую» зону
контроля.
Очевидно, что предложенным ГВИ за счет увеличения величины поляризующего напряжения и
пиковой амплитуды переменного напряжения возможно значительное повышение амплитуды воз-
буждаемых ультразвуковых пакетных импульсов.
ВЫВОДЫ
1. Разработан блок формирователя последовательности импульсов, модуль гальванической
опторазвязки, высоковольтный полумост и повышающий симметричный широкополосный транс-
форматор для использования в составе измерительной, контрольной и диагностической техники
на основе ПЕТ.
2. Предложен вариант практической реализации генератора мощных радиоимпульсов напря-
жения на базе микроконтроллера, силовых MOSFET транзисторов и симметричного повышаю-
щего широкополосного трансформатора, который обеспечивает на ПЕТ высокочастотные высоко-
вольтные импульсы положительной и отрицательной полярностей, амплитудой до 1 кВ, частотой
до 5 МГц и длительностью три периода частоты заполнения.
3. Экспериментально доказана реализуемость излучения ультразвуковых колебаний емкостным
методом на практике с применением современных достижений в области электротехники. Показа-
но, что соотношение донный сигнал/шум достигает 15 раз. Возможно дальнейшее повышение ам-
плитуды возбуждаемых импульсов путем повышения поляризующего и импульсного напряжений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Неразрушающий контроль / Справочник. В 7 т. Под общ. ред.
В.В. Клюева. Т. 3: Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.
2. Мигущенко Р.П., Сучков Г.М., Петрищев О.Н., Десятниченко А.В. Теория и практика электро-
магнитно-акустического контроля. Часть 5. Особенности конструирования и практического примене-
ния ЭМА устройств ультразвукового контроля металлоизделий: монография. Харків: ТОВ «Планета-
принт», 2016. 230 с.
3. Мигущенко Р.П., Сучков Г.М., Радев Х.К., Петрищев О.Н., Десятниченко А.В. Электромагнитно-
акустический преобразователь для ультразвуковой толщинометрии ферромагнитных металлоизделий
без удаления диэлектрического покрытия // Технічна електродинаміка. 2016. № 2. С. 78—82.
5. Wright W.M.D, Hutchins D.A. Air-coupled testing of metals using broadband pulses in through-
Дефектоскопия
№ 3
2020
Источники питания высокочастотных емкостных преобразователей...
37
6. Palmer S.B., Dixon S. Industrially viable non-contact ultrasound // Insight. 2003. V. 45. No. 3.
7. Кондратьев А.И., Кондратьев А.А., Римлянд В.И., Драчев К.А. Измерение скорости распростра-
нения и коэффициента затухания продольных волн в тонких образцах // Вестник ТОГУ. 2013. T. 31.
№ 4. С. 17—24.
8. Кондратьев А.И. Прецизионные методы и средства измерения акустических величин твердых
сред. В двух частях. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. 152 с.
9. Луговой В.А. Широкополосный емкостный приемник акустических сигналов / Сейсмоакустика
переходных зон: материалы 3-го Всероссийского симпозиума. Владивосток, 2003. С. 56—58.
10. Король А.А. Алгоритмическое и программное обеспечение измерительного комплекса для опре-
деления параметров распространения различных типов акустических волн в твердых средах / Дисс
канд. техн. наук. 05.11.16. Место защиты: Тихоокеан. гос. ун-т. Хабаровск, 2011. 140 с.: ил. РГБ ОД,
61 11-5/2448.
11. Ноздрачева Е.Л. Сучков Г.М., Петрищев О.Н. Особенности возбуждения ультразвуковых импуль-
сов емкостным преобразователем // Наукові праці Донецького національного технічного університету.
Серія: «Обчислювальна техніка та автоматизація». Красноармійськ. 2015. Т. 28. № 1. С. 165—170.
12. Myhushchenko R.P., Suchkov G.M., Petrishchev O.N., Nozdrachova K.L. Model of electromechanical
receiving transducers of ultrasound Rayleigh wave // Technical Electrodynamics. 2016. № 6. P. 83—89. DOI:
13. Petrishchev O.N., Nozdrachova K.L., Suchkov G.M., Myhushchenko R.P., Kropachek O.Yu., Plesnet-
sov S.Yu. Improving principles of electric energy pulse transformation into high-frequency mechanical energy
techned2019.06.018
14. Зайцева Л.В. Плівкові гетеросистеми ємнісних перетворювачів на основі поліаміду, оксидів
індію, олова та алюмінію / Дисертація ... канд. техн. наук. 01.04.07. НАН України. Ін-т електрофізики і
радіац. технологій. Харків, 2015. 190 с.
15. Гитис М.Б., Добромыслов В.М., Сажин В.В. Определение некоторых параметров датчиков уль-
тразвуковых дефектоскопов // Дефектоскопия. 1971. № 1. С. 51—57.
16. Мигачев С.А., Куркин М.И., Смородинский Я.Г. Бесконтактное возбуджение звука в металле ви-
деоимпульсом электрического поля // Дефектоскопия. 2016. № 11. С. 48—53.
17. Вискушенко А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Высоковольтный формирователь пачек импульсов
// Приборы и техника эксперимента. 2001. № 1. С. 77—79.
Дефектоскопия
№ 3
2020
