用于高铁钢轨探伤的正负脉冲超声发射接收板卡设计

　　摘要：目前在钢轨探伤的超声波发射电路中常用的是基于电容充放电原理的负尖脉冲的激励方式，超声波发射重复频率受电容充放电速度的影响，且激励电压不恒定，直接导致测量结果定量困难。针对这一问题，提出了一种用于高铁钢轨探伤的正负脉冲激励的超声波发射电路，采用与超声探头周期相同的正负脉冲对探头进行激励，实验结果表明，该超声波发射电路脉冲在4KHz重复频率下激励电压稳定，接收电路通道间无干扰，符合高铁钢轨探伤使用要求。

　　前言

　　目前超声系统使用的激励波形主要有负尖脉冲、双极性调谐脉冲、方波脉冲、阶跃脉冲(如图1所示)，作者对各种激励方式对超声信号的影响进行了分析。

　　在钢轨探伤领域内，超声探头的固有频率多为2.5MHz或3.5MHz，且激励电压高，一般为300V左右，使用最多的是负尖脉冲激励方式，负尖脉冲激励方式原理和电路简单，易于实现。负尖脉冲的产生原理如图2所示。

　　通过控制高速开关使电容充放电来产生负尖脉冲。为提高超声测量的灵敏度，需要负尖脉冲的下降沿时间越短越好。负尖脉冲电路超声波激励在高速钢轨检测使用中有如下不足：(1)激励电压的幅值取决于电容的充电电压，受各种因素影响，激励电压的幅值不稳定，重复性不好。(2)受到电容充放电速度的影响，测量的重复频率受到限制，当测量重复频率增大时，激励电压的幅值会下降。

　　目前采用轮式探头的高铁钢轨探伤车检测速度最高为80km/h，检测重复频率为4KHz，采用负尖脉冲的激发方式已经不能很好地满足要求。

　　方波脉冲可以提高激励电压的稳定性，双极性调谐脉冲可以明显提高检测信号幅度，本文提出了一种正负脉冲的激励方式，结合了方波脉冲和双极性调谐脉冲的优点。

　　1 正负脉冲激励的超声波发射接收电路

　　1.1 正负脉冲激励的原理

　　正负脉冲激励的波形如图3所示，采用正负两种电压轮流施加到超声探伤上，正负脉冲的峰峰值即为施加到超生探头上的电压值，正负脉冲的频率可以根据检测的需要进行调节。在正负脉冲的一个周期内，超声探头产生3次振动。

　　正负脉冲具有方波脉冲的可控性优点，激励幅值电压稳定，同时，又具有双极性调谐脉冲的调谐特性，可以提高检测信号的幅值。