Page 221 - 《应用声学》2025年第2期
P. 221
第 44 卷 第 2 期 马卫卫等： 超声探伤自动扫描平台微弱信号放大电路设计 481
声。然而在其他设计中，当换能器呈现较低的阻抗
0 引言
值时，由于OPA657的高输入电压噪声，应该选择另
复合材料因具有强度高、耐高温、耐腐蚀、质 外的运算放大器，但是没有给出定量的依据。国内
量小等优异性能广泛应用于航空航天领域 [1] 。但 尹辉 [13] 采用场效应管组成的差分放大电路和仪表
是复合材料在制造和使用中，材料内部极易产生缺 运放组成的两级运放实现了 1 MHz 带宽范围内对
陷或损伤，这将大大降低构件的承载能力，甚至造 弱信号的 60 dB 放大。张宸宸等 [14] 将可控增益放
成严重后果，因此必须采用有效手段对此进行无损 大芯片级联的方式适用于空耦超声检测系统，实现
检测 [2−3] 。复合材料成本高、结构特殊和使用环境 对回波信号接近 80 dB 放大，并仿真验证了设计的
特殊使得检测条件苛刻 (包括不能使用耦合剂、非 可行性。
接触、检测空间狭小等)，这对检测技术提出了更高 本文通过对使用的空气耦合超声换能器进行
要求。 等效电路分析，对放大电路建立噪声模型进而得出
空气耦合超声检测具有无需耦合剂 [4] 、非侵入 模型的噪声系数表达式，通过在空气耦合超声换能
完全无损的优点，是检测的重要手段之一 [5] 。利用 器和第一级放大电路之间加匹配电路，以及低噪声
空气耦合超声探伤技术检测复合材料内部缺陷时， 运放和反馈电路参数选择，使整个放大系统噪声系
空气耦合超声探头与空气之间及空气与被检材料 数最低，达到噪声匹配。本文设计了一种具有抗干
之间的声阻抗差异大 [6] ，导致信号在气固界面耦合 扰的低噪声、高增益且增益连续可调的放大及采集
时损失严重，使得空气耦合超声换能器的频带窄、脉 电路，能够有效地检测并提取微弱信号，并详细阐
冲尾波长、效率低，从而导致空气耦合超声波检测 述了超低噪声前置放大电路设计所遵循的理论依
系统无法达到一般超声检测系统的灵敏度、信噪比 据，为其他类型的空气耦合超声换能器接收电路设
(Signal-to-noise ratio, SNR)和分辨率 [7] 。随着显微 计提供参考。
机械加工技术的发展及高分子材料制作技术的进
步，高效率、高灵敏度的空气耦合超声波换能器的 1 总体系统设计
制作取得了较大突破 [8−9] ，也出现了一些灵敏度更
超声探伤自动扫描平台如图 1 所示，图中左下
高、带有聚焦能力的探头 [10] ，聚焦类型的换能器有
角空心圆管代表待测复合材料，S 表示发射换能器，
效缓解了在空气超声检测中信号幅度微弱的问题。
R 表示接收换能器。测试过程中，上位机控制机械
在低噪声接收电路方案上，得益于半导体集成
定位装置工作，来移动接收换能器。采集控制电路
技术的发展，出现了很多高精度、低噪声、宽带运
接收到机械定位装置工作信号后输出脉冲信号至
算放大器，方便了微弱信号检测电路的设计。Turo
信号发生器，触发信号发生器发射声源信号，通过
等 [11] 指出无损检测系统的SNR受到超声波换能器
输出处的可用信号以及换能器和接收器电子器件 Ҫဋஊܸ٨ ηՂԧၷ٨
两者产生的固有噪声的限制。超声换能器中的噪声
由热噪声主导，并与换能器电阻抗的实部直接相关，
而电阻抗又取决于频率，进而提出了一种用于超声
换能器的超低噪声放大器的输出噪声电压分析模 Ā ࠀ
ͯᜉᎶ
S
型，分析了不同阻值的偏置电流补偿电阻对输出噪 Ā ʽͯ ᧔ᬷ
҄ႃ
声幅度的影响，同时在源阻抗比较高的时候，电阻 θ 0 ҒᎶஊܸႃ
R
的热噪声效应会变得明显，需要使用超低电流噪声 nDθ
ଌஆ
的运算放大器。Yañez 等 [12] 详细论述了小尺寸、高 R ѵ
阻抗换能器在谐振点附近的等效阻抗模型, 通过对
包括负载效应的压电换能器放大器的输出噪声性
能进行建模，提出了一种超低噪声放大器的设计方 ႃᄤ
法，为设计、比较和选择元件值提供了参考。在案 图 1 超声探伤自动扫描平台装置示意图
例研究中，高阻抗换能器的运算放大器最佳选择是 Fig. 1 Schematic diagram of automatic scanning
OPA657，因为它具有低偏置电流和低输入电流噪 platform for ultrasonic testing
