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超声检测电路中阻抗匹配问题浅析

TECLAB   Shaw.Din   shaw@teclab.cn



摘要:在搭建超声检测系统时,常常发现各种设备的输入输出阻抗一般默认50Ω,而少数设备并不是默认50Ω,阻抗不匹配时会导致信号微弱或者波形失真等情况。本文从超声激励端和接收端分别分析阻抗匹配的问题。方便用户确定在搭建超声检测系统时是需要否进行阻抗匹配。

关键字:阻抗匹配,匹配网络

介绍

   首先,为何大部分的设备默认输入输出阻抗为50Ω?

    电信号在铜芯同轴电缆中传输速度约为200000km/s,如果线缆较长,信号的传输需要一定的时间从源端到负载,当信号到达负载时,一部分信号会传入负载,而另一部分会反射回相反的方向。反射回源端的信号在源端再次产生反射。如此反复直到信号衰减到零。这种反射的累积就是导致信号失真的原因之一。避免这些反射的方法就是必须使线缆,源端以及负载的特征阻抗完全匹配:ZS=Z0=ZL。如下图所示:


常用屏蔽铜芯同轴线缆如下图所示:


同轴线缆的特征阻抗Z0可按如下公示计算:


如下表所示,超声检测中常用的线缆为RG5874,阻抗一般为50Ω。MHz的超声换能器阻抗一般也在30100Ω左右。故此大部分超声设备的输出输入阻抗默认为50Ω。



 除此之外,这种引起信号失真的反射效应还与线缆的长度和信号的频率极大的相关。当信号传输的长度比信号的波长大很多时,我们就需要考虑阻抗匹配的问题。相反,当信号传输长度比波长低很多时,阻抗匹配的问题可以忽略。电缆中反射效应的临界长度一般认采用如下经验公式计算:

L=λ/10=C/(10f)

举例而言:10 MHz的信号在RG-58同轴电缆中反射效应的临界长度为2米。低于这个频率阻抗匹配问题可以忽略不计,除非线缆长度远大于2米。由此可以看出我们一般的便携式超声检测中一般频率多用1MH- 10MHz之间,且线长大多1-2.5米之间。因此不存在阻抗匹配的问题。

   然而在搭建电磁超声检测系统和低频压电导波检测系统时,我们往往会发现因为阻抗不匹配导致的信号微弱和失真的问题。这主要因为电磁超声换能器内部为线圈,阻抗仅仅几欧姆,而低频压电换能器的阻抗往往高达几百欧姆。虽然电磁超声换能器和低频压电换能器的频率都比较低,比如50 KHz 2 MHz,对应线长可以从400米到10米。反射累积效应基本可以不用考虑。但随之而来的是因阻抗匹配不合适引起的负载功率不能最大化,从而导致信号微弱的问题。

激励端负载功率最大化的阻抗匹配分析

  以电磁超声换能器为例,电磁超声换能器EMAT转换效率远低于压电超声换能器,因此常常采用高能激励源来驱动。同时为了确保高能信号能最大程度的加载到EMAT,阻抗匹配就显得尤为重要。常用的超声激励源输出阻抗为50Ω,而EMAT阻抗往往低于10Ω,在不进行阻抗匹配的情况下,高能信号并没有最大程度的加载到EMAT并转换成声波。下面介绍的L形匹配网络中的串联模式来实现最优化。




接收端负载功率最大化的阻抗匹配分析

  

    在超声检测电路中接收端的信号源变成了超声换能器,负载变成了超声接收器或采集卡或前置放大器。放大信号我们一般在接收探头和接收器之间增加前置放大器用来放大来自接收换能器接收的uV级微弱信号。如下图所示:



一般商用的超声仪器接收阻抗默认50欧姆,当采用低频压电导波探头做为接收探头时,往往通过低噪前置放大器进行弱信号放大再进行模数转换或波形观察。此时低噪前置放大器的输入阻抗变得尤为重要。设低噪前置放大器的输入阻抗为Rin,探头的阻抗为Rs,那么加载到低噪前置放大器进行被放大的电压 :


Vs Rin/(Rin+Rs)

RinRs时,来自探头的uV级弱信号将大部分被放大。若Rin=Rs,那么仅仅一半的弱信号被放大再被采集和显示。
采用EMAT进行接收时,除了与发射端一样需要考虑阻抗匹配是的负载功率最大化,前置放大器的输入阻抗也许与匹配网络一并酌情考虑。


因此,我们建议适配电磁超声换能器和低频导波压电换能器的低噪前置放大器徐根据探头阻抗参数进行定制合适的参数。同时为了避免接收端采用的高频探头和长线缆导致的信号发射累积效应,可以通过并联50Ω负载到低噪前置放大器进行解决。

TECLAB 提供阻抗网络匹配器和低噪前置放大器的定制解决方案。

 

感谢:Mr. julien.lopezrios,Mr.Gary Petersen,贺喜博士,詹鹏程老师,蒙炳纪老师和欧阳平老师。