CN102291656A - 一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，调试电路中功率超声换能器与滤波电容、滤波电感、调谐电感、负载电阻串联，功率超声换能器由超声功率源激励，调试方法为将调谐与滤波分为两步分别进行调试。本发明的一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，将滤波、调谐分步进行调试，用于换能器的静态匹配，匹配效果良好，并可同时测量换能器静态电容、动态电阻，该测量设备简单，易于实现，并且具有较高的测量精度。

Description

一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法

技术领域

本发明涉及一种功率超声换能器静态匹配调试方法，属于功率超声匹配技术领域。

背景技术

匹配是功率超声技术中的重要一环。静态匹配是在超声功率源输出频率与换能器静态谐振频率相同的条件下，功率源输出阻抗与换能器静态输入阻抗的匹配，它适用于要求换能器输出频率固定的应用场合。

根据秦雯在文献“大功率正弦波超声电源”中指出：“超声波应用厂家和天星稀土公司曾对使用稀土超磁致伸缩材料为探头的超声波换能器作过实验，实验数据表明使用方波或脉冲电源时超声波换能器的效率较低，采用正弦波激励，可以使超声波效率有极大的提高”。常见的超声功率源一般采用逆变结构，其输出为方波，为了能够有效的驱动换能器，静态匹配电路除了调谐还应具有滤波的功能。常见的匹配方法有并联电感、串联电感、电感与电容(LC)、改进电感与电容(LCC)、T型等匹配方式。并联电感方法由于滤波性能差，现在使用较少。其他的几种方法将滤波调谐作为一个整体进行设计与调试，理论推导相对复杂，电路调试比较困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，用于换能器的静态匹配。同时可测量换能器静态电容、动态电阻，该测量设备简单，易于实现，并且具有较高的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于滤波调谐分步进行的调试方法，通过按功能分步调试的方法进行，并同时提供了一种换能器静态电容、动态电阻的测量方法。

本发明将静态匹配分成滤波与调谐相对独立的两部分进行调试。其原理是：对于输出为方波的超声功率源，无论是LC、LCC还是T型静态匹配电路，电路的主要功能均可以分为两部分：一是对超声功率源的输出进行滤波，得到驱动换能器所需的正弦信号；二是对换能器进行调谐，使整个电路阻抗呈现纯阻性。从这两点功能要求出发，完成滤波与调谐即完成了静态匹配。

一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，调试电路中功率超声换能器与滤波电容、滤波电感、调谐电感、负载电阻串联，功率超声换能器由超声功率源激励，调试方法为将调谐与滤波分为两步分别进行调试：

步骤1：使用正弦波激励驱动功率超声换能器，对功率超声换能器进行调谐调试，测量谐振时的各项数据，并通过计算得到功率超声换能器的等效电阻、等效电容、动态电阻、静态电容；

步骤2：负载电阻值取功率超声换能器谐振时的所述等效电阻值，通过调节调谐电感，对超声功率源进行滤波调试，测量并得出滤波电容、滤波电感值；

步骤3：对功率超声换能器进行调谐滤波的整合调试，调节调谐电感，当负载电阻上的波形相位与调试电路中的波形相位相同时，完成静态匹配。

所述超声功率源为大功率超声功率源。

所述负载电阻为大功率电阻。

所述负载电阻为无感电阻。

所述超声功率源与功率超声换能器之间设有变压器。

测量时采用信号采集装置，信号采集装置采集读取电压电流信号。

所述信号采集装置包含示波器。

本发明所达到的有益效果：本发明的一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，将滤波、调谐分步进行调试，用于换能器的静态匹配，匹配效果良好，并可同时测量换能器静态电容、动态电阻，该测量设备简单，易于实现，并且具有较高的测量精度。

附图说明

图1静态匹配调试装置示意图；

图2a换能器等效电路示意图；

图2b谐振点处换能器等效电路示意图；

图2c为图2b等效串联电路示意图；

图3换能器调谐电路示意图；

图4换能器滤波电路示意图；

图5调谐滤波整体调试示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

静态匹配调试装置如图1所示，主要包括用于实现声电转换的超声换能器Z(以下简称换能器Z)，用于驱动换能器Z的自制超声功率源两大主体部分，自制的传输线变压器T连接于两大主体部分之间，用于隔离与阻抗变换，信号采集装置为示波器1、2，采集读取电压电流信号。

调试方法如下：

调谐功能的要求，串联电感即可实现；滤波部分的设计，L、C串联谐振即可实现。具体电路如图1。其中电感L_p、电容C_p作用是滤波(即选频)，电感L₁的作用是调谐(即相位补偿)，电阻R1为与功率超声换能器串联的负载电阻。换能器Z的等效电路如图2a，其中电容C₀为换能器静态电容，电感L为换能器动态电感，电容C为换能器动态电容，电阻R为换能器动态电阻。谐振点处电路可等效为图2b，其等效串联电路如图2c，电阻R_e为换能器Z的串联等效电阻，电容C_e为等效电容。

(1)调谐部分

使用信号源按照图3接法，其中R₁为取样电阻。调节电感L₁，使示波器1与示波器2的波形同相，即调谐。记示波器1的波形电压峰值为u₁，示波器2的波形电压峰值为u₂，电压波形的角频率为ω_s。电感值L₁。

根据电路分压原理可得：

$R_e=\frac{u_1-u_2}{u_2}{R}_1$ 式(1)

电路谐振时，因此，可得：

$C_e=\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_s}^2{L}_1}$ 式(2)

由电阻电容并联(图2b)形式等效为电阻电容串联(图2c)形式，根据电路等效原理，可得：

$R_e=\frac{R}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_s{C}_{0}R\right)}^2}$ 式(3)

$C_e=\frac{C_0}{{\left({\mathrm{\ω}}_s{C}_{0}R\right)}^2}(1+{\left({\mathrm{\ω}}_s{C}_{0}R\right)}^2)$ 式(4)

由式(1)、式(2)计算得R_e、C_e。

由式(3)与式(4)相乘，可得到下式，

${\mathrm{\ω}}_s{C}_{0}R=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s{C}_e{R}_e}$ 式(5)

将式(5)代入式(3)、式(4)，可计算得动态电阻R、换能器静态电容C₀，如下面式(6)、式(7)所示，

$R=R_e(1+\frac{1}{{\left({\mathrm{\ω}}_s{C}_e{R}_e\right)}^2})$ 式(6)

$C_0=\frac{C_e}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_s{C}_e{R}_e\right)}^2}$ 式(7)

(2)滤波部分

滤波部分参数计算，在串联谐振点f_s，选定适合的回路品质因数Q值，Q是由回路谐振电阻与特性阻抗的比值定义的，

根据式(8)、式(9)计算电感L_p、电容C_p的值。

$L_p=\frac{Q}{{\mathrm{\ω}}_s}{R}_e=\frac{Q}{{\mathrm{\ω}}_s}\frac{R}{1+{{\mathrm{\ω}}_s}^2{C_0}^2{R}^2}$ 式(8)

$C_p=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{s}Q{R}_e}=\frac{1+{{\mathrm{\ω}}_s}^2{C_0}^2{R}^2}{{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{QR}}$ 式(9)

实施例2

本实施例在实施1的基础上，选用换能器Z的谐振频率为f_s＝290.739kHz，进行调试过程的详细计算。

调试过程为：

(1)调谐部分

调谐部分的设计，具体调试电路如图3。自行绕制电感L₁，调节电感L₁，当两通道波形相位相同时，即实现了调谐。测得电感L₁＝0.026mH，u₁＝16.24V，u₂＝8.06V，通过计算得到R_e＝100Ω，C_e＝11.52nF，R＝122.58Ω，C₀＝2.12nF。

(2)滤波部分

滤波部分的设计，具体调试电路如图4。其中电阻R₁取值为换能器Z的串联等效电阻R_e的值或者相近。根据式(1)计算得到R_e≈100Ω。Q值选取应当适中；另外应当考虑到电容的常用取值。假设选取Q值为6，由式(9)计算得电容C_p为0.912nF。考虑电容常见取值，最终选取电容C_p＝1nF，则Q≈5.474，电感L_p≈0.300mH。根据计算结果自行绕制电感，调节电感值，示波器2出现较理想的正弦波形时(此时电感电容亦谐振，两示波器显示波形相位相同)，即实现了滤波功能。实际电容C_p取值为1nF，电阻R₁取100Ω。实际电感L_p值测得为0.303mH，与理论值相近。

调试过程中需要注意的问题是：(1)因超声功率源的输出功率较大，电阻R₁选择大功率电阻；另一方面，电阻R₁用来取样电流，应选择感性较小的电阻，优选无感电阻。(2)为了与实际的大功率运行环境相符合，本实施例中选择自制超声功率源而非普通信号源，且在滤波电路与功率源之间接入了实际使用中需要的变压器T。(3)电路工作时，电容两端的电压将是换能器Z等效电阻两端电压的Q倍，考虑到电容有一定的耐压限制，Q值不易选的过大；并考虑电容的常用取值。本实施例中综合考虑，Q值取5.474，电容取1nF。在其它实施例中需要根据具体的电路参数去选择。其次电容由于发热，容值变化，会导致谐振点漂移，所以，应当选择耐压高、温漂小的电容。(4)变压器的漏感要小，以避免功率管关断瞬间出现尖峰电压，对电路工作不利，严重时甚至可能烧掉功率管。

(3)整体调试

将调谐部分与滤波部分综合起来，进行整体调试，电路图如图5所示。保持滤波电感L_p不变，调节电感L₁，当两示波器显示波形相位相同时，即实现了滤波与调谐，完成了静态匹配功能。最终确定电感L₁＝0.030mH。

通过以上分部调试方法，结果显示理论计算与实测数据得到了较好的吻合。且计算相对整体调试较为简化，调试也比较方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，调试电路中功率超声换能器与滤波电容、滤波电感、调谐电感、负载电阻串联，功率超声换能器由超声功率源激励，调试方法为将调谐与滤波分为两步分别进行调试：

步骤1：使用正弦波激励驱动功率超声换能器，对功率超声换能器进行调谐调试，测量谐振时的各项数据，并通过计算得到功率超声换能器的等效电阻、等效电容、动态电阻、静态电容；

步骤2：负载电阻值取功率超声换能器谐振时的所述等效电阻值，通过调节调谐电感，对超声功率源进行滤波调试，测量并得出滤波电容、滤波电感值；

步骤3：对功率超声换能器进行调谐滤波的整合调试，调节调谐电感，当负载电阻上的波形相位与调试电路中的波形相位相同时，完成静态匹配。

2.根据权利要求1所述的一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，所述超声功率源为大功率超声功率源。

3.根据权利要求1所述的一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，所述负载电阻为大功率电阻。

4.根据权利要求1所述的一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，所述负载电阻为无感电阻。

5.根据权利要求1所述的一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，所述超声功率源与功率超声换能器之间设有变压器。

6.根据权利要求1所述的一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，测量时采用信号采集装置。

7.根据权利要求6所述的一种功率超声换能器静态匹配快速调试方法，其特征是，所述信号采集装置包含示波器。

Images