CN108654967A - 超声换能器谐振频率的检测方法、装置及超声波换能器 - Google Patents
超声换能器谐振频率的检测方法、装置及超声波换能器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种超声换能器谐振频率的检测方法、装置及超声波换能器，其中，所述超声换能器谐振频率的检测方法包括：在扫频过程中，检测超声换能器中激励信号输出回路的电流值变化状态；根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值；根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值，将所述第二频率值作为所述超声换能器的工作频率。相比于现有技术，本方法所检测出的工作频率为超声换能器的谐振频率的准确性更高。此外，与所述述检测方法对应检测装置和超声波换能器具有同样的功能和效果。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种超声换能器谐振频率的检测方法、装置及超声波换能器。
背景技术
超声换能器是一种可将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)的设备，包括但不局限于应用在超声骨刀等的医用器械上。在超声波换能器工作时，一般通过扫频来找到其最佳的工作频率(即谐振频率)。
现有技术中，确定谐振频率的方法具体可以有以下两种方式：
相位检测扫描法，在某一范围内进行输出回路的频率扫描，当输出回路中的电流和电压的相位相同，记录该时刻输出频率，作为***的谐振频率(工作频率)。由于相位检测扫描法需要基于硬件上的阻抗匹配进行，阻抗匹配的好坏直接影响扫频的效果，所以该方法的鲁棒特性不强。
回路电流检测扫描法，在某一范围内进行输出回路频率扫描，在扫频过程中对输出回路中的电流进行监控，记录输出回路电流为最大值时刻***的输出频率，作为***的谐振频率(工作频率)。其原理在于：在频率扫描范围内，从低频率点开始扫频，输出回路中的电流有缓慢上升的趋势，当超声换能器处于谐振状态时，输出回路中的电流达到最大值，根据超声换能器的频率-电流关系可知，电流最大值处所对应的频率值即为超声换能器的谐振频率。但在实际中，谐振频率点附近频点所采集的输出回路中的电流与谐振频率点处采集的输出回路中的电流差别较小，特别是在有外界干扰的情况下，将导致扫频所确定的工作频率与实际的谐振频率之间存在较大的误差。
鉴于现有技术的存在上述对超声波换能器设定的工作频率与实际谐振频率之间可能存在较大误差的缺陷，如何快速而准确地确定超声换能器的工作频率，是目前本领域技术人员所要解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超声换能器谐振频率的检测方法、装置及超声波换能器，用于解决如何快速而准确地确定超声换能器的工作频率的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案：
根据本发明的第一方面
一种超声换能器谐振频率的检测方法，包括：在扫频过程中，检测超声换能器中激励信号输出回路的电流值变化状态；根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值；根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值，将所述第二频率值作为所述超声换能器的工作频率。
根据本发明的第二方面
一种换能器谐振频率的检测装置，包括：扫频模块，用于在扫频过程中，检测超声换能器中激励信号输出回路的电流值变化状态；第一频率检测模块，用于根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值；第二频率检测模块，用于根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值，将所述第二频率值作为所述超声换能器的工作频率。
根据本发明的第三方面
一种超声波换能器，包括上述第二方面中的检测装置。
本发明具有以下有益效果：本发明通过输出回路的电流变化状态来间接检超声换能器在反谐振点的频率值，再根据该频率值来确定超声换能器的工作频率，相比于现有技术中根据输出回路的电流变化状态直接确定超声换能器的工作频率的方法，反谐振点的频率值更加容易确定且误差范围小，进而使得最后确定的超声换能器的工作频率与实际的谐振频率之间的误差较小。
附图说明
图1显示为本发明一种超声换能器谐振频率的检测方法的流程图。
图2显示为在扫频过程中超声换能器的频率电流关系的函数图。
图3为根据本发明一种超声换能器谐振频率的检测方法的一种具体实施方式流程图。
图4显示为本发明一种超声换能器谐振频率的检测装置的原理图。
元件标号说明
300 检测装置
310 扫频模块
320 第一频率检测模块
330 第二频率检测模块
S11-S13 步骤
S21-S213 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明实施例中的超声换能器，是一种可将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)的设备，包括但不局限于应用在超声骨刀等的医用器械上。
实施例1
根据本发明的第一方面，本实施例给出了一种超声换能器谐振频率的检测方法，见图1，所述检测方法包括具体以下步骤：
S11，在扫频过程中，检测超声换能器中激励信号输出回路的电流值变化状态。
在本步骤中，激励信号输出回路(下文也简称：回路或输出回路)是指将激励信号传送给超声换能器中电储能元件以引起电场或磁场变化而产生振动的激励电源输出***。
其中，如果超声换能器工作频率为谐振频率，整个超声***的工作性能最佳，因此如何准确找到超声换能器的谐振频率是关键。
此外，见图2，在扫频过程中，从低频率点开始扫频，回路中的电流有缓慢上升的趋势。当超声换能器处于谐振状态时，回路中的电流达到最大值，但在谐振点附近频点所采集的回路电流与谐振点处采集的回路电流差别较小，即电流曲线在该频率点处斜率较低。相反，在反谐振点附近处，电流值变化很大，即电流曲线在该频率范围内斜率较高，有利于最大值(反谐振点处的电流)的采集与筛选，从而准确的得到反谐振点的频率。
其中，扫频即按照一定频率规律来输出激励信号。
具体的，在扫频过程中，可以采用频率递增的方式产生所述激励信号，或者也可以采用频率递减的方式产生所述激励信号。
一般地，如果采用频率递增的方式产生所述激励信号，那么产生的所述激励信号的初始频率低于预设频率值；同理，如果采用频率递减的方式产生所述激励信号，那么产生的所述激励信号的初始频率高于预设频率值。因为，用户在拿到超声换能器时，是无法确定其谐振频率的，我们必须通过扫频来找到谐振频率，因此超声换能器的真实谐振频率应当在扫频的范围内。需要指出的是，由于超声换能器在激励信号输出频率由低至高逐渐递增过程中，工作频率会先后达到谐振频率处和反谐振频率处，而超声换能器工作在反谐振频率处时的发热量是最大的，也即是说，此时超声换能器的工作情况是最不理想的，因此，采用激励信号输出频率由低至高逐渐递增的方式可较好地保护超声换能器。
其中，预设频率值一般在设备出厂前由技术人员给出的一个参考值，一般预设频率值与超声换能器实际的谐振频率相近，因此在未获知超声换能器的谐振频率前，可以利用该预设频率值作为参考来进行扫频。
S12，根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作在反谐振点时的第一频率值。
在本步骤中，并不直接根据输出回路中电流值变化状态来检测超声换能器在谐振点处的频率值，而是直接检测超声换能器工作在反谐振点处的频率值。因为在反谐振点附近处，电流值变化很大，即电流曲线在该频率范围内斜率较高，从而可以准确地采集与筛选得到反谐振点的频率(即第一频率值)。
其中，根据步骤S11中扫频方式的不同，第一频率值的确定方法也将不同。
具体的，若采用频率递增的方式产生所述激励信号，则所述根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值包括：检测电流值变化趋势，在电流值变化趋势由上升降趋势变为下降趋势之后，记录在所述电流值变化趋势由下降趋势变为上升降趋势时刻的频率值，作为所述第一频率值。
具体的，采用频率递减的方式产生所述激励信号，则所述根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值包括：检测电流值变化趋势，在电流值变化趋势为下降趋势之后，记录在所述电流值变化趋势由下降趋势变为上升降趋势时刻的频率值，作为所述第一频率值。
S13，根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值，将所述第二频率值作为所述超声换能器的工作频率。
在本步骤中，预设频宽是已知的。一般在实际工程中，通过设计可以对超声换能器的频宽进行控制，即频宽已知。其中，频宽＝丨超声换能器反谐振频率-谐振频率丨。最后，检测到超声换能器的工作频率之后，停止扫频。
具体的，根据前述步骤获取的反谐振点频率(即第一频率值)，并结合上述频宽特性，很容易计算得到超声换能器的谐振频率。先比现有技术中直接计算谐振频率的方法，本发明可以大幅提高算法的鲁棒性。
本发明实施例通过输出回路的电流变化状态来间接检测超声换能器在反谐振点的频率值，再根据该频率值来确定超声换能器的工作频率，相比于现有技术中根据输出回路的电流变化状态直接确定超声换能器的工作频率的方法，反谐振点的频率值更加容易确定且误差范围小，进而使得最后确定的超声换能器的工作频率与实际的谐振频率之间的误差较小。
实施例2
根据本发明的第一方面可知，采用激励信号输出频率由低至高逐渐递增的方式可较好地保护超声换能器，为优选实施方式，故本实施例将结合扫频过程以及图1所描述的方法，更具体地给出了一种超声换能器谐振频率的检测方法，见图3，所述检测方法包括具体以下步骤：
S21，确定扫频的范围，并从低频点开始扫频。
其中，超声换能器的真实谐振频率应当在设定的扫频的范围内。
S22，逐渐增大扫频的范围。
S23，对激励信号输出回路的电流值进行采样。
S24，判断电流是否有上升趋势。
具体的，若判定为是，则执行步骤S25，反之继续执行步骤S22。
S25，逐渐增大扫频的频率。
S26，对激励信号输出回路的电流值进行采样。
S27，判断电流是否有下降趋势。
具体的，若判定为是，则执行步骤S28，反之继续执行步骤S25。
S28，逐渐增大扫频的频率。
S29，对激励信号输出回路的电流值进行采样。
S210，判断电流是否有上升趋势。
具体的，若判定为是，则执行步骤S211，反之继续执行步骤S28。
S211，根据预设频宽和第一频率值计算得到第二频率值。
S212，将第二频率值作为超声换能器的工作频率。
S213，停止扫频。
实施例3
根据本发明的第二方面，本实施例还提供了一种换能器谐振频率的检测装置，见图4，所述检测装置300包括扫频模块310、第一频率检测模块320及第二频率检测模块330，其中，扫频模块310，用于在扫频过程中，检测超声换能器中激励信号所在回路的电流值变化状态；第一频率检测模块320，用于根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值；第二频率检测模块330，用于根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值，将所述第二频率值作为所述超声换能器的工作频率。
其中，所述扫频模块310具体用于在扫频过程中，采用频率递增的方式产生所述激励信号，且产生的所述激励信号的初始频率低于预设频率值；或者，在扫频过程中，采用频率递减的方式产生所述激励信号，且产生的所述激励信号的初始频率高于预设频率值。
具体的，若所述扫频模块310采用频率递增的方式产生所述激励信号，则所述第一频率检测模块320具体用于检测电流值变化趋势，在电流值变化趋势由上升降趋势变为下降趋势之后，记录在所述电流值变化趋势由下降趋势变为上升降趋势时刻的频率值，作为所述第一频率值。
具体的，若所述扫频模块310采用频率递减的方式产生所述激励信号，则所述第一频率检测模块320具体用于检测电流值变化趋势，在电流值变化趋势为下降趋势之后，记录在所述电流值变化趋势由下降趋势变为上升降趋势时刻的频率值，作为所述第一频率值。
另外，所述第二频率检测模块330具体用于计算所述第一频率值与所述预设频宽之差的绝对值，作为所述第二频率值。
以上功能模块的划分方式仅为本发明实施例给出的一种优选实现方式，功能模块的划分方式不构成对本发明的限制。为了描述的方便，以上所述***的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
显然，在实际应用中还可以将上述检测装置或检测方法应用至超声波换能器中，从而得到一种新的具有上述检测装置功能的超声波换能器。
本发明实施例通过在频率扫描过程中，扫频模块310从低频率点或高频点开始扫频，回路中的电流有缓慢上升或下降的变化趋势，当超声换能器处于反谐振状态时，回路中的电流达到最小值，由于在反谐振点附近频点所采集的回路电流与反谐振点处采集的回路电流差别明显，即电流曲线在该频率点处斜率较高，从而第一频率检测模块320可以准确地找到超声换能器工作在反谐振点时的频率，进而第二频率检测模块330再根据超声换能器的频宽来计算出超声换能器的工作频率，即谐振频率，这样得到工作频率与超声换能器实际的谐振频率之间的误差很小。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种超声换能器谐振频率的检测方法，其特征在于，包括：
在扫频过程中，检测超声换能器中激励信号输出回路的电流值变化状态；
根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值；
根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值，将所述第二频率值作为所述超声换能器的工作频率。
2.根据权利要求1所述的超声换能器谐振频率的检测方法，其特征在于：
在扫频过程中，采用频率递增的方式产生所述激励信号，且产生的所述激励信号的初始频率低于预设频率值；或者，
在扫频过程中，采用频率递减的方式产生所述激励信号，且产生的所述激励信号的初始频率高于预设频率值。
3.根据权利要求2所述的超声换能器谐振频率的检测方法，其特征在于：若采用频率递增的方式产生所述激励信号，则所述根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值包括：
检测电流值变化趋势，在电流值变化趋势由上升降趋势变为下降趋势之后，记录在所述电流值变化趋势由下降趋势变为上升降趋势时刻的频率值，作为所述第一频率值。
4.根据权利要求2所述的超声换能器谐振频率的检测方法，其特征在于：若采用频率递减的方式产生所述激励信号，则所述根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值包括：
检测电流值变化趋势，在电流值变化趋势为下降趋势之后，记录在所述电流值变化趋势由下降趋势变为上升降趋势时刻的频率值，作为所述第一频率值。
5.根据权利要求1-4任一所述的超声换能器谐振频率的检测方法，其特征在于：所述根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值具体包括：计算所述第一频率值与所述预设频宽之差的绝对值，作为所述第二频率值。
6.一种超声换能器谐振频率的检测装置，其特征在于，包括：
扫频模块，用于在扫频过程中，检测超声换能器中激励信号输出回路的电流值变化状态；
第一频率检测模块，用于根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值；
第二频率检测模块，用于根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值，将所述第二频率值作为所述超声换能器的工作频率。
7.根据权利要求6所述的超声换能器谐振频率的检测装置，其特征在于：
所述扫频模块具体用于在扫频过程中，采用频率递增的方式产生所述激励信号，且产生的所述激励信号的初始频率低于预设频率值；或者，
用于在扫频过程中，采用频率递减的方式产生所述激励信号，且产生的所述激励信号的初始频率高于预设频率值。
8.根据权利要求7所述的超声换能器谐振频率的检测装置，其特征在于：若所述扫频模块采用频率递增的方式产生所述激励信号，则所述第一频率检测模块具体用于检测电流值变化趋势，在电流值变化趋势由上升降趋势变为下降趋势之后，记录在所述电流值变化趋势由下降趋势变为上升降趋势时刻的频率值，作为所述第一频率值。
9.根据权利要求7所述的超声换能器谐振频率的检测装置，其特征在于：若所述扫频模块采用频率递减的方式产生所述激励信号，则所述第一频率检测模块具体用于检测电流值变化趋势，在电流值变化趋势为下降趋势之后，记录在所述电流值变化趋势由下降趋势变为上升降趋势时刻的频率值，作为所述第一频率值。
10.根据权利要求6所述的超声换能器谐振频率的检测装置，其特征在于：所述第二频率检测模块具体用于计算所述第一频率值与所述预设频宽之差的绝对值，作为所述第二频率值。
11.一种超声波换能器，其特征在于，包括上述权利要求6-10任一所述的超声换能器谐振频率的检测装置。
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