CN110646673A - 一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器。该自动阻抗匹配器的组成包括阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块以及单片机控制模块；所述的阻抗匹配模块的组成包括两套8路5V带光耦隔离功能的继电器模块、一个5V直流电源和16个CBB匹配电容、16个阻值为1kΩ的电阻；两套继电器模块结构相同，各包括8个并联的继电器；每套继电器模块的DC+和DC‑端口都分别接到5V直流电源的正极c和负极d；每个继电器的高低电平触发选择端S1‑S16各插上一个与之配套的H跳线帽。本发明使换能器能够在不同的环境、工况和负载下持续稳定地工作在谐振状态，显著提高换能器工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻抗匹配器，特别是涉及一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器。具体是采用阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块和单片机控制模块实现电源与磁致伸缩换能器之间的动态自动阻抗匹配。
背景技术
磁致伸缩换能器是利用磁致伸缩材料进行能量转换的电磁机械装置，是将一种形式的能量转换为另一种形式能量的器件。在水声、超声和主动振动控制等领域得到广泛应用。
磁致伸缩换能器与电源之间的阻抗匹配直接影响到磁致伸缩换能器的工作效率。近年来，磁致伸缩换能器制造工艺日趋成熟，但智能化阻抗匹配的发展相对缓慢制约了磁致伸缩换能器的应用。
为了提高磁致伸缩换能器的输出功率、能量转换效率等性能，需要在换能器与电源之间进行阻抗匹配。磁致伸缩换能器呈阻感性，可以等效为一个电阻和一个电感串联,根据电路知识对其进行阻抗匹配，可以消除磁致伸缩换能器的感性，使换能器工作在谐振状态，从而提升工作性能。目前，主要的阻抗匹配方式有静态匹配和动态匹配两大类。
静态匹配的原理是通过精密阻抗分析仪测量磁致伸缩换能器的阻抗特性，得到换能器的等效电阻R和等效电感L的值，结合谐振频率通过公式计算得到所需匹配的电容值，从而完成匹配。通过静态匹配，可以消除换能器的无功功率，使换能器工作在谐振状态，从而提高工作效率，此方法简单可行。但在换能器的工作过程中，由于环境、温度、负载等的变化会引起换能器阻抗特性发生变化，从而带来频率漂移的现象。此时，所加的匹配电容将不再满足要求，换能器也将不再工作在谐振状态。
动态匹配主要有可变电容匹配法以及频率跟踪法。可变电容匹配法，原理是控制电路根据检测到的电压和电流的幅值、相位等信息来控制驱动电机的转动，从而调节可变电容的数值，完成阻抗匹配。该方法结构较复杂、成本较高。频率跟踪法的原理是，控制电路根据检测到的电压和电流的幅值、相位等信息来调整驱动电源的输出频率。它是在保证静态匹配确定的匹配电容参数不改变的前提下，使驱动电源的输出频率跟随着换能器谐振频率的改变而改变，间接的完成动态阻抗匹配。该方法结构和元件较复杂、需要静态匹配作为辅助，比较适合于输出频率需要改变的场合。
发明内容
针对上述阻抗匹配的不足，本发明的目的在于提供一种快速度、宽范围、高精度的磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器及其实现方法。该自动阻抗匹配器，选用由高精密采样电阻组成的信号采集模块对电路信号进行采集，有效避免了采样电路带来的额外相位差；选用两套8路带光耦隔离功能的继电器模块，每个继电器连接一个电容。利用单片机对继电器进行控制，在保证驱动电源输出频率不变的前提下，采用变步长的方式调节匹配电容值来锁定换能器的输入电压、电流到同相位状态，完成自动阻抗匹配。使换能器能够在不同的环境、工况和负载下持续稳定地工作在谐振状态，显著提高换能器工作效率。
本发明的技术方案为：
一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器，该自动阻抗匹配器的组成包括阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块以及单片机控制模块；
其连接关系为：所述的阻抗匹配模块的一端连接电源的输出端，另一端连接磁致伸缩换能器的一端；信号采集模块的一端连接电源的输出端，信号采集模块另一端连接磁致伸缩换能器的另一端，同时信号采集模块的输出端连接反馈模块的一端；反馈模块另一端连接单片机控制模块的一端；单片机控制模块的输出端连接至阻抗匹配模块的信号输入端，同时PC机连接至单片机控制模块另一端；
所述的阻抗匹配模块的组成包括两套8路5V带光耦隔离功能的继电器模块、一个5V直流电源和16个CBB电容、16个阻值为1kΩ的电阻；两套继电器模块结构相同，各包括8个并联的继电器；每套继电器模块的DC+和DC-端口都分别接到5V直流电源的正极c和负极d；每个继电器的高低电平触发选择端S1-S16各插上一个与之配套的H跳线帽；每个继电器的输入信号触发端口IN1-IN16分别接单片机控制模块的外部双向输入/输出(I/O)口；每个继电器的常开端NO1-NO16均接到m端，m端接到换能器驱动电源的输出端；每个继电器的公共端COM1-COM16对应的接一个CBB电容的一端，每个CBB电容的另一端都接到n端，n端连接换能器输入端；每个继电器的常闭端NC1-NC16均连接一个1kΩ电阻的一端，每个电阻的另一端接到CBB电容的另一端；
所述信号采集模块的组成包括三个精密采样电阻R31、R32、R33；其连接关系为电阻R31的一端和阻抗匹配模块的m端相连；电阻R31的另一端和电阻R32的一端相连；电阻R32的另一端与电阻R33的一端相连；电阻R33的另一端和换能器b的一个输入端b2相连；电阻R31的一端还和电源a的一个输出端a1相连；电阻R32的一端还和电压采样端SV2相连；电阻R32的另一端还分别和电压采样端SV1、电源a的另一个输出端a2相连；电阻R33的一端还和电流采样端SC2相连；电阻R33的另一端还和电流采样端SC1相连；阻抗匹配模块的n端和换能器b的另一个输入端b1相连。
所述的反馈模块电路的组成包括采用LM324型运算放大器的差动放大器、采用LM324型运算放大器的比例放大器和相位差检测电路；
其中，相位差检测电路又包括两个由LM339芯片组成的高速过零比较器A和B、一个采用74LS74芯片的D触发器、一个采用74LS86芯片的异或门；该模块的连接关系为差动放大器的正极输入端连接信号采集模块的电流采样端SC2，负极输入端连接电流采样端SC1，差动放大器的输出端连接到相位差检测电路中的高速过零比较器A的负极输入端；比例放大器的输入端连接信号采集模块的电压采样端口SV2，比例放大器的输出端连接到相位差检测电路中的高速过零比较器B的负极输入端；两个高速过零比较器的输出端分别接到D触发器的D端口和CLK端口，D触发器的置位输入S和复位输入R都接地；两个高速过零比较器的输出端分别接到异或门的输入端。
所述的磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器的控制方法，包括以下步骤：
第一步，装置上电开机，***初始化，接着进行第二步；
第二步，延时10ms后，信号采集模块对换能器进行电压采样、电流采样；
第三步，单片机判断一个周期电流过零次数n>3是否成立，成立则对阻抗匹配模块中，两套8路带光耦隔离功能的继电器模块进行控制，通过控制继电器的启停，按照Step0＝1μF的步长增加匹配电容，再返回第三步继续判断；n>3不成立则执行第四步；
第四步，判断反馈模块输出的相位差θ>50°是否成立，成立则令Step＝1μF，即大步长，再跳到第七步；不成立则执行第五步；
第五步，判断反馈模块输出的相位差θ>20°是否成立，成立则令Step＝0.2μF,即中步长，再跳到第七步；不成立则执行第六步；
第六步，判断反馈模块输出的相位差θ>5°是否成立，成立则令Step＝0.1μF，即小步长，执行第七步；θ>5°不成立则表示一次自动阻抗匹配完成，运行结束；
第七步，判断反馈模块输出的电压、电流相位关系Q＝0是否成立，并根据判断结果对阻抗匹配模块中，两套8路带光耦隔离功能的继电器模块中的继电器进行控制：Q＝0成立则通过控制继电器的启停，按照Step的步长值增大匹配电容，再跳回第二步；Q＝0不成立则通过控制继电器的启停，按照Step的步长值减小匹配电容，再跳回第二步；继续执行自动匹配流程，直至第六步中所述的θ>5°不成立，运行结束。
本发明的有益效果为：
1.该磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器的匹配精度高(为0.1μF)、匹配范围广(为0.1-39.0μF)、匹配速度快(为ms级)。
2.该自动阻抗匹配器的信号采集模块对电压、电流信号进行实时采样，反馈模块对采样信号进行处理并在线反馈到单片机控制模块，单片机控制模块依照匹配程序对继电器进行启停控制，来实现串联电容的实时自动投切，选择最佳匹配电容，完成磁致伸缩换能器的自动阻抗匹配。使得该自动阻抗匹配器能够在保证驱动电源输出频率不变的前提下，调节换能器的输入电压、电流到同相位状态，得到很好的正弦工作电流波形，始终保持换能器工作在谐振状态。
3.该自动阻抗匹配器的信号采集模块，采用电阻采样法进行电压、电流信号采样，避免了采样电路自身带来的额外的相位差，相比于其它采样方法，自动阻抗匹配的精度提高了近20％。
4.该发明的自动匹配程序采用变步长的方法进行匹配。根据相位差的大小选用三种不同大小的步长，可有效缩短近30％的自动阻抗匹配时间，提高了匹配效率。
5.该发明的控制模块所采用的89S51主控芯片为8位主控芯片，性能稳定、成本低廉，在节省成本的同时保证了对指令的处理速度与处理精度；内含Flash存储器，可对程序进行反复修改，缩短开发周期，在***工作过程中，能有效地传送数据、指令信息，外界电源突然损坏也有良好的反应机制；体积较小，便于产品的体积最小化；采用静态时钟方式，节省电能，便于控制电路降低功耗。
6.该自动阻抗匹配器的结构简单、巧妙、合理，满足磁致伸缩换能器需要正弦电流供电的要求，能够解决换能器阻抗特性随环境、负载变化带来的频率漂移现象，从而使换能器能够在不同的环境、工况和负载下持续稳定地工作在谐振状态，有效的增大换能器输出振幅、输出位移、输出加速度等输出特性。显著提高磁致伸缩换能器的工作效率(可由之前的低于40％提高至近70％)，使换能器能够广泛应用到低频水声、超声和主动振动控制等领域。
附图说明
图1是自动阻抗匹配器整体结构图。
图2是阻抗匹配模块结构图。其中1代表继电器模块Ⅰ；2代表继电器模块II；3代表5V直流电源；4代表CBB电容；5代表电阻R；6代表跳线帽H。
图3是信号采集模块结构图。
图4是反馈模块电路结构图。其中41代表差动放大器，42代表比例放大器，43代表相位差检测电路，44代表高速过零比较器A，45代表高速过零比较器B，46代表D触发器，47代表异或门。
图5是磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器的控制方法图，其中n为换能器输入电流一个周期过零次数，θ为换能器输入电压、电流相位差大小，Q为换能器输入电压、电流相位超前滞后关系。
图6是自动阻抗匹配完成后，20kHz磁致伸缩换能器输入电压、电流波形图。其中方波代表换能器输入电压、正弦波代表换能器输入电流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明，但它们不对本发明作任何限制。
如图1所示为一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器，该自动阻抗匹配器的组成包括阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块以及单片机控制模块；
其连接关系为：所述的阻抗匹配模块的一端连接电源的输出端，另一端连接磁致伸缩换能器的一端；信号采集模块的一端连接电源的输出端，信号采集模块另一端连接磁致伸缩换能器的另一端，同时信号采集模块的输出端连接反馈模块的一端；反馈模块另一端连接单片机控制模块的一端；单片机控制模块的输出端连接至阻抗匹配模块的信号输入端，同时PC机连接至单片机控制模块另一端。
其中，阻抗匹配模块用于为驱动电源和磁致伸缩换能器之间提供匹配电容，完成电源与换能器之间的调谐，消除换能器的无功损耗，从而提高***的工作效率；信号采集模块用于采集换能器的输入电压、输入电流信号，并将电路工作状态实时的传送给反馈模块；反馈模块用于对采集到的电压、电流信号进行放大处理后，再进行电压电流相位超前滞后关系、电压电流相位差大小的判断，并将处理、判断后得到的信息传送给单片机控制模块；单片机控制模块用于基于预先设定的匹配程序，根据反馈模块提供的信息对阻抗匹配模块进行在线控制，自动实时地投切匹配电容，选择最佳匹配电容值，完成驱动电源与换能器之间的自动阻抗匹配。
所述的阻抗匹配模块结构如图2所示，该模块的组成包括两套8路5V带光耦隔离功能的继电器模块1和2、一个5V直流电源3和16个CBB电容4、16个阻值为1kΩ的电阻5；两套继电器模块结构相同，各包括8个并联的继电器；每套继电器模块的DC+和DC-端口都分别接到5V直流电源3的正极c和负极d；每个继电器的高低电平触发选择端S1-S16各插上一个与之配套的H跳线帽(高电平触发跳线帽)6；每个继电器的输入信号触发端口IN1-IN16分别接单片机控制模块的外部双向输入/输出(I/O)口；每个继电器的常开端NO1-NO16均接到m端，m端接到换能器驱动电源的输出端；每个继电器的公共端COM1-COM16对应的接一个CBB电容4的一端，每个CBB电容4的另一端都接到n端，n端连接换能器输入端；每个继电器的常闭端NC1-NC16均连接一个1kΩ电阻5的一端，电阻5的另一端接到CBB电容4的另一端；
其中所述的继电器模块1和2选用telesky公司的8路5V带光耦隔离功能的继电器模块，该继电器模块由SRD-05VDC-SL-C型功率继电器、小型封装光耦、大功率耐压三极管、红蓝信号指示灯、双面PCB板等组成，布局合理，结构巧妙，适用于各类单片机控制；所述的5V直流电源3选用明伟公司的LRS-35-5型直流电源，其输出电压稳定，性能优异；所述的16个CBB电容4，根据规格表选取的电容值分别为1个0.1μF、2个0.2μF、1个0.5μF、1个1μF、2个2μF、3个3μF，6个4μF，16个CBB电容沿着继电器模块中继电器1到继电器16的次序整齐的分布为一排；所述电阻5选用金属膜电阻RJ系MF1/4W型，其温度特性好、性能稳定、精度高、结构简单轻巧；
图2所示的阻抗匹配模块的工作原理是，当单片机输出高电平时，继电器触发，继电器的公共端COM与常开端NO相接通，CBB电容4接到m和n两端，进行驱动电源和换能器之间的阻抗匹配；当继电器不触发时，继电器的公共端COM与常闭端NC相接，CBB电容4的两端与一个1kΩ的电阻5相连接，形成回路，起到电容放电的作用；
所述的信号采集模块结构如图3所示，该模块的组成包括三个精密采样电阻R31、R32、R33；其连接关系为电阻R31的一端和阻抗匹配模块的m端相连；电阻R31的另一端和电阻R32的一端相连；电阻R32的另一端与电阻R33的一端相连；电阻R33的另一端和换能器b的一个输入端b2相连；电阻R31的一端还和电源a的一个输出端a1相连；电阻R32的一端还和电压采样端SV2相连；电阻R32的另一端还分别和电压采样端SV1、电源a的另一个输出端a2相连；电阻R33的一端还和电流采样端SC2相连；电阻R33的另一端还和电流采样端SC1相连。电压采样端SV2和电流采样端SC1、SC2连接至反馈模块的输入端。阻抗匹配模块的n端和换能器b的另一个输入端b1相连。
其中所述的电阻R31、R32和R33的阻值分别为1MΩ、1kΩ和1Ω，都选用RX70-3W型高精密线绕采样电阻，其功率为3W，耐压值为1000V，绝缘电压值为1400V，阻值偏差约为0.05％，温度系数约为±5-±10，RX70型电阻高稳定性和高可靠性等级可达0.1和1×10-5/小时，具有结构坚固、精度高、绝缘性好、温度系数小等特点，符合设计要求。
图3所示信号采集模块的工作原理为，两个大电阻R31、R32对原电路的电压进行分压后，得到的电压仅为原电压的千分之一，这样可以有效避免主电路产生的高压信号对后级采样电路的影响。既能够实时、精确地反应电路的工作状态，又能保证采样电路自身尽可能不对采得的信号产生干扰，不会对采样信号带来额外的相位差。通过采集电阻R32两端的电压信号即可完成换能器的电压信号采样；通过采集电阻R33两端的电压信号，可间接的完成换能器的电流信号采样。
所述的反馈模块电路结构如图4，该模块的组成包括采用LM324型运算放大器的差动放大器41、采用LM324型运算放大器的比例放大器42和相位差检测电路43；
其中，相位差检测电路43又包括两个由LM339芯片组成的高速过零比较器A44和B45、一个采用74LS74芯片的D触发器46、一个采用74LS86芯片的异或门47；该模块的连接关系为差动放大器41的正极输入端连接信号采集模块的电流采样端SC2，负极输入端连接电流采样端SC1，差动放大器41的输出端连接到相位差检测电路43中的高速过零比较器A44的负极输入端；比例放大器42的输入端连接信号采集模块的电压采样端口SV2，比例放大器42的输出端连接到相位差检测电路43中高速过零比较器B45的负极输入端；两个高速过零比较器44和45的输出端分别接到D触发器46的D端口和CLK端口，D触发器46的置位输入S和复位输入R都接地；两个高速过零比较器44和45的输出端分别接到异或门47的输入端。
该反馈模块中所述的LM324运算放大电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、价格低廉的特点，可在节省成本的前提下，对采样所得到的很弱的电压、电流信号进行放大处理；所述的LM339芯片是电压比较器中常见的一种芯片，内部集成了四路独立的电压比较器，可以分别完成对电压、电流信号的过零检测。
图4所示的反馈模块的工作原理为，差动放大器41和比例放大器42分别对信号采集模块采得的电流、电压信号进行放大处理得到模拟信号I、U；再将放大后的模拟信号I、U分别送入过零比较器A44和过零比较器B45，得到与之同频率的数字信号Phase-I、Phase-U；然后将数字信号Phase-I、Phase-U分别送到D触发器46的D端和CLK端，因为D触发器46的S端和R端都接地(同为低电平)，所以CLK的上升沿触发Q端电平，Q输出与D端相同的逻辑值，输出Q即表示电压电流相位关系，Q为0(低电平)表示电压相位超前于电流，Q为1(高电平)则表示电压相位滞后于电流；将数字信号Phase-I、Phase-U送入异或门47中，它的输出即为电压电流相位差大小θ。
所述的单片机控制模块，选取对所有Intel 8031指令***兼容的ATMEL89系列单片机的89S51作为主控芯片，89S51是由美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机。采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令***及引脚，极方便开发。AT89S51内含32个外部双向输入/输出(I/O)口线，可通过输出电平信号启停继电器，进而控制开关完成控制电路功能。串行通信接口(SCI)通过RS232型数据传输线与上位机(PC机)的串口通信接口连接，通过设置AT89S51和上位机之间的通信协议，实现两者之间的数据传输。
所述的磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器的控制方法如图5所示，包括以下步骤：
第一步，装置上电开机，***初始化，接着进行第二步；
第二步，延时10ms后，信号采集模块对换能器进行电压采样、电流采样；
第三步，单片机判断一个周期电流过零次数n>3是否成立，成立则对阻抗匹配模块中，两套8路带光耦隔离功能的继电器模块进行控制，通过控制继电器的启停，按照Step0＝1μF的步长增大匹配电容，再返回第三步继续判断；n>3不成立则执行第四步；
第四步，判断反馈模块输出的相位差θ>50°是否成立，成立则令Step＝1μF，即大步长，再跳到第七步；不成立则执行第五步；
第五步，判断反馈模块输出的相位差θ>20°是否成立，成立则令Step＝0.2μF,即中步长，再跳到第七步；不成立则执行第六步；
第六步，判断反馈模块输出的相位差θ>5°是否成立，成立则令Step＝0.1μF，即小步长，执行第七步；θ>5°不成立则表示一次自动阻抗匹配完成，运行结束；
第七步，判断反馈模块输出的电压、电流相位关系Q＝0是否成立，并根据判断结果对阻抗匹配模块中，两套8路带光耦隔离功能的继电器模块中的继电器进行控制：Q＝0成立则通过控制继电器的启停，按照Step的步长值增大匹配电容，再跳回第二步；Q＝0不成立则通过控制继电器的启停，按照Step的步长值减小匹配电容，再跳回第二步；继续执行自动匹配流程，直至第六步中所述的θ>5°不成立，运行结束。
其中第一步所述的***初始化过程中，令初始电容C＝0；第二步所述的10ms的延时采样时间，是为了使得在经过一次调整后，测得的数据能够及时、真实地反映电路的工作状态，保证整个自动阻抗匹配程序的顺畅性；第三步所述的一个周期电流过零次数n，可以直接利用单片机根据反馈模块中的过零比较器A44的输出脉冲信号Phase-I得到，n>3时，为RLC串联电路的欠阻尼状态，无法进行电压、电流相位的比较，表明此时匹配电容值过小，需要采用大步长增大匹配电容，以保证后续步骤的进行；第五步所述的θ>5°不成立，表示换能器的电压、电流接近同相位，换能器的电抗近似为0，此时认为换能器工作在谐振状态；第四步、第五步、第六步所述的步长值Step根据换能器输入电压、电流相位差θ的大小不同，选取了三种不同大小的步长，当θ>50°时选用大步长1μF，当20°<θ≤50°时选用中步长0.2μF，当5°<θ≤20°时选用小步长0.1μF，可以有效提高自动阻抗匹配速度；第七步所述的换能器输入电压、电流相位关系Q＝0成立表示电压相位超前于电流，需要增大匹配电容，Q＝0不成立则表示电压相位滞后于电流，需要减小匹配电容。
图5所示磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器的控制方法的工作原理为，单片机根据换能器输入电压、电流相位超前滞后关系，来选择增大或是减小匹配电容值，根据换能器输入电压、电流的相位差大小来采取三种不同的步长值，实时在线调整匹配电容的值，快速锁定电压、电流的相位差到近似为0，完成自动阻抗匹配功能。在一次自动阻抗匹配完成后，由于环境温度、负载等的变化，换能器的谐振频率会发生漂移，换能器将不再工作在谐振状态。所以，在换能器工作过程中，每隔0.5S调用一次自动阻抗匹配程序，以保证换能器持续稳定的工作在谐振状态。
如图6所示，为该自动阻抗匹配器用于20KHz磁致伸缩换能器，完成自动阻抗匹配后，对换能器的输入电压、电流进行实验测试，所得到的波形图。其中方波代表输入电压，正弦波代表输入电流，在输入电压约为30V时，输入电流峰值达到5A。由图可见，该自动阻抗匹配器匹配完成后，换能器的输入电流为标准的正弦波形，换能器的输入电压、电流同相位。实验验证了该自动阻抗匹配器能够快速的完成驱动电源和磁致伸缩换能器之间的自动阻抗匹配，满足磁致伸缩换能器需要正弦电流供电的要求，可以保证换能器持续稳定地工作在谐振状态，有效提高换能器的工作效率。
该自动阻抗匹配器的运行过程为：
电路工作过程中，信号采集模块在驱动电源和磁致伸缩换能器之间进行实时的电压、电流信号采集，将采得的信号送入反馈模块中；反馈模块先将采集到的信号进行放大处理，再将放大处理得到的模拟信号转化为数字信号，然后对数字信号进行判断处理得到电压与电流相位差大小、电压电流超前或滞后关系；将反馈模块判断处理后得到的输出信号传送到单片机中，单片机对阻抗匹配模块中的继电器实施如图5所示的控制，完成磁致伸缩换能器的自动阻抗匹配。其中，阻抗匹配模块中CBB电容的容值、CBB电容的个数以及图5中的匹配电容初值、相位差阈值以及步长都可以根据实际情况做出适当调整。在自动阻抗匹配器的工作过程中，数字输入显示电路(PC机)可以对频率、相位差、相位关系等进行显示加以监视。
本发明的设计为封闭电路，整体电路部分可集中在一块PCB印制电路板上，所述***在最小化设计后集成度较高。所有的元件、外壳在市场上都有供应，质量可靠，结构巧妙、合理，制造成本低。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (3)
1.一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器，其特征为该自动阻抗匹配器的组成包括阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块以及单片机控制模块；
其连接关系为：所述的阻抗匹配模块的一端连接电源的输出端，另一端连接磁致伸缩换能器的一端；信号采集模块的一端连接电源的输出端，信号采集模块另一端连接磁致伸缩换能器的另一端，同时信号采集模块的输出端连接反馈模块的一端；反馈模块另一端连接单片机控制模块的一端；单片机控制模块的输出端连接至阻抗匹配模块的信号输入端，同时PC机连接至单片机控制模块另一端；
所述的阻抗匹配模块的组成包括两套8路5V带光耦隔离功能的继电器模块、一个5V直流电源和16个CBB电容、16个阻值为1kΩ的电阻；两套继电器模块结构相同，各包括8个并联的继电器；每套继电器模块的DC+和DC-端口都分别接到5V直流电源的正极c和负极d；每个继电器的高低电平触发选择端S1-S16各插上一个与之配套的H跳线帽；每个继电器的输入信号触发端口 IN1-IN16分别接单片机控制模块的外部双向输入/输出（I/O）口；每个继电器的常开端NO1-NO16均接到m端，m端接到换能器驱动电源的输出端；每个继电器的公共端COM1-COM16对应的接一个CBB电容的一端，每个CBB电容的另一端都接到n端，n端连接换能器输入端；每个继电器的常闭端NC1-NC16均连接一个1kΩ电阻的一端，每个电阻的另一端接到CBB电容的另一端；
所述信号采集模块的组成包括三个精密采样电阻R31、R32、R33；其连接关系为电阻R31的一端和阻抗匹配模块的m端相连；电阻R31的另一端和电阻R32的一端相连；电阻R32的另一端与电阻R33的一端相连；电阻R33的另一端和换能器b的一个输入端b2相连；电阻R31的一端还和电源a的一个输出端a1相连；电阻R32的一端还和电压采样端SV2相连；电阻R32的另一端还分别和电压采样端SV1、电源a的另一个输出端a2相连；电阻R33的一端还和电流采样端SC2相连；电阻R33的另一端还和电流采样端SC1相连；阻抗匹配模块的n端和换能器b的另一个输入端b1相连。
2.如权利要求1所述的磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器，其特征为所述的反馈模块电路的组成包括采用LM324型运算放大器的差动放大器、采用LM324型运算放大器的比例放大器和相位差检测电路；
其中，相位差检测电路又包括两个由LM339芯片组成的高速过零比较器、一个采用74LS74芯片的D触发器、一个采用74LS86芯片的异或门；该模块的连接关系为差动放大器的正极输入端连接信号采集模块的电流采样端SC2，负极输入端连接电流采样端SC1，差动放大器的输出端连接到相位差检测电路中的高速过零比较器A的负极输入端；比例放大器的输入端连接信号采集模块的电压采样端口SV2，比例放大器的输出端连接到相位差检测电路中的高速过零比较器B的负极输入端；两个高速过零比较器的输出端分别接到D触发器的D端口和CLK端口，D触发器的置位输入S和复位输入R都接地；两个高速过零比较器的输出端分别接到异或门的输入端。
3.如权利要求1所述的磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器的控制方法，其特征为包括以下步骤：
第一步，装置上电开机，***初始化，接着进行第二步；
第二步，延时10ms后，信号采集模块对换能器进行电压采样、电流采样；
第三步，单片机判断一个周期电流过零次数n>3是否成立，成立则对阻抗匹配模块中，两套8路带光耦隔离功能的继电器模块进行控制，通过控制继电器的启停，按照Step0=1μF的步长增加匹配电容，再返回第三步继续判断；n>3不成立则执行第四步；
第四步，判断反馈模块输出的相位差θ>50°是否成立，成立则令Step=1μF，即大步长，再跳到第七步；不成立则执行第五步；
第五步，判断反馈模块输出的相位差θ>20°是否成立，成立则令Step=0.2μF,即中步长，再跳到第七步；不成立则执行第六步；
第六步，判断反馈模块输出的相位差θ>5°是否成立，成立则令Step=0.1μF，即小步长，执行第七步；θ>5°不成立则表示一次自动阻抗匹配完成，运行结束；
第七步，判断反馈模块输出的电压、电流相位关系Q=0是否成立，并根据判断结果对阻抗匹配模块中，两套8路带光耦隔离功能的继电器模块中的继电器进行控制：Q=0成立则通过控制继电器的启停，按照Step的步长值增大匹配电容，再跳回第二步；Q=0不成立则通过控制继电器的启停，按照Step的步长值减小匹配电容，再跳回第二步；继续执行自动匹配流程，直至第六步中所述的θ>5°不成立，运行结束。
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|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111504444A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-07 | 清华大学 | 超磁致伸缩超声换能器谐振频率确定装置及方法 |
| CN111766552A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-13 | 河北工业大学 | 一种磁特性测量***的阻抗自动匹配装置及匹配方法 |
| CN113533854A (zh) * | 2020-04-13 | 2021-10-22 | 上海交通大学 | 一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置 |
| CN113992052A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-28 | 河北工业大学 | 一种磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0058820A1 (en) * | 1981-02-19 | 1982-09-01 | The Perkin-Elmer Corporation | Radio frequency generator system |
| JP2004085446A (ja) * | 2002-08-28 | 2004-03-18 | Daihen Corp | インピーダンス整合器の出力端特性解析方法、およびインピーダンス整合器、ならびにインピーダンス整合器の出力端特性解析システム |
| CN102508035A (zh) * | 2011-11-01 | 2012-06-20 | 武汉理工大学 | 一种燃料电池交流阻抗在线测试***与测控方法 |
| WO2012097540A1 (zh) * | 2011-01-20 | 2012-07-26 | 中兴通讯股份有限公司 | 一种智能自适应阻抗匹配调节的方法和装置 |
| CN102841259A (zh) * | 2012-09-24 | 2012-12-26 | 冶金自动化研究设计院 | 一种检测直流***的绝缘阻抗的装置及方法 |
| CN103825471A (zh) * | 2014-03-12 | 2014-05-28 | 河北工业大学 | 用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源 |
| CN106357149A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-01-25 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 自动阻抗匹配的超声波电路驱动器及其自动动态匹配方法 |
| CN108882108A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-11-23 | 湖南大学 | 适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配***及其匹配方法 |
| CN109596891A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-09 | 南京大学 | 一种超声换能器在线阻抗测量与动态匹配*** |
| CN210775659U (zh) * | 2019-09-30 | 2020-06-16 | 河北工业大学 | 一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器 |
-
2019
- 2019-09-30 CN CN201910939903.9A patent/CN110646673B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0058820A1 (en) * | 1981-02-19 | 1982-09-01 | The Perkin-Elmer Corporation | Radio frequency generator system |
| JP2004085446A (ja) * | 2002-08-28 | 2004-03-18 | Daihen Corp | インピーダンス整合器の出力端特性解析方法、およびインピーダンス整合器、ならびにインピーダンス整合器の出力端特性解析システム |
| WO2012097540A1 (zh) * | 2011-01-20 | 2012-07-26 | 中兴通讯股份有限公司 | 一种智能自适应阻抗匹配调节的方法和装置 |
| CN102508035A (zh) * | 2011-11-01 | 2012-06-20 | 武汉理工大学 | 一种燃料电池交流阻抗在线测试***与测控方法 |
| CN102841259A (zh) * | 2012-09-24 | 2012-12-26 | 冶金自动化研究设计院 | 一种检测直流***的绝缘阻抗的装置及方法 |
| CN103825471A (zh) * | 2014-03-12 | 2014-05-28 | 河北工业大学 | 用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源 |
| CN106357149A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-01-25 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 自动阻抗匹配的超声波电路驱动器及其自动动态匹配方法 |
| CN108882108A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-11-23 | 湖南大学 | 适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配***及其匹配方法 |
| CN109596891A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-09 | 南京大学 | 一种超声换能器在线阻抗测量与动态匹配*** |
| CN210775659U (zh) * | 2019-09-30 | 2020-06-16 | 河北工业大学 | 一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 徐春龙;胡卓蕊;田华;: "压电超声换能器电端匹配电路研究", 纺织高校基础科学学报, no. 02, 30 June 2007 (2007-06-30) * |
| 王超;黄文美;古海江;高嘉纬;李庆竖;: "具有阻抗匹配功能的磁致伸缩换能器驱动电源", 机电技术, no. 04, 30 August 2016 (2016-08-30) * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113533854A (zh) * | 2020-04-13 | 2021-10-22 | 上海交通大学 | 一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置 |
| CN113533854B (zh) * | 2020-04-13 | 2023-04-11 | 上海交通大学 | 一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置 |
| CN111504444A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-07 | 清华大学 | 超磁致伸缩超声换能器谐振频率确定装置及方法 |
| CN111504444B (zh) * | 2020-04-22 | 2021-11-05 | 清华大学 | 超磁致伸缩超声换能器谐振频率确定装置及方法 |
| CN111766552A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-13 | 河北工业大学 | 一种磁特性测量***的阻抗自动匹配装置及匹配方法 |
| CN111766552B (zh) * | 2020-07-06 | 2022-12-27 | 河北工业大学 | 一种磁特性测量***的阻抗自动匹配装置及匹配方法 |
| CN113992052A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-28 | 河北工业大学 | 一种磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置 |
| CN113992052B (zh) * | 2021-10-28 | 2023-08-18 | 河北工业大学 | 一种磁致伸缩换能器谐振频率自动追踪装置 |
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| Publication number | Publication date |
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