CN203426030U - 声波换能器匹配装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种声波换能器匹配装置，包括激励脉冲、变压器、负载以及负载补偿装置；变压器包括变压器原边以及与变压器原边相适配的变压器次边；激励脉冲与变压器原边相连；变压器次边与负载形成整体结构；激励脉冲通过负载补偿装置与变压器原边相连。本实用新型提供了一种可抑制高次谐波以及能够减小功放管负担的声波换能器匹配装置。

Description

声波换能器匹配装置

技术领域

本实用新型属于石油声波测井领域，涉及一种用于声波测井仪压电陶瓷的声波换能器匹配装置。

背景技术

声波换能器是一种能量转换器件，将电能转变为机械振动的器件，广泛用于超声波加工、诊断、清洗、超声探测等领域。声波测井井下仪器在探测过程中需要将足够大的声波信号辐射到地层中，须用高压大功率脉冲信号激励发射换能器，同时在信号源与换能器之间，还应做到阻抗匹配。

以压电陶瓷为基础的压电超声换能器（以下简称换能器）近年来在功率超声领域获得了广泛应用。换能器作为二端电--机转换元件，在其谐振频率附近呈容性，直接连接激励脉冲会使***功率因数下降，电源效率降低，应用中应串联或并联一感性元件（匹配电感）来抵消换能器的容性（静态电容），即电端匹配。良好的电端匹配可以将激励脉冲能量高效地传递给换能器。在分析电端匹配一般性原理的基础上，总结出了匹配电路的2个主要作用：①调谐；②变阻。鉴于目前匹配电感都是直接与换能器相串联或并联，并位于输出变压器次级一侧，故可将其统称为次级匹配法。在传统的次级匹配中，即使匹配电感和换能器良好匹配（呈纯阻性），功放电路的实际负载仍等效为变压器初级感抗与次级回路初级反映阻抗的串联，呈非纯阻性，因而功率因数有待进一步提高。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种可抑制高次谐波以及能够减小功放管负担的声波换能器匹配装置。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种声波换能器匹配装置，其特殊之处在于：所述声波换能器匹配装置包括激励脉冲、变压器、负载以及负载补偿装置；所述变压器包括变压器原边以及与变压器原边相适配的变压器次边；所述激励脉冲与变压器原边相连；所述变压器次边与负载形成整体结构；所述激励脉冲通过负载补偿装置与变压器原边相连。

上述负载补偿装置包括电感以及第二开关；所述激励脉冲包括正向输入端以及负向输入端；所述激励脉冲的正向输入端依次通过第二开关、电感以及变压器原边接入激励脉冲负向输入端。

上述负载补偿装置还包括第一开关以及第一电容；所述变压器原边与第一电容并联后的一端通过第一开关接入激励脉冲的正向输入端，变压器原边与第一电容并联后的另一端接入激励脉冲的负向输入端。

上述负载包括静态电容以及第一电阻；所述静态电容、第一电阻以及变压器次边依次并联。

本实用新型的优点是：

本实用新型将输出变压器和换能器作为一整体负载，由串接在变压器初级上的抗性元件对其进行匹配。若整体负载在换能器的机械谐振频率处呈感性，则匹配元件取为电容，反之采用电感。匹配元件串接入电路的目的是为了抑制高次谐波，减小功放管负担。由于初级匹配法能利用输出变压器引入的感性成分参与至换能器电端匹配过程，因此***的功率因数进一步提高。通过本实用新型专利所述装置测量可得变压器与换能器这一整体负载在谐振频率处呈容性，因此通过在变压器的初级增加匹配电感可实现共轭匹配。

附图说明

图1a是现有技术中变压器的次级串联电感匹配下次级回路示意图；

图1b是现有技术中变压器的次级并联电感匹配下次级回路示意图；

图2是是换能器机械谐振频率ωs处的换能器初级匹配示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种声波换能器匹配装置，该装置包括激励脉冲、变压器、负载以及负载补偿装置；变压器包括变压器原边以及与变压器原边相适配的变压器次边；激励脉冲与变压器原边相连；变压器次边与负载形成整体结构；激励脉冲通过负载补偿装置与变压器原边相连。

负载补偿装置包括电感以及第二开关；激励脉冲包括正向输入端以及负向输入端；激励脉冲的正向输入端依次通过第二开关、电感以及变压器原边接入激励脉冲负向输入端。

负载补偿装置还包括第一开关以及第一电容；变压器原边与第一电容并联后的一端通过第一开关接入激励脉冲的正向输入端，变压器原边与第一电容并联后的另一端接入激励脉冲的负向输入端。

负载包括静态电容以及第一电阻；静态电容、第一电阻以及变压器次边依次并联。

采用实用新型所提供的声波换能器匹配装置在进行换能匹配时，首先根据公知常识计算静态电容与变压器次边所形成整体负载的阻抗，其次将该阻抗的电抗值与数值0进行比较，若大于零，则在变压器原边并联第一电容；若小于零，则在变压器原边串联电感。

本实用新型的理论基础是：将输出变压器、匹配电感和换能器看作激励脉冲的整体负载，并设Zs和Zp经良好匹配已达到纯阻性，则该整体负载的输入阻抗Zin_s和Zin_p为：

$Z_{\mathrm{in}\_s}=\frac{{w^2}_s{M}^2{Z}_s}{Z_s^2+{w^2}_s{L}_b^2}+j\frac{w_s{Z}_s^2{L}_a}{Z_s^2+{w^2}_s{L}_b^2}+j\frac{{w^2}_s{L}_a{L}_b^2(1-k^2)}{Z_s^2+{w^2}_s{L}_b^2}$

$Z_{\mathrm{in}\_p}=\frac{{w^2}_s{M}^2{Z}_p}{Z_p^2+{w^2}_s{L}_b^2}+j\frac{w_s{Z}_p^2{L}_a}{Z_p^2+{w^2}_s{L}_b^2}+j\frac{{w^2}_s{L}_a{L}_b^2(1-k^2)}{Z_p^2+{w^2}_s{L}_b^2}$

如图1a以及图1b所示，M为La和Lb之间的互感，k为互感系数（k≤1），

上面两个式子的结果各由三项组成:第1项为纯阻性成分，第2项表示La和Lb不为无穷大所引入的感性成分，第3项为变压器因漏感而引入的感性成分。若变压器为理想，则上两式的第2项和第3项均为零，Zin_s和Zin_p呈纯阻性。一般激励脉冲的输出阻抗为纯阻性，故次级匹配法能够实现共轭匹配。但实际的变压器为非理想，以上两个式子中的虚数项总是存在的，故即使Zs和Zp呈纯阻性，Zin_s和Zin_p也不可能呈纯阻性，因此次级匹配法难以实现功放电路及其负载间的共轭匹配。

图2是换能器机械谐振频率ωs处的换能器初级匹配法示意图，由于在谐振点处L1和C1互相抵消，故未标出。图2中Zx为初级匹配元件，Zin为输出变压器和换能器的整体输入阻抗，Zr为变压器次级回路的初级反映阻抗。

$Z_{\mathrm{in}}={\mathrm{jw}}_s{L}_a+\frac{w_s^2{M}^2}{{\mathrm{jw}}_s{L}_b+R_1//C_0}=$

$\frac{{{\mathrm{xw}}^2}_s{M}^2{R}_1}{x^2{R}_1^2+{(w_s{L}_b-{\mathrm{xw}}_s{R}_1^2{C}_0)}^2}+{\mathrm{jw}}_s[L_a-\frac{{w^2}_s{M}^2(L_b-{\mathrm{xR}}_1^2{C}_0)}{x^2{R}_1^2+{(w_s{L}_b-{\mathrm{xw}}_s{R}_1^2{C}_0)}^2}]$

式中 $x=\frac{1}{1+w_s^2{R}_1^2{C}_0^2}$

当R1、C0和输出变压器等确定后，Zin的电抗性质（即感性或容性）由换能器机械谐振频率ωs决定。若Zin在ωs处呈感性，则Zx应为一容量适宜的电容，才能使作为整体负载的换能器和输出变压器在ωs处与电源功放实现共轭匹配，反之则应取一合适电感实现共轭匹配。

使用阻抗分析仪测得的压电陶瓷换能器的电参数为：谐振频率fs=38.5KHz，R1=27Ω，C1=5nF，L1=3.48mH，C0=24nF，高压脉冲变压器的参数为：La=70uH，Lb=5.4mH。在初级匹配试验中，通过本实用新型装置测量可得变压器与换能器这一整体负载在谐振频率处呈容性，因此通过在变压器的初级增加匹配电感可实现共轭匹配。本实用新型专利激发脉冲电压为116V，通过匹配网络后变压器次级的高压脉冲信号为840V，高压脉冲通过100:1的衰减器。

Claims (4)

1.一种声波换能器匹配装置，其特征在于：所述声波换能器匹配装置包括激励脉冲、变压器、负载以及负载补偿装置；所述变压器包括变压器原边以及与变压器原边相适配的变压器次边；所述激励脉冲与变压器原边相连；所述变压器次边与负载形成整体结构；所述激励脉冲通过负载补偿装置与变压器原边相连。

2.根据权利要求1所述的声波换能器匹配装置，其特征在于：所述负载补偿装置包括电感以及第二开关；所述激励脉冲包括正向输入端以及负向输入端；所述激励脉冲的正向输入端依次通过第二开关、电感以及变压器原边接入激励脉冲负向输入端。

3.根据权利要求2所述的声波换能器匹配装置，其特征在于：所述负载补偿装置还包括第一开关以及第一电容；所述变压器原边与第一电容并联后的一端通过第一开关接入激励脉冲的正向输入端，变压器原边与第一电容并联后的另一端接入激励脉冲的负向输入端。

4.根据权利要求1或2或3所述的声波换能器匹配装置，其特征在于：所述负载包括静态电容以及第一电阻；所述静态电容、第一电阻以及变压器次边依次并联。

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