超声波换能器匹配电路研究

第 2O卷第 2期 纺 织 高 校 基 础 科 学 学 报 2007年 6月 BASIC SCIENCES JOURNAL OF TEXTILE UNIVERSITIES V01．2O．No．2 June，2007 文章编号：1006-8341(2007)O2一O193一O5 压电超声换能器电端匹配电路研究 徐春龙 ，胡卓蕊 ，田 华 (1．陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安 710062；2．长安大学 理学院，陕西 西安 710064) 摘要：为了提高压电超声换能器的系统效率，保证换能器安全工作，利用换能器等效电路方法，分 析了匹配电路的调振匹配和阻抗匹配功能．提出了频率跟踪结合数字电感实现调谐匹配的方法， 并对调谐 匹配方法进行 了实验验证．以含源网络电路分析 方法为基础，从理论上证 明了实现换能 器阻抗匹配的最佳条件．实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，频率跟踪结合数字电感实现调谐匹配的方法是有效的． 关键词：压毛换能器；等效电路；调谐匹配 中图分类号：TB 559 文献标识码：A 在压电超声换能器应用中，匹配电路有很重要的作用：一是调谐匹配，即通过匹配电路调节换能器阻 抗，使换能器尽量接近纯阻状态，减少无功分量．二是阻抗匹配，即改变换能器电路的阻抗，使之与电源达 到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功率．若匹配不当，将导致换能器不能正常工作，还可能导致换能器 损坏[1 ]．所以，很多学者对匹配电路进行了较详细的研究[3 ]，主要有如下特点：在调谐匹配方面，大多数 匹配电路不考虑换能器工作中的动态变化，采用换能器空载时的静态匹配．当换能器谐振频率随着负载变 化时，匹配电路失去调谐匹配功能，导致换能器品质下降，发热等现象．鲍善惠[6]等提出锁相环频率跟踪的 方法来解决频率漂移与锁定问题实现动态匹配，但没有解决匹配电感动态变化的问题．朱武[7 等人提出了 用数字电感来实现匹配电感的动态变化，但仅考虑了换能器的夹持电容的匹配，没有考虑频率漂移的问 题．在阻抗匹配方面，大多数研究者将换能器视为纯电阻，认为只要保证换能器与电源之间的电阻相等即 可实现阻抗匹配，没有考虑换能器非纯电阻状态的阻抗匹配问题． 本文基于换能器等效电路分析方法，提出将频率跟踪与数字电感相结合的方法来实现换能器的动态 调谐匹配，并选取了自制加工换能器进行了实验，实验结果表明这种方法对换能器的动态调谐匹配行之有 效．在阻抗匹配方面，本文根据含源二端网络电路分析，分两种情况从理论上证明了阻抗匹配的最佳条件， 为进一步研究换能器匹配提出了新思路． 1 压电换能器的等效电路与动态匹配的原理 根据换能器等效电路分析方法[8]，压电换能器工作在谐振状态时的等效电路如图 1(a)所示．c0为静 态夹持电容，L。为动态电感，C。为动态电容，R 为包含负载和损耗在内的等效电阻．当换能器串联支路谐 振时，即换能器工作在串联谐振频率，J一1／(27~／L c1)时，L 与c1电抗相消，换能器等效电路变换为图 1(b)．此时将匹配电感 L串联到电路中，如图 1(c)所示，只要 L满足 L— l／[(27c )。CD]， (1) 匹配电感的电抗即可与静态夹持电容的电抗相消，换能器等效电路图变换为图 1(d)．加上匹配电感后，处 收稿 日期 ：2006—12—20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(10274046) 通讯作者 -8春龙(1972-)，男，陕西省澄城县人 ，陕西师范大学博士研究生，长安大学讲师，主要从事大功率超声方向研 究．E-mail：chunlongxu(~}stu．snnu．edu．cn 维普资讯 http://www.cqvip.com 194 纺 织 高 校 基 础 科 学 学 报 第 2O卷 在串联谐振频率上的换能器可等效为一个纯电阻元件．这是压电换能器调谐匹配的基本原理．考虑到换能 器的等效电阻R 与前段电源电阻不相等，通常利用变压器等匹配电路实现电源与换能器电阻相等来实 现换能器的阻抗匹配． (a) (b) (c) (d) 图 1 压电换能器等效电路图 图 1(c)中加入的电感 L称为匹配电感，这也是最简单的调谐匹配电路．换能器工作在其他谐振频率 (如并联谐振频率 ， )上的调谐匹配方法可用类似的等效电路变换得到，不再赘述． 换能器实际工作时，由于负载力、温度、湿度等随时变化，将导致换能器谐振频率发生漂移，换能器等 效电路不能再简化为图 1，匹配电感L也不再起到匹配电路应有的调谐匹配作用．所以匹配电路要随着换 能器谐振频率漂移而改变匹配电感大小，实现动态调谐匹配才有意义．能够实现动态调谐匹配的电路称为 动态匹配电路[g 。。．动态电路要满足两个条件：一是频率跟踪，即确定换能器频率漂移的方向及大小．二是 动态匹配电感，根据电路频率漂移带来的电压和电流的位相关系，即时调整匹配电感量，达到电压和电流 同相位，使换能器达到纯电阻状态． 2 频率跟踪与数字电感结合实现动态调谐匹配 2．1 频率跟踪调谐 匹配原理 图2是锁相环PLL(Phase～Locked Loop) 电路跟踪换能器工作频率的原理图，T，是压 电换能器．电压取样 和电流取样 经过波 形变换后送人鉴相器 PD(Phase Detector)， 由 PD给出它们的相位误差信号 ． 经过 低 通 滤 波 器 后 作 为 压 控 振 荡 器 VCO(Voltage-Controlled Oscillator)的控制 图 2 频率跟踪电路原理 电压V。．VCO的振荡频率随着 的变化而调整，而输入换能器的振荡频率由VCO来决定，所以这个电路 实现了输入换能器的信号频率根据换能器工作电流和电压的相位变化来调整的频率跟踪功能．当电流和 电压同相位时，VCO输出频率稳定，此时电路总电抗 X—X +X竹一0，换能器频率处于锁定状态．当换 能器频率漂移导致电流和电压再次不同相位时，电路启动频率跟踪，重新完成输入信号频率调整，保证换 能器处于谐振状态． 2．2 数字电感调谐匹配 频率跟踪电路能够实现换能器谐振频率跟踪功能，保证换能器工作在谐振频率上．根据调谐匹配原 理，如果匹配电路中的匹配电感 L为定值，匹配电感产生的电抗不能消除换能器频率漂移后的电抗，匹配 电路仍不能完成调谐匹配．此时需要随着谐振频率变化而即时调整的动态电感L ，根据匹配原理 L ： llE2~L ) Co ]， (2) 式中 为频率漂移后的串联谐振频率，Co 为频率漂移、温度变化后的夹持电容．由此可见，匹配电感 必须随换能器状态变化而调整电感大小．通常的匹配电感是通过改变电感铁芯的气隙间距来实现电感大 小的改变，并且气隙间距与电感量值具有非线性关系，很难实现电感变化的自动控制． 本文提出了一种改进的数字电感来实现匹配电路的动态匹配．数字电感由可调基准电感和数字 自动 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 压电超声换能器电端匹配电路研究 195 控制调节串联电感组成，给构如图 3所示．L。是基准可调电感，K。至 K。为继电式开关，对应的控制电感 量分别为 0．05，0．1，0．2，0．4，0．8，1．6和 3．2mH．当 K。至 K。对应开关闭合时，电感被短路失效，当开关 打开时，对应电感量计人总电感．继电开关由单片机 Pj口的P 一P e控制，当Pj口输出高电平时，开关 K 断开，电感量计人，当P{口输出低电平时，开关K 闭合，电感量不计入．Pi口输出数字的大小代表了匹配 电感的大小，数字电感的总电感量 L。为 6 LD— L。+L · (P ／2 )， (3) f一 0 根据匹配原理(2)式，当数字电感量L。一L 时，换能器可实现即时调谐匹配．(3)式中L～ 为数字自动控 制调节部分最大电感量，等于 6．35mH．数字 自动控制调节部分的分辨率为 0．05mH，实际电感不匹配量 为分辨率的一半即0．025mH，对一般超声换能器是完全可以接受的．匹配总电感量 LD由L。与L 来决 定，由于 L。是可调电感，所以匹配电感量比一般的数字电感具有更大的调整范围，这种改进的数字电感能 够满足更多大功率换能器的调谐匹配应用 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，具有广泛的适用性． 控制数字电感 Pi口单片机的驱动电 压由图 2中鉴相器(PD)和低通滤波器 (LF)控制．数字电感匹配电路首先需校准 才能使用．校准的方法是，通过调整基准电 感 L。和单片机起始电压，将换能器调整在 空载且谐振状态，此时需保证 Pl口信号的 P。口打开，对应电感接近最大电感 L 一 6．35mH的一半即 3．2mH．在换能器工作 中，整个数字电感量 L。可以调整的范围为 Lo一 3．2 mH 到 Lo+3．15 mH． 2．3 频率跟踪 与数字电感结合 实现调谐 匹配 根据频率跟踪与数字电 感匹配的原理，将两种动态匹 配方法相结合，来实现换能器 工作的动态调谐匹配，工作原 理如图 4所示． 选用一个 自制加工用超 声换能器来进行动态调谐匹 配实验．换能器串联谐振频率 图 3 数字电感原理图 一 19．51kHz，理论串联匹 图4 频率跟踪与数字电感结合调谐匹配框图 配电感 L一6．45mH，静态夹持电容Co一10．31nF．数字电感基准电感L。可调范围为0～45mH，单片机 控制数字电感调整范围为0～ 6．35mH，数字电感可满足该换能器调谐匹配需求． 实验首先进行基准校准．将压控振荡器调整在 19．51kHz，调整数字电感的基准电感 Lo，使单片机输 出信号为40H，即P6继电器打开，其余均闭合，直到来自于低通滤波器的调整信号为零． 改变换能器的负载，分别加上不同重量的等效负载，用数字示波器检测换能器工作频率，记录单片机 输出信号，观察换能器振动状态及发热情况．实验数据见表 1． 表 1 频率跟踪与数字电感结合调谐匹配实验数据 等 载 舢 输出 振动状态 发热情况 等效负载 谐振频率 Pi口输出 振动状态 发热情况 ／k g ／kHz ‘。H’哪 上| ，u ’ ‘厅 。 0 19．51 40H 良好 不发热 9 19．35 35H 良好 微热 3 19．36 4CH 良好 不发热 12 19．37 2CH 良好 微热 6 19．31 5AH 良好 不发热 15 19．36 25H 良好 微热 维普资讯 http://www.cqvip.com 196 纺 织 高 校 基 础 科 学 学 报 第 2O卷 从表1数据中可以看出，当换能器负载变化时，换能器谐振频率发生了漂移，压控振荡器 VCO能自动 调整输入换能器的信号频率．数字电感会随着工作频率的变化自动调整匹配电感的大小，换能器始终处在 较好的谐振状态，发热情况控制良好．实验结果验证这种结合频率跟踪和数字电感的调谐匹配电路行之有 效． 3 阻抗匹配的电路分析 换能器匹配电路还需进行阻抗匹配以保证电源的能量最大可能地传递给换能器．本文将换能器和超 声频电源看成一个含源二端网络，通过电路分析得到在不同条件下的最佳的阻抗匹配条件． 3．1 换能器等效含源二端网络 将超声频电源与换能器的连接电路等效为一个含源二端网络的等效电路图如图 5所示．超声频电源 由等效电压源UJ和内阻R，组成，含源二端网络电源端等效阻抗 一R +jX ．将换能器视为含源二端网 络的负载端，等效负载阻抗 Zf=R +jXt． 3．2 最佳阻抗 匹配条件 根据换能器工作的实际情况，以下分两种情况来讨论换能器获得电源最大功率的条件． 3．2．1 换能器达到完全动态调谐状态 当换能器能达到动态调谐匹配 时，换能器可视为纯电阻负载．由图5可知，换能器 Zf变化时，电路中电流 有效值为J=UJ／ 二。Rf) (X + )。．换能器获得的功率为P 一 Rz·J。一R ／[(R +R )。+(墨 +Xt)。]． 换能器处在调谐匹配状态，且电源内阻为纯电阻，显然有 Xt—K 一 0，换能器获得的电功为P 一R U~／(R +R )。．令 Pf对R 的导数为零求P 极大值 dPz dRz (R +Rz)。一2(R +Rz)Rz (R + Rz) 一 一 0． (4) 图 5 含源二端网络电路图 由此可得 Rz—R ． (5) 这个最佳阻抗匹配应用条件为，换能器处于谐振状态且与调谐匹配电路完全匹配而且换能器可视为 纯电阻元件．换能器要从电源得到最大的功率，须满足换能器等效电阻与电源内阻相等． 此时，电路传输功率的效率为，7—12R ／(I。R，+12R，)100 一50 ．显然，电源的电能只有5O 传递 给了换能器，传输的效率还不高．另外，换能器工作时的等效电阻会随着负载的变化不断变化，要满足(5) 式的条件，还需要开发具有阻抗自适应的超声频电源． 3．2．2 非纯电阻电路匹配 如果换能器没有达到调谐匹配，而且 f Zf f可变，但电压与电流相角 固定 时．阻抗匹配满足的条件不同于以上结论． 假设 换 能 器 的 等 效 阻 抗 为 Zz—I Zf I cos~p+ j I Zf f sin(p，电路 中 的 电 流 为 J= U (R +I Zz I cos9)+j(x +I Zf I simp) ，换能器得到的功率为 cos 9) sinqD ， (6) ‘ (R +I Z I +(X +I Z I ’ 求(6)式对 f Zf f的导数来计算换能器获得电功率极大值的条件．令 丁 =0可得 f Zf f。一R + ， d l ￡ l 即 {Zf{一 +X ． (7) 在这种情况下，换能器获得最大电功率的条件是：换能器阻抗的模与电源内阻的模相等．当电源内阻 是纯电阻时，即 I z I—R ，最大传输功率条件是R 一I Zf I一 ~／盯 ，与前一种情况得到的最佳阻抗 匹配结果 R 一R 不同． ‘ 当电源内阻为非纯电阻时，即 一R 一 X ，通过计算可得到含源二端网络实现最大传输功率的条件 为负载阻抗等于电源内阻抗的共轭，即Zf一 ． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 压电超声换能器电端匹配电路研究 l97 以上阻抗匹配结论说明，换能器在不同工作状态下应考虑不同的阻抗匹配方式．当换能器能达到动态 调谐匹配时，最佳阻抗匹配条件为R 一 R，；当不能实现动态调谐匹配时，最佳阻抗匹配条件为 I ZI I一 礓 或者Z 一z ． 4 结 论 本文以等效电路和含源二端网络电路分析方法分析了压电超声换能器匹配电路的调谐匹配和阻抗匹 配 ，得到了以下结论． (1)调谐 匹配：提 出频率跟踪结合数字电感实现换能器动态调谐匹配的新方法，选用 自制加工换能器 进行了实验．实验中，匹配电路能够完成频率跟踪，数字电感能实现动态匹配，在不同负载下换能器均能处 在良好的谐振状态，换能器发热得到了明显改善，结果表明这种方法能够实现压电超声换能器的动态调谐 匹 配． (2)阻抗匹配：换能器匹配电路能达到动态调谐匹配时，换能器可以视为纯电阻元件，匹配电路的最 佳阻抗匹配条件为 R 一 R，；换能器不能实现动态调谐匹配时，换能器最佳阻抗匹配条件为 I ZI I一 ~／R；+x；或者Z 一z ，要实现阻抗完全动态匹配，需要具有阻抗输出自适应的超声频电源． 参考文献： [1] 林书玉．功率超声技术的研究现状及其最新进展[J]．陕西师范大学学报：自然科学版 ，2001，29(1)：101—106． [2] SHEAR M D，FOSTER F S．The design and fabrication of high frequency poly transducers[J]．Ultrasonic，1989，26 (3)：59—64． [3] COATS R，MATHAMS R F．Design of matching networks for acoustic transducers[J]．Ultrasonic，1988，23(3)：59— 64． [4] 林书玉．压电换能器电端匹配电路及其分析[J]．压电与声光，1992，14(4)：29—32． [5] 鲍善惠．压电换能器的动态匹配[J]．应用声学，1998，17(2)；16—20． [63 鲍善惠．用锁相环电路跟踪压电换能器并联谐振频率区[J]．应用声学 ，2001，20(3)：1-5． [7] 朱武 ，张佳民，金长善，等．基于数字电感的压电换能器动态匹配研究[J]．应用声学，2000，19(2)：3I-34． [8] 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effective． Key words：piez0electricity transducer；equivalent circuit；resonance matching 编辑：黄燕萍；校对：田 莉 维普资讯 http://www.cqvip.com