CN108686916B - 一种超声波信号发生器的分段智能扫频方法 - Google Patents

一种超声波信号发生器的分段智能扫频方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声波信号发生器的分段智能扫频方法，用于连接有N个超声波换能器的超声波信号发生器，N为大于等于2的自然数，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、参数预设置阶段，设置如下参数：扫频起始频率fstart、终止频率fstop、扫频间隔fstep、预扫次数Ninit、相对频率差RFD和相对频率步距RFS；步骤2、初始化预扫描阶段，同时检测与之连接的N个超声波换能器的固有振动频率，并将N个超声波换能器的固有振动频率进行递增排序；步骤3、智能扫频阶段，根据相邻固有频率fi与fi+1之间的相对频率差进行跳跃式或线性频率扫描。与现有技术相比，本发明的优点在于：能对多个换能器依次实现频率匹配驱动，解决了超声波信号发生器同时驱动多个换能器的频率失配问题。

Description

一种超声波信号发生器的分段智能扫频方法
技术领域
本发明涉及一种超声波信号发生器的分段智能扫频方法。
背景技术
现有的超声波信号发生器基本上可以分为固定频率驱动的超声波信号发生器和智能频率跟踪的超声波信号发生器两大类。固定频率驱动的超声波信号发生器，根据预知的换能器特性参数设置超声波信号发生器的相应参数，使其产生某一固定频率的驱动信号以驱动换能器输出较大的超声功率或输出固定频率的超声波。智能频率跟踪的超声波信号发生器，能够检测换能器的实时工作状态参数，自适应地调整驱动信号的频率以跟踪换能器固有频率的变化，从而实现始终驱动换能器输出最大的超声功率。
现有的超声换能器大多采用压电陶瓷制作，由于材料的细微区别和加工工艺的不完全一致性，即使是同一批次生产的超声波换能器其固有振动频率也会有比较明显的差异，而且在实际使用过程中其固有振动频率还会随着工况的变化而发生漂移。对于固定频率驱动的超声波信号发生器，当其工作参数设置完成之后，其驱动频率就固定不变，不能灵活适应各个换能器的振动频率。对于智能频率跟踪的超声波信号发生器，虽然其输出驱动信号的频率可以智能地跟踪超声波换能器固有频率的变化而变化，但其智能跟踪方案是按跟踪一个换能器的特性指标来进行设计的，不能满足同时跟踪驱动多个超声波换能器的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种能同时驱动多个超声波换能器的超声波信号发生器的分段智能扫频方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超声波信号发生器的分段智能扫频方法，用于连接有N个超声波换能器的超声波信号发生器，N为大于等于2的自然数，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、参数预设置阶段，设置如下参数：扫频起始频率fstart、终止频率fstop、扫频间隔fstep、预扫次数Ninit、相对频率差RFD和相对频率步距RFS；
步骤2、初始化预扫描阶段，超声波信号发生器在进行初始化预扫描阶段的同时，检测与之连接的N个超声波换能器的固有振动频率，并将N个超声波换能器的固有振动频率进行递增排序，分别记为f1、f2、f3、…、fN-1、fN，初始化预扫描阶段包括如下步骤：
步骤2-1、进行线性频率预扫描：超声波信号发生器输出的驱动频率由扫频起始频率fstart开始，每隔固定的时间间隔依次增加扫频间隔fstep，直至超声波信号发生器输出的驱动频率增至终止频率fstop；
步骤2-2、重复步骤步骤2-1Ninit次，预扫次数Ninit为大于等于1的自然数；
步骤3、智能扫频阶段，将起始频率fstart赋值为(1-RFD)×f1，将终止频率fstop赋值为(1+RFD)×fN，扫频间隔fstep初始值保持不变，其中RFD为预设的相对频率差；设超声波信号发生器当前输出的驱动频率为fcur，fcur的初始值等于起始频率fstart＝(1-RFD)×f1；智能扫频阶段具体包括如下步骤：
步骤3-1、判断fcur是否大于fstop：如是，本次智能扫频结束；如否，进入步骤3-2；
步骤3-2、判断是否大于预设的相对频率差RFD：如是，进入步骤3-3；如否，进入步骤3-6，其中i＝1、2、3、…、N，i的初始值为1；
步骤3-3、判断fcur是否大于fi+1：如是，将i的取值加1，然后返回步骤3-3；如否，进入步骤3-4；
步骤3-4、判断是否小于预设的相对频率差RFD：如是，进入步骤3-5；如否，进入步骤3-7；
步骤3-5、将i的取值加1，将扫频间隔fstep赋值为RFS*fi，其中RFS为预设的相对频率步距，然后进入步骤3-6；
步骤3-6、将超声波信号发生器当前输出的驱动频率fcur赋值为fcur加上扫频间隔fstep，然后返回步骤3-1；
步骤3-7、判断fcur是否大于(1+RFD)×fi：如是，进入步骤3-8；如否，进入步骤3-6；
步骤3-8、将i的取值加1，将超声波信号发生器当前输出的驱动频率为fcur赋值为(1-RFD)×fi，然后返回步骤3-1。
作为改进，所述智能扫频阶段还包括步骤3-9、重复步骤3-1至步骤3-8X次，X的取值为大于等于1的自然数。
再改进，超声波信号发生器在执行步骤3的同时，再次检测与之连接的N个超声波换能器的固有振动频率，并将N个超声波换能器的固有振动频率进行更新，将更新后的N个固有振动频率再进行递增排序，分别记为f1、f2、f3、…、fN-1、fN，然后反复执行步骤3；通过对换能器固有振动频率的实时更新，可以轮序的方式实时动态自适应地依次使各个超声波换能器进入频率匹配共振状态，从而输出更大的超声功率，提高换能器组的超声波输出总功率。
所述参数预设置阶段中需要设置的参数可以从超声波信号发生器的存储单元中直接读取，也可以由用户自由设置。
作为优选，预设的相对频率差RFD的推荐取值范围为0.2％～1.5％；预设的相对频率步距RFS的推荐取值范围为0.02％～0.1％。
作为上述实施例的一种简化，在扫频过程中也可保持扫频间隔fstep取值不变。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在智能扫频阶段根据N个超声波换能器两个相邻的固有振动频率之差，进行分段频率扫描，从而依次对多个换能器实现频率匹配驱动，解决了超声波信号发生器同时驱动多个换能器的频率失配问题。
附图说明
图1为本发明实施例中智能扫频阶段的流程图。
图2为本发明实施例中智能扫频阶段超声波信号发生器输出的驱动频率变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种超声波信号发生器的智能扫频方法，用于连接有N个超声波换能器的超声波信号发生器，N为大于等于2的自然数，其包括如下步骤：
步骤1、参数预设置阶段，设置如下参数：扫频起始频率fstart、终止频率fstop、扫频间隔fstep、预扫次数Ninit、相对频率差RFD和相对频率步距RFS；上述参数可以直接从超声波信号发生器的存储单元中直接读取，也可以由用户自由设置；
步骤2、初始化预扫描阶段，超声波信号发生器在进行初始化预扫描的同时，检测与之连接的N个超声波换能器的固有振动频率，并将N个超声波换能器的固有振动频率进行递增排序，分别记为f1、f2、f3、…、fN-1、fN，初始化预扫描阶段包括如下步骤：
步骤2-1、进行线性频率预扫描：超声波信号发生器输出的驱动频率由扫频起始频率fstart开始，每隔固定的时间间隔依次增加扫频间隔fstep，直至超声波信号发生器输出的驱动频率增至终止频率fstop；
步骤2-2、重复步骤步骤2-1Ninit次，预扫次数Ninit为大于等于1的自然数；
步骤3、智能扫频阶段，将起始频率fstart赋值为(1-RFD)×f1，将终止频率fstop赋值为(1+RFD)×fN，扫频间隔fstep保持为初始值不变，其中RFD为预设的相对频率差，相对频率差RFD的推荐取值范围为0.2％～1.5％，优选为0.5％；设超声波信号发生器当前输出的驱动频率为fcur，fcur的初始值等于起始频率fstart＝(1-RFD)×f1；智能扫频阶段具体包括如下步骤：
步骤3-1、判断fcur是否大于fstop：如是，本次智能扫频结束；如否，进入步骤3-2；
步骤3-2、判断是否大于预设的相对频率差RFD：如是，进入步骤3-3；如否，进入步骤3-6，其中i＝1、2、3、…、N，i的初始值为1；
步骤3-3、判断fcur是否大于fi+1：如是，将i的取值加1，然后返回步骤3-3；如否，进入步骤3-4；
步骤3-4、判断是否小于预设的相对频率差RFD：如是，进入步骤3-5；如否，进入步骤3-7；
步骤3-5、将i的取值加1，将扫频间隔fstep赋值为RFS*fi，其中RFS为预设的相对频率步距，预设的相对频率步距RFS的推荐取值范围为0.01％～0.2％，优选为0.05％；然后进入步骤3-6；
步骤3-6、将超声波信号发生器当前输出的驱动频率fcur赋值为fcur加上扫频间隔fstep，然后返回步骤3-1；
步骤3-7、判断fcur是否大于(1+RFD)×fi：如是，进入步骤3-8；如否，进入步骤3-6；
步骤3-8、将i的取值加1，将超声波信号发生器当前输出的驱动频率fcur赋值为(1-RFD)×fi，然后返回步骤3-1。
附图2为采用本发明提供的方法进行智能扫频后，超声波信号发生器输出的驱动频率变化曲线图。为了保持智能扫频阶段的稳定性，所述智能扫频阶段还包括步骤3-9、重复步骤3-1至步骤3-8X次，X的取值为大于等于1的自然数。
超声波信号发生器在执行步骤3的同时，再次检测与之连接的N个超声波换能器的固有振动频率，并将N个超声波换能器的固有振动频率进行更新，将更新后的N个固有振动频率再进行递增排序，分别记为f1、f2、f3、…、fN-1、fN，然后反复执行步骤3。
通过对N个换能器固有振动频率的实时更新，可以轮序的方式实时动态自适应地依次使各个超声波换能器进入频率匹配共振状态，从而输出更大的超声功率，提高换能器组的超声波输出总功率。
应用本发明的超声波信号发生器，不需要更改其现有的硬件设计，只需进行相应的软件修改即可实现，降低了产品升级成本。通过输出频率扫描驱动信号，以轮序的方式依次使各个超声波换能器进入频率匹配共振状态，从而输出更大的超声功率，可以提高换能器组的超声波输出总功率，提高电-声转换效率。

Claims (5)

1.一种超声波信号发生器的分段智能扫频方法，用于连接有N个超声波换能器的超声波信号发生器，N为大于等于2的自然数，其特征在于：包括如下步骤
步骤1、参数预设置阶段，设置如下参数：扫频起始频率fstart、终止频率fstop、扫频间隔fstep、预扫次数Ninit、相对频率差RFD和相对频率步距RFS；
步骤2、初始化预扫描阶段，超声波信号发生器在进行初始化预扫描的同时，检测与之连接的N个超声波换能器的固有振动频率，并将N个超声波换能器的固有振动频率进行递增排序，分别记为f1、f2、f3、…、fN-1、fN，初始化预扫描阶段包括如下步骤：
步骤2-1、进行线性频率预扫描：超声波信号发生器输出的驱动频率由扫频起始频率fstart开始，每隔固定的时间间隔依次增加扫频间隔fstep，直至超声波信号发生器输出的驱动频率增至终止频率fstop；
步骤2-2、重复步骤步骤2-1Ninit次，预扫次数Ninit为大于等于1的自然数；
步骤3、智能扫频阶段，将起始频率fstart赋值为(1-RFD)×f1，将终止频率fstop赋值为(1+RFD)×fN，扫频间隔fstep保持为初始值不变，其中RFD为预设的相对频率差；设超声波信号发生器当前输出的驱动频率为fcur，fcur的初始值等于起始频率fstart＝(1-RFD)×f1；智能扫频阶段具体包括如下步骤：
步骤3-1、判断fcur是否大于fstop：如是，本次智能扫频结束；如否，进入步骤3-2；
步骤3-2、判断是否大于预设的相对频率差RFD：如是，进入步骤3-3；如否，进入步骤3-6，其中i＝1、2、3、…、N，i的初始值为1；
步骤3-3、判断fcur是否大于fi+1：如是，将i的取值加1，然后返回步骤3-3；如否，进入步骤3-4；
步骤3-4、判断是否小于预设的相对频率差RFD：如是，进入步骤3-5；如否，进入步骤3-7；
步骤3-5、将i的取值加1，将扫频间隔fstep赋值为RFS*fi，其中RFS为预设的相对频率步距，然后进入步骤3-6；
步骤3-6、将超声波信号发生器当前输出的驱动频率fcur赋值为fcur加上扫频间隔fstep，然后返回步骤3-1；
步骤3-7、判断fcur是否大于(1+RFD)×fi：如是，进入步骤3-8；如否，进入步骤3-6；
步骤3-8、将i的取值加1，将超声波信号发生器当前输出的驱动频率fcur赋值为(1-RFD)×fi，然后返回步骤3-1。
2.根据权利要求1所述的超声波信号发生器的分段智能扫频方法，其特征在于：所述智能扫频阶段还包括步骤3-9、重复步骤3-1至步骤3-8X次，X的取值为大于等于1的自然数。
3.根据权利要求1或2所述的超声波信号发生器的分段智能扫频方法，其特征在于：超声波信号发生器在执行步骤3的同时，再次检测与之连接的N个超声波换能器的固有振动频率，并将N个超声波换能器的固有振动频率进行更新，将更新后的N个固有振动频率再进行递增排序，分别记为f1、f2、f3、…、fN-1、fN，然后反复执行步骤3。
4.根据权利要求1所述的超声波信号发生器的分段智能扫频方法，其特征在于：参数预设置阶段中需要设置的参数从超声波信号发生器的存储单元中直接读取，或由用户设置。
5.根据权利要求1所述的超声波信号发生器的分段智能扫频方法，其特征在于：预设的相对频率差RFD的推荐取值范围为0.2％～1.5％；预设的相对频率步距RFS的推荐取值范围为0.01％～0.2％。
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