CN109883537A - 基于直流电流确定谐振频率的超声换能器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于直流电流确定谐振频率的超声换能器及其方法，包括：所述整流电路，其输入端与市电连接，用于将市电转换成直流电并输出电源转换电路；所述电源转换电路，其输入端与整流电路连接，用于将整流电路输出的直流电转换成超声换能器所需交流电，并输出至超声换能器；所述电流采样电路，其输入端连接于整流电路的输出端，用于对整流电路输出的直流信号进行采样，并将电流采样值输出至主控电路；所述主控电路，用于接收电流采样电路输出的电流采样值，并根据电流采样值最大值确定出超声换能器的谐振频率；能够准确确保超声换能器系统工作在谐振频率上。

Description

基于直流电流确定谐振频率的超声换能器及其方法

技术领域

本发明涉及一种医疗设备系统，尤其涉及一种基于直流电流确定谐振频率的超声换能器及其方法。

背景技术

超声换能器是一种可将输入的电能转换成机械能(即超声波)再传递出去的能量转换器件。现有的超声外科手术设备中，超声换能器产生的超声信号传递到执行部件(例如超声刀片等)，以通过执行部件对病患部位或人体组织进行切割，其具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等特点，且在切割的同时能够对切割周围组织具有凝闭的作用，不会引起组织干燥、灼伤等副作用。

但是，在工作过程中，超声换能器需要工作在谐振频率上，才能确保超声换能器在电能转换成机械能的过程中效率最大。现有技术中，为了找到超声换能器的谐振频率，通常采用以下方式：在超声换能器的输入端采用电流互感器对输入超声换能器的交流电进行采集，然后经过放大电路，整流电路，求平均值的方式，然后根据平均值在设定的频率范围内找到谐振频率，这种方式整个电路结构复杂，元器件较多，造成成本高，而且，由于电路结构的复杂性以及元器件在工作过程中的温度特性，造成结果不准确。

因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于直流电流确定谐振频率的超声换能器及其方法，能够快速且准确地确定出超声换能器的谐振频率，并且能够确保超声换能器系统工作在谐振频率上，而且不需要复杂的电路检测结构，有效降低生产以及测试成本，而且准确性高。

本发明提供的一种基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，包括整流电路、电流采样电路、主控电路、电源转换电路以及超声换能器；

所述整流电路，其输入端与市电连接，用于将市电转换成直流电并输出电源转换电路；

所述电源转换电路，其输入端与整流电路连接，用于将整流电路输出的直流电转换成超声换能器所需交流电，并输出至超声换能器；

所述电流采样电路，其输入端连接于整流电路的输出端，用于对整流电路输出的直流信号进行采样，并将电流采样值输出至主控电路；

所述主控电路，用于接收电流采样电路输出的电流采样值，并根据电流采样值的最大值确定出超声换能器的谐振频率，并根据谐振频率向电源转换电路输出频率与谐振频率对应的PWM控制信号，控制电源转换电路输出的交流信号的频率值处于超声外科手术设备的超声换能器的谐振频率。

进一步，所述电源转换电路包括BUCK电路、逆变器和电感调谐电路；

所述BUCK电路，其输入端与整流电路的输出端连接，其控制输入端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比可调的PWM控制信号，根据该PWM控制信号将整流电流输出的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；

所述逆变器，其输入端与BUCK电路的输出端连接，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比和频率均可调的PWM控制信号，并将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至电感调谐电路；

所述电感调谐电路，其输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行调谐处理，并将调谐处理后的交流电输出至超声换能器。

进一步，所述电源转换电路还包括变压器，所述变压器的输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行变压处理，并将变压处理后的交流电输出至电感调谐电路。

进一步，还包括输出采样电路，所述输出采样电路的输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的相位信号并将该相位信号输出至主控电路，主控电路根据该相位信号调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率和占空比，进而控制电源转换电路输出的交流电处于超声换能器的谐振频率。

进一步，所述输出采样电路包括差动信号采样电路、比例信号采样电路以及相位检测电路；

所述差动信号采样电路，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压信号，并向相位检测电路输出差动采样信号；

所述比例信号采样电路，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压信号，并向相位检测电路输出比例采样信号；

所述相位检测电路，用于接收差动采样信号和比例采样信号，并根据差动采样信号和比例采样信号检测出电感调谐电路输出的交流电的相位值并输出至主控电路。

进一步，所述差动采样电路包括差动放大器和带通滤波器Ⅱ；

所述差动放大器，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压并进行差动放大，并将差动放大后的电压信号输出至带通滤波器Ⅱ中；

所述带通滤波器Ⅱ，其输入端与差动放大器的输出端连接，用于对差动放大后的电压信号进行带通滤波处理形成差动采样信号，并将差动采样信号输出至相位检测电路中。

进一步，所述比例采样电路包括比例放大器和带通滤波器Ⅰ；

所述比例放大器，，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压并进行比例放大，并将比例放大后的电压信号输出至带通滤波器Ⅰ中；

所述带通滤波器Ⅰ，其输入端与比例放大器的输出端连接，用于对比例放大后的电压信号进行带通滤波处理形成比例采样信号，并将比例采样信号输出至相位检测电路中。

进一步，所述逆变器为高频逆变器。

进一步，所述变压器为高频变压器。

相应地，本发明还提供了一种基于直流电流确定超声换能器谐振频率的方法，包括如下步骤：

S1.采用整流电路将市电整流成直流电；

S2.将整流电路输出的直流电输入至BUCK电路中进行直流转换处理并将处理后的直流电输出至逆变器中；

S3.由逆变器将BUCK电路输出的直流电进行逆变处理并转换成交流电，并通过电感调谐电路对逆变器输出的交流电进行调谐处理后输出至超声换能器中；

S4.采用主控电路向BUCK电路输出PWM控制信号，该控制信号的频率不变但占空比可调，主控电路向逆变器输出PWM控制信号，该控制信号的频率和占空比均可调；主控电路在预设时间范围和预设的频率范围[f1,f2]内，按照设定步进频率从频率范围[f1,f2]的下限频率点f1至上限频率点f2输出相应的PWM控制信号至逆变器中；

S5.在所述预设时间范围内采集整流电路输出的直流电的电流值，找到所述预设时间范围内的最大电流值所对应的PWM控制信号的频率，该频率即为超声换能器的谐振频率。

本发明的有益效果：通过本发明，能够快速且准确地确定出超声换能器的谐振频率，并且能够确保超声换能器系统工作在谐振频率上，而且不需要复杂的电路检测结构，有效降低生产以及测试成本，而且由于电子元件的减少，从而也降低了电子元件温度特性的影响，从而能够有效确保结果的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的具体实施例结构示意图。

图3为本发明的电流采样电路原理图。

图4为现有技术的电流采样电路的原理图。

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明，如图所示：

本发明提供的一种基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，包括整流电路、电流采样电路、主控电路、电源转换电路以及超声换能器；

所述整流电路，其输入端与市电连接，用于将市电转换成直流电并输出电源转换电路；

所述电源转换电路，其输入端与整流电路连接，用于将整流电路输出的直流电转换成超声换能器所需交流电，并输出至超声换能器；

所述电流采样电路，其输入端连接于整流电路的输出端，用于对整流电路输出的直流信号进行采样，并将电流采样值输出至主控电路；

所述主控电路，用于接收电流采样电路输出的电流采样值，并根据电流采样值确定出超声换能器的谐振频率，并根据谐振频率向电源转换电路输出频率与谐振频率对应的PWM控制信号，控制电源转换电路输出的交流信号的频率值处于超声外科手术设备的超声换能器的谐振频率；通过本发明，能够快速且准确地确定出超声换能器的谐振频率，并且能够确保超声换能器系统工作在谐振频率上，而且不需要复杂的电路检测结构，有效降低生产以及测试成本，而且由于电子元件的减少，从而也降低了电子元件温度特性的影响，从而能够有效确保结果的准确性，具体地，图3为本发明的电流采样电路原理图，图3中采用运放U1A组成一个同相放大电路，由运放U1B组成一个积分电路，然后通过U1B的后续电路进行滤波处理，从而对整流电路的直流进行采样，获得采样电流值；图4为现有的用于采集输入到超声换能器的电流采样电路原理图，图4中的采样电路通过U2A进行放大处理，然后通过积分电路U2B进行处理，U2D为U2C提供一个电压信号叠加，然后通过U2C进行放大处理后，形成一个平均电流值；通过图3和图4的对比可以看出，在本发明的电流采样电路中，本发明的电流采样电路只需要将相应的采样信号进行放大处理即可，而现有的电流采样电路中，结构复杂，需要对电流采样值求平均值然后输出平均值信号才能够实现最终目的，因此，相对于采用现有的方式来说，本发明的电流采样电路的结构就已经大大简化，而且还不需要其他辅助电路。

本实施例中，所述电源转换电路包括BUCK电路、逆变器和电感调谐电路；

所述BUCK电路，其输入端与整流电路的输出端连接，其控制输入端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比可调的PWM控制信号，根据该PWM控制信号将整流电流输出的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；

所述逆变器，其输入端与BUCK电路的输出端连接，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比和频率均可调的PWM控制信号，并将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至电感调谐电路；其中，逆变器采用现有的高频逆变器；

所述电感调谐电路，其输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行调谐处理，并将调谐处理后的交流电输出至超声换能器；其中，BUCK电路和电感调谐电路均采用现有结构，在此不加以赘述，通过上述结构，一方面能够保证供电的稳定性，另一方面，能够确保超声换能器获得处于谐振频率的交流电，进而保证利用超声换能器的医疗设备的工作稳定性。

本实施例中，所述电源转换电路还包括变压器，所述变压器的输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行变压处理，并将变压处理后的交流电输出至电感调谐电路，其中，变压器采用现有的高频变压器，通过上述结构，能够对逆变器输出的交流进行进一步的调压处理，从而确保输入至超声换能器的交流电电压的稳定性。

本实施例中，还包括输出采样电路，所述输出采样电路的输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的相位信号并将该相位信号输出至主控电路，主控电路根据该相位信号调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率和占空比，进而控制电源转换电路输出的交流电处于超声换能器的谐振频率。

本实施例中，所述输出采样电路包括差动信号采样电路、比例信号采样电路以及相位检测电路；

所述差动信号采样电路，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压信号，并向相位检测电路输出差动采样信号；

所述比例信号采样电路，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压信号，并向相位检测电路输出比例采样信号；

所述相位检测电路，用于接收差动采样信号和比例采样信号，并根据差动采样信号和比例采样信号检测出电感调谐电路输出的交流电的相位值并输出至主控电路。

具体地：

所述差动采样电路包括差动放大器和带通滤波器Ⅱ；

所述差动放大器，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压并进行差动放大，并将差动放大后的电压信号输出至带通滤波器Ⅱ中；

所述带通滤波器Ⅱ，其输入端与差动放大器的输出端连接，用于对差动放大后的电压信号进行带通滤波处理形成差动采样信号，并将差动采样信号输出至相位检测电路中。

所述比例采样电路包括比例放大器和带通滤波器Ⅰ；

所述比例放大器，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压并进行比例放大，并将比例放大后的电压信号输出至带通滤波器Ⅰ中；

所述带通滤波器Ⅰ，其输入端与比例放大器的输出端连接，用于对比例放大后的电压信号进行带通滤波处理形成比例采样信号，并将比例采样信号输出至相位检测电路中；在超声换能器刚开始工作时，由于通过本发明确定出超声换能器的谐振频率，但是，超声换能器在工作过程中，由于元件的温度漂移等因素的影响，会使超声换能器的输入交流电的频率偏移谐振点，通过上述结构，通过对电感调谐电路输出的交流电的相位进行采样，然后由主控电路根据相位信号调整PWM控制信号，从而形成了对超声换能器输入交流电的频率跟踪，从而确保在工作过程中使输入到超声换能器的交流电的频率始终保持在超声换能器的谐振频率点。

相应地，本发明还提供了一种基于直流电流确定超声换能器谐振频率的方法，包括如下步骤：

S1.采用整流电路将市电整流成直流电；

S2.将整流电路输出的直流电输入至BUCK电路中进行直流转换处理并将处理后的直流电输出至逆变器中；

S3.由逆变器将BUCK电路输出的直流电进行逆变处理并转换成交流电，并通过电感调谐电路对逆变器输出的交流电进行调谐处理后输出至超声换能器中；

S4.采用主控电路向BUCK电路输出PWM控制信号，该控制信号的频率不变但占空比可调，主控电路向逆变器输出PWM控制信号，该控制信号的频率和占空比均可调；主控电路在预设时间范围和预设的频率范围[f1,f2]内，按照设定步进频率从频率范围[f1,f2]的下限频率点f1至上限频率点f2输出相应的PWM控制信号至逆变器中；这一过程中，如设定步进频率为F，初始时，主控电路输出至逆变器的PWM控制信号的频率为f1,那么主控电路第二次输出的PWM控制信号的频率就为f1+F，第三次输出至逆变器的PWM控制信号的频率则为f1+2F，直至最后一次输出至逆变器的PWM控制信号的频率为f2；

S5.在所述预设时间范围内采集整流电路输出的直流电的电流值，找到所述预设时间范围内的最大电流值所对应的PWM控制信号的频率，该频率即为超声换能器的谐振频率，当确定出谐振频率后主控电路输出频率与超声换能器的谐振频率相对应的PWM控制信号至逆变器中，从而控制逆变器输出频率处于超声换能器的谐振频率点的交流电。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：包括整流电路、电流采样电路、主控电路、电源转换电路以及超声换能器；

所述整流电路，其输入端与市电连接，用于将市电转换成直流电并输出电源转换电路；

所述电源转换电路，其输入端与整流电路连接，用于将整流电路输出的直流电转换成超声换能器所需交流电，并输出至超声换能器；

所述电流采样电路，其输入端连接于整流电路的输出端，用于对整流电路输出的直流信号进行采样，并将电流采样值输出至主控电路；

所述主控电路，用于接收电流采样电路输出的电流采样值，并根据电流采样值的最大值确定出超声换能器的谐振频率，并根据谐振频率向电源转换电路输出PWM控制信号，控制电源转换电路输出的交流信号的频率值处于超声换能器的谐振频率。

2.根据权利要求1所述基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：所述电源转换电路包括BUCK电路、逆变器和电感调谐电路；

所述BUCK电路，其输入端与整流电路的输出端连接，其控制输入端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比可调的PWM控制信号，根据该PWM控制信号将整流电流输出的直流电进行DC-DC转换，输出功率可调的直流电至逆变器；

所述逆变器，其输入端与BUCK电路的输出端连接，其控制端与主控电路连接，用于接收主控电路输出的占空比和频率均可调的PWM控制信号，并将BUCK电路输出的直流电转换成交流电并输出至电感调谐电路；

所述电感调谐电路，其输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行调谐处理，并将调谐处理后的交流电输出至超声换能器。

3.根据权利要求2所述基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：所述电源转换电路还包括变压器，所述变压器的输入端与逆变器的输出端连接，用于将逆变器输出的交流电进行变压处理，并将变压处理后的交流电输出至电感调谐电路。

4.根据权利要求2所述基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：还包括输出采样电路，所述输出采样电路的输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的相位信号并将该相位信号输出至主控电路，主控电路根据该相位信号调整输出至逆变器的PWM控制信号的频率和占空比，进而控制电源转换电路输出的交流电处于超声换能器的谐振频率。

5.根据权利要求4所述基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：所述输出采样电路包括差动信号采样电路、比例信号采样电路以及相位检测电路；

所述差动信号采样电路，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压信号，并向相位检测电路输出差动采样信号；

所述比例信号采样电路，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压信号，并向相位检测电路输出比例采样信号；

所述相位检测电路，用于接收差动采样信号和比例采样信号，并根据差动采样信号和比例采样信号检测出电感调谐电路输出的交流电的相位值并输出至主控电路。

6.根据权利要求5所述基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：所述差动采样电路包括差动放大器和带通滤波器Ⅱ；

所述差动放大器，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压并进行差动放大，并将差动放大后的电压信号输出至带通滤波器Ⅱ中；

所述带通滤波器Ⅱ，其输入端与差动放大器的输出端连接，用于对差动放大后的电压信号进行带通滤波处理形成差动采样信号，并将差动采样信号输出至相位检测电路中。

7.根据权利要求5所述基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：所述比例采样电路包括比例放大器和带通滤波器Ⅰ；

所述比例放大器，其输入端与电感调谐电路的输出端连接，用于采集电感调谐电路输出的交流电的电压并进行比例放大，并将比例放大后的电压信号输出至带通滤波器Ⅰ中；

所述带通滤波器Ⅰ，其输入端与比例放大器的输出端连接，用于对比例放大后的电压信号进行带通滤波处理形成比例采样信号，并将比例采样信号输出至相位检测电路中。

8.根据权利要求2所述基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：所述逆变器为高频逆变器。

9.根据权利要求3所述基于直流电流确定谐振频率的超声换能器，其特征在于：所述变压器为高频变压器。

10.一种基于直流电流确定超声换能器谐振频率的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.采用整流电路将市电整流成直流电；

S2.将整流电路输出的直流电输入至BUCK电路中进行直流转换处理并将处理后的直流电输出至逆变器中；

S3.由逆变器将BUCK电路输出的直流电进行逆变处理并转换成交流电，并通过电感调谐电路对逆变器输出的交流电进行调谐处理后输出至超声换能器中；

S4.采用主控电路向BUCK电路输出PWM控制信号，该控制信号的频率不变但占空比可调，主控电路向逆变器输出PWM控制信号，该控制信号的频率和占空比均可调；主控电路在预设时间范围和预设的频率范围[f1,f2]内，按照设定步进频率从频率范围[f1,f2]的下限频率点f1至上限频率点f2输出相应的PWM控制信号至逆变器中；

S5.在所述预设时间范围内采集整流电路输出的直流电的电流值，找到所述预设时间范围内的最大电流值所对应的PWM控制信号的频率，该频率即为超声换能器的谐振频率。