CN109974841A - 一种标准超声功率源 - Google Patents
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Abstract
一种标准超声功率源，包括：用于输入频率和功率参数的输入装置；用于产生正弦信号的DDS信号发生模块；用于根据输入的频率和功率参数计算获得正弦信号的频率和幅值、并输出至DDS信号发生模块使其产生相应的正弦信号的控制模块；用于对正弦信号进行功率放大的功率放大模块；用于根据放大后的正弦信号输出声波的超声换能器，其包括用于实现电声转换的压电晶片，以及串联在压电晶片与功率放大模块之间、用于实现阻抗匹配的电感器。由此，采用DDS信号发生模块，由控制模块根据输入的频率和功率参数自动控制频率和幅值的输出，相比起现有技术中采用函数信号发生器，无需根据高频毫伏表的测量电压进行手动调节，实现了标准超声功率源的自动化和智能化控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声装置，尤其涉及一种标准超声功率源。
背景技术
标准超声功率源是一种稳定的、已知输出超声声功率的超声功率源，其主要用作超声声功率测量的传递标准，以比对和校准各种超声声功率测量装置，如超声功率计。
如图1所示，市面上的标准超声功率源系统通常包括依次电连接的函数信号发生器(如安捷伦33250A)、功率放大器(如AR25A100)、匹配器和超声换能器，以及对匹配器输出的电压值进行测量的高频毫伏表(如URV55)，其具有以下缺陷：
一，采用函数信号发生器，需要根据高频毫伏表测出的电压值对函数信号发生器输出的频率和幅值进行手动调节，才能输出不同的超声功率。
二、函数信号发生器、功率放大器、匹配器和超声换能器均为独立仪器，其相互连接形成标准超声功率源系统，不能够携带至现场进行校准工作。
三，匹配器外置于超声换能器，其相互独立，不利于工作稳定性，且所占空间较大，不利于标准超声功率源的轻便化。
四，超声换能器的压电晶片01的结构如图2所示，在晶片的中央镀银形成一岛状电极011，岛状电极的周围设有一圈环形电极分割线013，环形电极分割线周围再设有一圈镀银的环形电极012，压电晶片的侧面和背面同样镀银，与环形电极共同形成接地电极；该压电晶片一般采用石英压电材料，转化效率低，压电晶片的电极一般采用镀银电极，抗氧化和抗腐蚀性能较差。
五，超声换能器的压电晶片的工作原理是接收电信号振动并发射出超声波，因此超声换能器的结构应该允许压电晶片振动但同时防止其振松掉落，图3为现有技术中的超声换能器的结构，为了允许压电晶片充分振动，将压电晶片设置于开口的套筒03的端部，套筒端部设有一沿径向向外的凹槽032，压电晶片01设置在该凹槽032内，通过往凹槽032内注入硅酮橡胶填充物(图中未示出)，填充在凹槽与压电晶片之间的缝隙中，起到固定和防水的作用，但在振动较大的情况下，该压电晶片仍然容易脱离硅酮橡胶调出套筒。
六，只能实现单一频率输出，且输出频率较低，一般不高于16MHz。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种标准超声功率源，以解决上述问题中的至少一个。
根据本发明的一个方面，提供了一种标准超声功率源，包括：
用于输入频率和功率参数的输入装置；
用于产生正弦信号的DDS信号发生模块；
用于根据输入的频率和功率参数计算获得正弦信号的频率和幅值、并输出至DDS信号发生模块使其产生相应的正弦信号的控制模块；
用于对正弦信号进行功率放大的功率放大模块；
用于根据放大后的正弦信号输出声波的超声换能器，其包括用于实现电声转换的压电晶片，以及串联在压电晶片与功率放大模块之间、用于实现压电晶片与功率放大模块之间的阻抗匹配的电感器。
由此，采用DDS信号发生模块，由控制模块根据输入的频率和功率参数自动控制频率和幅值的输出，相比起现有技术中采用函数信号发生器，无需根据高频毫伏表的测量电压进行手动调节，实现了标准超声功率源的自动化和智能化控制。
在一些实施方式中，压电晶片采用单晶铌酸锂晶体，其切割方向为36°Y，其厚度为0.8mm-1.0mm，直径为25mm±0.3mm；
电感器包括磁芯以及绕在磁芯上的铜线；铜线的匝数为2-3，直径为1mm；磁芯采用镍锌磁环，其外直径为13mm，内直径为7mm。
由此，采用该压电晶片和电感器的标准超声功率源，能够实现三个频率点的超声功率输出，且最高频率能够达到18MHz以上。
在一些实施方式中，标准超声功率源输出的频率为：
3.45～3.85MHz，
10.35～11.55MHz，以及
17.25～19.25MHz。
由此，该标准超声功率源能够实现上述频率的输出。
在一些实施方式中，铜线的匝数为2.5。
由此，标准超声功率源的工作效果更优。
在一些实施方式中，压电晶片的厚度为0.95mm。
由此，压电晶片的工作效果更优。
在一些实施方式中，压电晶片包括：
设置于压电晶片的第一端面的岛状电极，其与功率放大模块连接；
设置于压电晶片的第一端面并围绕岛状电极的环形电极分割线；
设置于压电晶片的侧面以及第二端面的接地电极。
由此，岛状电极作为压电晶片的有效发射面，相比起现有技术，去掉了第一端面上的环形接地电极，使岛状电极的面积增加，提高了压电晶片的发射效率。
在一些实施方式中，岛状电极的直径为23mm±0.3mm。
由此，提高了压电晶片的发射面积，进而提高发射效率。
在一些实施方式中，岛状电极和接地电极为镀金膜层电极。
由此，相比起现有技术中的镀银膜层电极，镀金膜层的抗氧化和抗腐蚀性能更优，优化了标准超声功率源的工作效果，增加了使用寿命。
在一些实施方式中，超声换能器还包括：
套筒，其第二端开口，并在开口处设有径向向内突起的凸缘；压电晶片的第二端面抵接凸缘以固定在套筒内；
固定在套筒的第一端、用于与功率放大模块连接的BNC连接器；电感器的两端通过导线串接在BNC连接器和压电晶片的岛状电极之间。
由此，将电感器内置于超声换能器，能够提高工作稳定性，减小占用空间，实现轻便化，并通过设置凸缘将压电晶片牢固地固定在套筒内，防止其振动掉出，提高了标准超声功率源的工作稳定性。
附图说明
图1为现有技术的标准超声功率源的原理框图；
图2为现有技术的压电晶片的示意图；
图3为现有技术中的超声换能器的结构示意图；
图4为本发明的标准超声功率源的原理框图；
图5为本发明的超声换能器的结构示意图；
图6为本发明的压电晶片的第一端面的示意图；
图7为本发明的压电晶片的第二端面的示意图；
图8为阻抗原理示意图；
图9为电感器采用铁氧磁棒的超声换能器的阻抗曲线图；
图10为电感器采用铁氧磁环的超声换能器的阻抗曲线图；
图11为电感器采用锰锌磁环的超声换能器的阻抗曲线图；
图12为电感器采用镍锌磁环的超声换能器的阻抗曲线图；
图13为频率点匹配前对超声换能器进行粗扫的阻抗曲线图；
图14为3.361MHz频点10mW超声功率测量结果；
图15为3.361MHz频点100mW超声功率测量结果；
图16为3.361MHz频点1W超声功率测量结果；
图17为11.27MHz频点100mW超声功率测量结果；
图18为18.90MHz频点100mW超声功率测量结果；
图19为18.90MHz测量结果曲线拟合。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图4示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的标准超声功率源。如图所示，该标准超声功率源包括壳体、固定在壳体上的输入装置和显示装置，以及固定在壳体内的DDS信号发生模块、控制模块、功率放大模块和超声换能器。相比起现有技术中采用独立仪器的标准超声功率源系统，本发明的各个组成部分整合到一个壳体上，形成整机，能够携带至现场进行校准工作。
该输入装置用于输入频率和功率参数，具体可采用按键键盘或触摸屏。
该显示装置用于显示输入的频率和功率参数，以及其他参数等信息，具体可采用液晶显示屏。
该DDS信号发生模块用于产生正弦信号。DDS是指直接数字式频率合成器(DirectDigital Synthesizer)，与函数信号发生器相比，具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，能够产生需要的低失真、稳定的高频正弦波信号，且能够通过单片机进行控制。
该控制模块用于根据输入装置输入的频率和功率参数计算获得正弦信号的频率和幅值、并输出至DDS信号发生模块，由DDS信号发生模块产生相应的正弦信号。该控制模块具体可采用STC12C5A60S2系列单片机，通过串口控制DDS信号发生模块的频率和幅值，其软件编程部分可参考现有技术。
该功率放大模块对DDS信号发生模块输出的正弦信号按照预设的放大倍数进行功率放大。
该超声换能器包括套筒3、BNC连接器4、火线5、地线6、压电晶片1和电感器2。如图5所示，该套筒3为圆筒形，其第一端与BNC(Bayonet Neill-Concelman)连接器固定，BNC连接器4用于与功率放大模块连接。套筒3的第二端开口，并在开口处设有径向向内突起的凸缘31，该压电晶片1抵接在凸缘31处以固定在套筒3内。在凸缘31与压电晶片1的缝隙间可填充有硅酮橡胶填充物(图中未示出)，起防水的作用。该电感器2的两端通过火线5串接在BNC连接器4和压电晶片1之间。
图6为压电晶片1的第一端面，该压电晶片1的第一端面设有一采用镀金膜层的岛状电极11，其与火线5连接，是压电晶片1的有效发射面。围绕岛状电极11设有一环形电极分割线13，用于将岛状电极11和接地电极12绝缘分离。图7为压电晶片1的第二端面，该压电晶片1的侧面和第二端面均设有镀金膜层，以形成接地电极12，其与固定在套筒3内壁的地线6焊接导通，通过不锈钢材质的套筒3接地。该压电晶体的第二端面抵接套筒3的凸缘31，以防止压电晶片1振动的时候掉出套筒3。
本发明的标准超声功率源能够实现在三个频率点的超声功率输出，该频率分别为：3.45～3.85MHz，10.35～11.55MHz以及17.25～19.25MHz，具体地，在本实施例中，能够实现以下频率在特定功率点的输出：
(1)频率3.361MHz：10mW、100mW、1W；
(2)频率11.27MHz：100mW；
(3)频率18.90MHz：100mW。
为了实现在三个频率点处的超声功率输出，对压电晶片1和电感器2的设计尤为关键，以下进行详述。
该压电晶片1采用单晶铌酸锂晶体，相对于石英晶体，单晶铌酸锂晶体的居里点较高，适用于高温环境下工作，其化学性能稳定，适用于制作高频换能器，其机械品质因数高，具有良好的机械性能，且其声阻抗低，超声损失小。该单晶铌酸锂晶体的切割方向选择36°Y，在该切割方向下，耦合系数可达0.55，频率常数高，适用于制作高频换能器。该压电晶片1的厚度d为0.8mm-1.1mm，优选0.9mm-1.0mm，在本实施例中为0.95mm，其直径为25mm±0.3mm。该岛状电极11的直径为23mm±0.3mm，环形电极分割线13的宽度为1mm。
其中，压电晶片1的厚度d的选择较为关键，其参考以下公式得到：
d＝N/f0
其中，d为振动片子的厚度(mm)，N为频率常数，对于36°Y切割的铌酸锂晶体取3.62MHz·mm，f0为频率常数(Hz)。
根据上述公式，若要设计频率18MHz以上的超声晶片，晶片厚度应为0.201mm，由于0.2mm的厚度切割和镀金不容易实现，同时厚度薄的时候输出超声功率有限，所以在本发明中考虑采用基数的倍频方法进行倍频，另外考虑实现三个固定频率点的超声功率输出，因此按照1、3、5次倍频，令f0＝18MHz/5＝3.6MHz，再重新根据d＝N/f0，计算晶片厚度约为1mm，再考虑镀金层的厚度(约为0.03mm)和切割的误差，本发明中采用晶片厚度为0.95mm。考虑输出功率大小的范围，选取直径25mm较为合适。
该电感器2作为匹配器用于实现压电晶片与所述功率放大模块之间的阻抗匹配。在超声换能器设计与测试上，始终会遇到超声信号源(即经功率放大后的正弦信号)与压电晶片的阻抗匹配问题。事实证明，超声换能器能否高效而安全地工作，在很大程度上取决于压电晶片与超声信号源之间的匹配设计。
超声信号发生器(在本实施例中是DDS信号发生模块和功率放大模块)、匹配器以及压电晶片三者之间的阻抗原理如图8所示。其中Zi是压电晶片的输入阻抗，Zc是经匹配以后压电晶片的输出阻抗，Z0为超声信号发生器的输出阻抗。一般来说，压电晶片是一个抗性元件，其输入阻抗可表示为Zi＝Ri+jXi。经匹配器以后其阻抗变为Zc＝Rc+jXc。Zi和Zc之间的具体关系由匹配器的具体形式来决定。在一般情况下，超声信号发生器的输出阻抗是纯阻性的，所以可近似表示为Z0＝R0。根据交流理论，电发生器的最大功率输出条件，即压电晶片的理想匹配条件为：
R0＝Rc
Xc＝0
由于压电材料的晶体的阻抗为容性阻抗，为实现谐振，可以采用串联谐振电路，即串联一个电感器。本发明中采用串联电感器实现电学匹配，主要的方法是用阻抗分析仪对超声换能器进行阻抗分析，然后通过不断调整电感器的各设计参数，以实现某几个频率的谐振。
该电感器2包括磁芯以及绕在该磁芯上的铜线，其中，磁芯的形状和材料选择是关键之一，例如磁芯的形状可以是磁棒或磁环，其材料可以是铁氧、铁硅铝、锰锌和镍锌等等。由于频率点从3.61MHz～18.90MHz范围较宽，而且压电晶片的容抗在这段范围曲线起伏较大，实现三个频率点的纯阻抗匹配对磁芯的选择要求非常高，通过对铁氧磁棒、铁氧磁环、锰锌磁环和镍锌磁环进行匹配试验，采用阻抗分析仪进行阻抗扫查，最终选用了镍锌磁环作为磁芯进行匹配，能够实现最高频率在18MHz以上，同时三个频率点的纯阻抗的匹配。实验证明匹配非常有效，电声转化效率高，频率点稳定。请参阅图9-12，其中图9是采用铁氧磁棒进行实验的阻抗曲线图，图10是采用铁氧磁环进行实验的阻抗曲线图，图11是采用锰锌磁环进行实验的阻抗曲线图，图12是采用镍锌磁环进行实验的阻抗曲线图，图中横轴为频率(Hz)，纵轴分别为阻抗Z(Ω)和阻抗角θz(°)。
从图9和10可以看出，铁氧磁棒和铁氧磁环匹配后的阻抗均比较大，在低频3～4MHz中应用是没有问题的，但是在高频是匹配不到纯阻抗的。从图11可以看出，锰锌磁环在高频效果比较理想(可通过调节匝数实现高频匹配)，但是在低频时出现频率偏移较大，且阻抗值非常大，达到了1k欧姆以上，因此不适合应用在多个频率点的超声换能器匹配上；从图12可以看出，镍锌磁环的效果比较理想，不仅在三个频率点上能够匹配至纯阻抗，而且阻抗值比较接近50欧姆，因此本发明采用镍锌磁环作为磁芯。
其次，该铜线的匝数、尺寸以及磁芯的尺寸设计也是关键点。通过不断对电感器进行调整，改变电感器的各设计参数，对超声换能器进行测量以得到在三个频率点处的阻抗参数，使阻抗参数达到理想值，获得了以下设计参数：铜线的匝数为2-3，本实施例中优选2.5，其直径为1mm；该磁芯采用镍锌磁环，其外直径为13mm，内直径为7mm。
对超声换能器的测量过程和结果详述如下。
首先，在进行三个频率点的匹配前对超声换能器进行粗扫。采用WK6500B阻抗分析仪的自动扫描功能，此次目的是找出适合进行匹配的谐振频率，扫描点数为1600点，频率从1MHz测到20MHz，分别记录每个频率点下的阻抗Z和阻抗角θ、阻抗的实部R和虚部X、电感L和电容C，直接导出测试的二维图，通过分析二维平面的情况，确定在超声换能器具体在哪几段频率范围需要进一步更细地测量。图13是粗测的结果，图中横轴为频率(Hz)，纵轴分别为阻抗Z(Ω)和阻抗角θz(°)。通过观察和分析可知这个超声换能器在分别3.0～3.8MHz、10.5～12.0MHz和18.5～19.6MHz之间存在可以实现的谐振频率点，需要在这几个频率段进一步细化分析和作更细化的测量。
经过进一步细化的检测，分别在3.3MHz、11.3MHz和18.9MHz附近发现阻抗峰值，在这三个频率点附近读取具体的阻抗参数，见表1、表2和表3。为了同时能够实现三个频率点的谐振，考虑电感器对频率的响应，初步设计串联电感器在18.90MHz附近谐振，根据公式R0＝Rc，Xc＝0，计算电感，频率点3.61MHz电感约为200nF，频率点11.27MHz电感约为140nF，18.90MHz电感约为(70～80)nF。
表1匹配前的超声换能器在3.3MHz的阻抗参数
表2匹配前的超声换能器在11.3MHz阻抗参数
表3匹配前的超声换能器在18.8MHz阻抗参数
然后，通过不断地对电感的微调，最后实现了三个频率点的谐振，分别是：3.361MHz、11.27MHz和18.90MHz，为了实现谐振点数据的确准，采用Agilent 4285A阻抗分析仪进行超声换能器的阻抗参数测量，结果见表4，匹配后的阻抗曲线图即图12。
表4匹配后的超声换能器阻抗参数
| 频率(MHz) | 阻抗(Ω) | 阻抗角(°) | 实部(Ω) | 虚部(Ω) |
| 3.361 | 47.6 | 0.02 | 47.6 | 0.02 |
| 11.27 | 52.4 | 0.09 | 52.4 | 0.08 |
| 18.90 | 40.3 | 0.03 | 40.4 | 0.01 |
为了确保测量结果可信，采用广东省计量科学研究院的毫瓦级和瓦级超声功率基准装置对本实施例的标准超声功率源进行测量，基准装置采用的是辐射力法，其测量原理是：在小振幅平面超声声场中，两种媒质交界面上出现的时间平均单项压力即辐射压力。其值等于两边声能密度的差值。由此产生的辐射压力可用一个置于超声场中的靶来测定。对全反射靶，超声换能器所辐射的总声功率与作用在靶上的辐射力之间的关系为：
其中，P为总声功率，单位W；F为沿超声波曲线方向作用于靶上的力，单位N；c为超声在液体中的传播速度，单位m/s；θ为靶面法线与入射声束之间的夹角，单位°。测量靶有反射靶和吸收靶两种，其中高频时采用吸收靶。
对于3.361MHz频点分别在不同的功率10mW、100mW和1W进行超声功率测量，结果见图14～16和表5～7。
表5 3.361MHz频点10mW测量结果
表6 3.361MHz频点100mW测量结果
表7 3.361MHz频点1W测量结果(瓦级)
对于11.27MHz频点在功率100mW下进行超声功率测量，结果见图17和表8。
表8 11.27MHz频点100mW测量结果(吸收靶)
对于18.90MHz频点超声功率测量结果见图18和表9。
表9 18.90MHz频点100mW测量结果(吸收靶)
由于18.90MHz频率非常高，超声波在水中的衰减指数的系数并没有可以参考的资料，所以只能通过对功率取对数再根据距离进行二乘法拟合，见图19，最终结果为98.2mW。测量结果汇总见表10.
表10本发明的标准超声功率源样机测量结果汇总
进一步地，将本发明的标准超声功率源送至英国国家实验室(NPL)进行测量，与英国国家实验室的超声功率基准装置进行数据比对，NPL出具的报告见表11。
表11英国国家实验室测量结果
采用广东省计量科学研究院和英国国家实验室两家实验室的测量结果的加权平均值作为参考，可以计算比对结果的满意评价指标值，见表12。
表12测量结果与比对满意指数
从参考值来说，本发明的标准超声功率源的示值误差均在5％之内，符合JJG 868-1994《毫瓦级标准超声源检定规程》的要求。从比对结果En值可以得到两家实验室之间测量结果非常接近，其中，En优于1为比对结果满意。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，或对上述技术方案进行自由组合，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种标准超声功率源，其特征在于，包括：
用于输入频率和功率参数的输入装置；
用于产生正弦信号的DDS信号发生模块；
用于根据输入的频率和功率参数计算获得正弦信号的频率和幅值、并输出至所述DDS信号发生模块使其产生相应的正弦信号的控制模块；
用于对正弦信号进行功率放大的功率放大模块；
用于根据放大后的正弦信号输出声波的超声换能器，其包括用于实现电声转换的压电晶片(1)，以及串联在所述压电晶片(1)与所述功率放大模块之间、用于实现压电晶片(1)与所述功率放大模块之间的阻抗匹配的电感器(2)。
2.根据权利要求1所述的标准超声功率源，其特征在于：
所述压电晶片(1)采用单晶铌酸锂晶体，其切割方向为36°Y，其厚度为0.8mm-1.0mm，直径为25mm±0.3mm；
所述电感器(2)包括磁芯以及绕在所述磁芯上的铜线；所述铜线的匝数为2-3，直径为1mm；所述磁芯采用镍锌磁环，其外直径为13mm，内直径为7mm。
3.根据权利要求2所述的标准超声功率源，其特征在于，所述标准超声功率源输出的频率为：
3.45～3.85MHz，
10.35～11.55MHz，
以及17.25～19.25MHz。
4.根据权利要求2所述的标准超声功率源，其特征在于：所述铜线的匝数为2.5。
5.根据权利要求2所述的标准超声功率源，其特征在于：所述压电晶片(1)的厚度为0.95mm。
6.根据权利要求5所述的标准超声功率源，其特征在于，所述压电晶片(1)包括：
设置于所述压电晶片(1)的第一端面的岛状电极(11)，其与所述功率放大模块连接；
设置于所述压电晶片(1)的第一端面并围绕所述岛状电极(11)的环形电极分割线(13)；
设置于所述压电晶片(1)的侧面以及第二端面的接地电极(12)。
7.根据权利要求6所述的标准超声功率源，其特征在于：所述岛状电极(11)的直径为23mm±0.3mm。
8.根据权利要求6所述的标准超声功率源，其特征在于：所述岛状电极(11)和接地电极(12)为镀金膜层电极。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的标准超声功率源，其特征在于，所述超声换能器还包括：
套筒(3)，其第二端开口，并在所述开口处设有径向向内突起的凸缘(31)；所述压电晶片(1)的第二端面抵接所述凸缘(31)以固定在所述套筒(3)内；
固定在所述套筒(3)的第一端、用于与所述功率放大模块连接的BNC连接器(4)；所述电感器(2)的两端通过导线串接在所述BNC连接器(4)和所述压电晶片(1)的岛状电极(11)之间。
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