CN111381532B - 频率控制装置及超声波换能器系统 - Google Patents
频率控制装置及超声波换能器系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种频率控制装置及超声波换能器系统，温度采集模块采集超声波换能器的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块。进一步地，频率控制模块根据工作温度信息生成温度变化信息，并将温度变化信息转换为频率变化参数，并根据频率变化参数调整激励信号源中激励信号的频率。由于超声波换能器在其固有频率与激励信号的频率相位差较大时，超声波换能器的温度会急剧上升。基于此，通过超声波换能器的工作温度的表征，判断固有频率与激励信号的频率的频率差异，以便于调整激励信号的频率，缩小固有频率与激励信号的频率的频率差异，提高超声波换能器的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及超声波换能器技术领域，特别是涉及一种频率控制装置及超声波换能器系统。
背景技术
超声波换能器是一种可将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去的能量转换器件。超声波换能器被广泛应用于各种超声波设备，如超声波手术刀、超声波焊接机或超能波清洗机等。超声波设备中的超声波换能器接收特定频率的交流电激励信号，并将其转换成机械能，以驱动相应的工作设备。
其中，超声波换能器自身具有固定频率，当激励信号的频率与超声波换能器固有频率一致时，即超声波换能器工作在电压与电流相位一致的谐振频率上，超声波换能器的转换效率最高。然而，超声波换能器在工作过程中，受自身性能、工作设备的状态和工作环境等因素的影响，其固有频率会产生变化，导致固有频率与激励信号的频率存在较大频率差异，降低超声波换能器的转换效率。
发明内容
基于此，有必要针对超声波换能器在工作过程中，受自身性能、工作设备的状态和工作环境等因素的影响，其固有频率会产生变化，导致固有频率与激励信号的频率存在较大频率差异，降低超声波换能器的转换效率的问题，提供一种频率控制装置及超声波换能器系统。
本发明实施例一方面提供一种频率控制装置，包括相连接的温度采集模块和频率控制模块；
所述温度采集模块设置在超声波换能器表面，用于采集所述超声波换能器的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块；
所述频率控制模块用于根据所述工作温度信息生成温度变化信息，并将所述温度变化信息转换为频率变化参数，并根据所述频率变化参数调整激励信号源中激励信号的频率；其中，所述激励信号源通过所述激励信号激励所述超声波换能器。
在其中一个实施例中，频率控制模块还用于补偿所述工作温度信息的滞后性，并将所述补偿后的所述工作温度信息生成所述温度变化信息。
在其中一个实施例中，还包括垫层；
所述温度采集模块通过所述垫层与所述超声波换能器表面贴合。
在其中一个实施例中，垫层包括导热系数大于预设值的可逆形变垫层。
在其中一个实施例中，所述垫层包括橡胶垫层。
在其中一个实施例中，所述温度采集模块通过所述垫层与所述超声波换能器中陶瓷片的表面贴合。
在其中一个实施例中，所述温度采集模块包括温度传感器或热电偶。
在其中一个实施例中，所述频率控制模块包括MCU。
本发明实施例另一方面提供一种超声波换能器系统，包括激励信号源、超声波换能器和频率控制装置；
所述频率控制装置包括相连接的温度采集模块和频率控制模块；
所述超声波换能器分别连接所述激励信号源的第一输出端和第二输出端，以构成激励回路；
所述温度采集模块设置在超声波换能器表面，用于采集所述超声波换能器的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块；
所述频率控制模块用于根据所述工作温度信息生成温度变化信息，并将所述温度变化信息转换为频率变化参数，并根据所述频率变化参数调整激励信号源中激励信号的频率；其中，所述激励信号源通过所述激励信号激励所述超声波换能器。
在其中一个实施例中，所述激励信号源包括依次连接的整流电路、BUCK电路、全桥逆变器、高频变压器和电感调谐匹配电路；其中，所述整流电路用于接入外部供电；
所述频率控制模块连接所述全桥逆变器，用于根据所述频率变化参数调整所述全桥逆变器中交流电信号的频率。
上述的频率控制装置及超声波换能器系统，温度采集模块采集超声波换能器的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块。进一步地，频率控制模块根据工作温度信息生成温度变化信息，并将温度变化信息转换为频率变化参数，并根据频率变化参数调整激励信号源中激励信号的频率。由于超声波换能器在其固有频率与激励信号的频率相位差较大时，超声波换能器的温度会急剧上升。基于此，通过超声波换能器的工作温度的表征，判断固有频率与激励信号的频率差异，以便于调整激励信号的频率，缩小固有频率与激励信号的频率差异，提高超声波换能器的转换效率。
附图说明
图1为一实施方式的频率控制装置模块结构图；
图2为一实施方式的温度采集模块安装方式示意图；
图3为一实施方式的超声波换能器系统模块结构图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明
本发明实施例一方面提供了一种频率控制装置：
图1为一实施方式的频率控制装置模块结构图，如图1所示，一实施方式的频率控制装置包括相连接的温度采集模块100和频率控制模块101；
所述温度采集模块100设置在超声波换能器表面，用于采集所述超声波换能器的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块101；
其中，超声波换能器的固有频率会随着工作环境的变化而发生变化，激励信号的频率保持不变，当超声波换能器的固有频率发生变化时，超声波换能器的转换效率就会变低，从而导致超声波换能器的性能下降，超声波换能器会将能量转化成热能的形式进行传递。在超声波换能器的固有频率与激励信号的频率相差太大时，超声波换能器的温度将会急剧上升；在超声波换能器的固有频率与激励信号的频率相等或者相近时，超声波换能器的温度变化很小。
温度采集模块100可通过贴合或螺丝固定等方式设置在超声波换能器表面，在不影响超声波换能器工作的条件下，检测超声波换能器的工作温度，并采集与超声波换能器的工作温度对应的工作温度信息，将工作温度信息发送至频率控制模块101。在其中一个实施例中，温度采集模块100包括温度传感器或热电偶等温度采集器件。以温度采集模块100为温度传感器为例，温度传感器采集到的工作温度信息为电信号。
在其中一个实施例中，图2为一实施方式的温度采集模块安装方式示意图，如图2所示，频率控制装置还包括垫层200；
所述温度采集模块100通过所述垫层200与所述超声波换能器表面贴合。
其中，由于超声波换能器在工作时是以数万次每秒的速度进行振动，温度采集模块100与超声波换能器的直接接触容易导致二者出现损伤。因此，通过垫层200的设置，防止温度采集模块100与超声波换能器的直接接触。
在其中一个实施例中，垫层200采用可逆形变垫层，以有效吸收振动产生的能量。可逆形变垫层包括橡胶垫层或塑胶垫层
在其中一个实施例中，垫层200采用导热系数大于预设值的垫层200。由于温度采集模块100检测超声波换能器的工作温度，需要采用导热性良好的垫层200，以降低对温度检测的影响。
在其中一个实施例中，垫层200采用橡胶垫层，橡胶垫层具备良好的导热性。
在其中一个实施例中，如图2所示，温度采集模块100通过所述垫层200与所述超声波换能器中陶瓷片201的表面贴合。
其中，垫层200与陶瓷片201贴合，陶瓷片201的比热容较小，温度变化速度快且明显，温度采集模块100可有效地采集对应陶瓷片201处的工作温度信息。
所述频率控制模块101用于根据所述工作温度信息生成温度变化信息，并将所述温度变化信息转换为频率变化参数，并根据所述频率变化参数调整激励信号源中激励信号的频率；其中，所述激励信号源通过所述激励信号激励所述超声波换能器。
在其中一个实施例中，激励信号源与超声波换能器构成激励回路，激励信号源两输出端间的电压与激励回路的电流可存在相位差，相位差与温度变化存在线性相关关系。其中，以温度采集模块100为温度传感器为例，温度传感器采集到的工作温度信息为电信号，频率控制模块101接收到该电信号，根据频率控制模块101的预设程序，将该电信号转换为输出信号，即频率变化参数。频率控制模块101将频率变化参数发送至激励信号源，以改变激励信号源的频率。
在其中一个实施例中，频率控制模块101包括MCU。
其中，可通过预先定义MCU的一个I/O口，用于接收温度采集模块100发送的工作温度信息，再定义一个I/O口，用于输出频率变化参数。在其中一个实施例中，频率变化参数包括PWM信号。
其中，温度变化信息包括单位时间的工作温度变化幅度，或工作温度变化幅度。频率变化参数调整激励信号源的方式包括需增大赫兹值的激励信号频率或需减小赫兹值的激励信号的频率。频率控制模块101根据频率变化参数调整激励信号的频率，包括增大激励信号的频率或减小激励信号的频率，使超声波换能器的工作温度逐渐降低，以减小激励信号的频率与固有频率的频率差异。
在其中一个实施例中，频率控制模块101还用于补偿所述工作温度信息的滞后性，并将所述补偿后的所述工作温度信息生成所述温度变化信息。
其中，由于超声波换能器的工作温度变化具有迟滞性，在固有频率发生变化后，经过一段时间温度才会对应改变。基于此，频率控制模块101还用于补偿所述工作温度信息的滞后性，以使温度变化信息可对应固有频率发生变化的时刻，以使频率控制模块101根据频率变化参数对激励信号的频率的调整及时迅速，精准有效地缩小固有频率与激励信号的频率差异。
在其中一个实施例中，以频率控制模块101包括MCU为例，MCU可通过预设模糊算法程序对工作温度信息进行分析计算，计算出温度变化的滞后性并进行补偿。MCU再根据补偿后的工作温度信息生成频率变化参数。
在其中一个实施例中，超声波换能器的工作温度与工作温度信息一一对应。以温度采集模块100采集到的工作温度信息对应的工作温度为25℃为例，为补偿滞后性，可减少工作温度。以减少2℃为例，补偿后的工作温度信息为23℃对应的工作温度信息。
本发明实施例另一方面提供了一种超声波换能器系统：
图3为一实施方式的超声波换能器系统模块结构图，如图3所示，一实施方式的超声波换能器系统包括激励信号源300、超声波换能器301和频率控制装置302；
所述频率控制装置包括相连接的温度采集模块100和频率控制模块101；
所述超声波换能器301分别连接所述激励信号源300的第一输出端A和第二输出端B，以构成激励回路；
其中，激励信号源300用于接入外部供电，外部供电为激励信号源的原始信号。
所述温度采集模块100设置在超声波换能器表面，用于采集所述超声波换能器301的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块101；
所述频率控制模块101用于根据所述工作温度信息生成温度变化信息，并将所述温度变化信息转换为频率变化参数，并根据所述频率变化参数调整激励信号源300中激励信号的频率；其中，所述激励信号源300通过所述激励信号激励所述超声波换能器301。
在其中一个实施例中，如图3所示，激励信号源300包括依次连接的整流电路400、BUCK电路401、全桥逆变器402、高频变压器403和电感调谐匹配电路404；其中，整流电路400用于接入外部供电；
所述频率控制模块101连接所述全桥逆变器402，用于根据所述频率变化参数调整所述全桥逆变器402中交流电信号的频率。
其中，整流电路400用于接入外部交流电，并将外部交流转换为直流电。BUCK电路401用于将整流电路400输出的直流电转换为功率可控的直流电，并将功率可控的直流电输出至全桥逆变器402，全桥逆变器402可用于根据频率控制装置302的输出，将功率可控的直流电转换为频率可控的交流电。高频变压器403用于输出高频交流电。电感调谐匹配电路404用于对交流电起限流作用，并发挥调谐特性。其中，电感调谐匹配电路404输出的交流电为超声波换能器激励信号。
在其中一个实施例中，BUCK电路401还连接频率控制装置302，用于根据频率控制装置302的输出改变输出直流电的占空比。
在其中一个实施例中，频率控制模块101用于根据频率变化参数向全桥逆变器输出控制信号，以改变全桥逆变器402输出的交流电信号的频率。
上述的频率控制装置及超声波换能器系统，温度采集模块100采集超声波换能器的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块101。进一步地，频率控制模块101根据工作温度信息生成温度变化信息，并将温度变化信息转换为频率变化参数，并根据频率变化参数调整激励信号源中激励信号的频率。由于超声波换能器在其固有频率与激励信号的频率相位差较大时，超声波换能器的温度会急剧上升。基于此，通过超声波换能器的工作温度的表征，判断固有频率与激励信号的频率差异，以便于调整激励信号的频率，缩小固有频率与激励信号的频率差异，提高超声波换能器的转换效率。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种频率控制装置，其特征在于，包括相连接的温度采集模块和频率控制模块；
所述温度采集模块设置在超声波换能器表面，用于采集所述超声波换能器的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块；
所述频率控制模块用于根据所述工作温度信息生成温度变化信息，并将所述温度变化信息转换为频率变化参数，并根据所述频率变化参数调整激励信号源中激励信号的频率；其中，所述激励信号源通过所述激励信号激励所述超声波换能器；所述温度变化信息包括单位时间的工作温度变化幅度，或工作温度变化幅度；
所述频率控制模块还用于补偿所述工作温度信息的滞后性，并将所述补偿后的所述工作温度信息生成所述温度变化信息。
2.根据权利要求1所述的频率控制装置，其特征在于，还包括垫层；
所述温度采集模块通过所述垫层与所述超声波换能器表面贴合。
3.根据权利要求2所述的频率控制装置，其特征在于，所述垫层包括导热系数大于预设值的可逆形变垫层。
4.根据权利要求3所述的频率控制装置，其特征在于，所述垫层包括橡胶垫层。
5.根据权利要求2所述的频率控制装置，其特征在于，所述温度采集模块通过所述垫层与所述超声波换能器中陶瓷片的表面贴合。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的频率控制装置，其特征在于，所述温度采集模块包括温度传感器或热电偶。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的频率控制装置，其特征在于，所述频率控制模块包括MCU。
8.一种超声波换能器系统，其特征在于，包括激励信号源、超声波换能器和频率控制装置；
所述频率控制装置包括相连接的温度采集模块和频率控制模块；
所述超声波换能器分别连接所述激励信号源的第一输出端和第二输出端，以构成激励回路；
所述温度采集模块设置在超声波换能器表面，用于采集所述超声波换能器的工作温度信息，并将采集到的工作温度信息发送至频率控制模块；
所述频率控制模块用于根据所述工作温度信息生成温度变化信息，并将所述温度变化信息转换为频率变化参数，并根据所述频率变化参数调整激励信号源中激励信号的频率；其中，所述激励信号源通过所述激励信号激励所述超声波换能器；所述温度变化信息包括单位时间的工作温度变化幅度，或工作温度变化幅度；所述频率控制模块还用于补偿所述工作温度信息的滞后性，并将所述补偿后的所述工作温度信息生成所述温度变化信息。
9.根据权利要求8所述的超声波换能器系统，其特征在于，所述激励信号源包括依次连接的整流电路、BUCK电路、全桥逆变器、高频变压器和电感调谐匹配电路；其中，所述整流电路用于接入外部供电；
所述频率控制模块连接所述全桥逆变器，用于根据所述频率变化参数调整所述全桥逆变器中交流电信号的频率。
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