CN111381615A - 频率控制装置、方法及超声波换能器系统 - Google Patents

频率控制装置、方法及超声波换能器系统 Download PDF

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郭毅军
杨涛
叶强
唐福海
秦勇
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Abstract

本申请涉及一种频率控制装置、方法及超声波换能器系统，温度采集模块采集超声波换能器的温度，电流值采集模块采集激励回路的电流值，功率采集模块采集超声波换能器的功率。进一步地，频率控制模块根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。

Description

频率控制装置、方法及超声波换能器系统
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、方法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、超声波焊接机或超声波清洗机等。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、方法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，包括温度采集模块、电流值采集模块、功率采集模块和频率控制模块；
频率控制模块分别连接温度采集模块、电流值采集模块和功率采集模块；
温度采集模块用于采集超声波换能器的温度；电流值采集模块用于采集激励回路的电流值；功率采集模块用于采集超声波换能器的功率；其中，超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
频率控制模块用于根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率；频率控制模块还用于将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。
上述频率控制装置，温度采集模块采集超声波换能器的温度，电流值采集模块采集激励回路的电流值，功率采集模块采集超声波换能器的功率。进一步地，频率控制模块根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。
在其中一个实施例中，温度采集模块包括温度传感器。
在其中一个实施例中，电流值采集模块包括电流采集电路。
在其中一个实施例中，功率包括有功功率和无功功率。
在其中一个实施例中，频率控制模块包括MCU。
本发明实施例一方面还提供一种频率控制方法，包括步骤：
获取超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值；其中，其中，超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
将温度、功率和电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率；
将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。
上述频率控制方法，通过将超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。
在其中一个实施例中，预设数据模型的建立过程，包括步骤：
获取超声波换能器工作在特定频率下的温度、功率和电流值；
对特定频率、温度、功率和电流值进行数据拟合，得到预设数据模型。
在其中一个实施例中，对特定频率、温度、功率和电流值进行数据拟合的过程，包括步骤：
通过神经网络的方式，对特定频率、温度、功率和电流值进行数据拟合。
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；
频率控制装置包括温度采集模块、电流值采集模块、功率采集模块和频率控制模块；
频率控制模块分别连接温度采集模块、电流值采集模块、功率采集模块和激励信号源；
温度采集模块用于采集超声波换能器的温度；电流值采集模块用于采集激励回路的电流值；功率采集模块用于采集超声波换能器的功率；其中，超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
频率控制模块用于根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率；频率控制模块还用于将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。
上述超声波换能器系统，温度采集模块采集超声波换能器的温度，电流值采集模块采集激励回路的电流值，功率采集模块采集超声波换能器的功率。进一步地，频率控制模块根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。
在其中一个实施例中，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，整流电路用于接入外部供电；
频率控制模块连接全桥逆变器，用于将全桥逆变器中交流电的频率调整为跟踪频率。
附图说明
通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。
图1为一实施方式的频率控制装置模块结构图；
图2为一实施方式的频率控制方法流程图；
图3为一实施方式的预设数据模型建立方法流程图；
图4为另一实施方式的频率控制装置模块结构图；
图5为再一实施方式的频率控制装置模块结构图；
图6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
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“连接”、“相连”、“构成”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
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，包括温度采集模块100、电流值采集模块101、功率采集模块102和频率控制模块103；
频率控制模块103分别连接温度采集模块100、电流值采集模块101和功率采集模块102；
温度采集模块100用于采集超声波换能器的温度；电流值采集模块101用于采集激励回路的电流值；功率采集模块102用于采集超声波换能器的功率；其中，超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
在其中一个实施例中，温度采集模块100设置在超声波换能器表面，用于采集超声波换能器的温度，并将采集到的温度发送至频率控制模块101；其中，发送至频率控制模块101的温度为数据信号。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温度，并采集与超声波换能器的温度对应的数据信号，将数据信号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温度为传感信号。
其中，电流值采集模块101采集激励回路的电流值，包括激励回路的电流。其中，电流值采集模块101可采用电流采集电路或电流传感器等。
在其中一个实施例中，电流值采集模块101包括电流采集电路，电流采集电路用于采集激励回路的电流。
其中，功率采集模块102用于采集超声波换能器的功率，包括超声波换能器的有功功率和无功功率。在其中一个实施例中，功率采集模块102可选用功率采集器或功率采集电路模块，功率采集模块102可连接超声波换能器，以采集超声波换能器的功率。
频率控制模块103用于根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率；频率控制模块103还用于将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。
其中，频率控制模块103为具备数据处理能力的处理器或电路模块。在接收到温度、电流值和功率后，频率控制模块103将温度、电流值和功率代入预先存储或存储在第三方存储介质的预设数据模型，根据预设数据模型计算得出跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。
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的四个ADC通道，分别用于接收温度、电流值和功率，再定义一个PWM信号产生模块，用于连接激励信号源。在其中一个实施例中，MCU用于根据跟踪频率输出PWM信号，该PWM信号作为激励信号源的输入信号，用于将激励信号的频率调整为跟踪频率。
上述任一实施例的频率控制装置，温度采集模块100采集超声波换能器的温度，电流值采集模块101采集激励回路的电流值，功率采集模块102采集超声波换能器的功率。进一步地，频率控制模块103根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。
本发明实施例一方面还提供了一种频率控制方法：
图2为一实施方式的频率控制方法流程图，如图2所示，一实施方式的频率控制方法包括步骤S100至S102：
S100，获取超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值；其中，其中，超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
其中，超声波换能器的功率包括有功功率和无功功率。激励回路的电流值包括激励回路的电流。
S101，将温度、功率和电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率；
其中，在预设数据模型中，温度、功率、电流值与频率存在对应关系，在确定特定状态下的温度、功率和电流值后，可确定一个特定大小的频率，即跟踪频率。其中，该跟踪频率与特定状态下超声波换能器的固有频率相等或相近。
在其中一个实施例中，图3为一实施方式的预设数据模型建立方法流程图，如图3所示，步骤S101中预设数据模型的建立过程，包括步骤S200和S201：
S200，获取超声波换能器工作在特定频率下的温度、功率和电流值；
其中，特定频率可包括多个，即获取多个特定频率下的温度、功率和电流值。
S201，对特定频率、温度、功率和电流值进行数据拟合，得到预设数据模型。
在获取到特定频率、温度、功率和电流值进行数据拟合，得到预设数据模型。其中，数据拟合得到的曲线关系，根据拟合得到的曲线，在获取到温度、功率和电流值后，可确定曲线对应的频率，即跟踪频率。
在其中一个实施例中，步骤S201中对特定频率、温度、功率和电流值进行数据拟合的过程，包括步骤：
通过神经网络的方式，对特定频率、温度、功率和电流值进行数据拟合。
其中，在获取到特定频率、温度、功率和电流值后，通过仿真工具对神经网络进行训练，训练完成后得到数据拟合的结果，即预设数据模型。
S102，将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。
上述任一实施例的频率控制方法，通过将超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。
基于上述任一实施例的频率控制方法，本发明实施例还提供另一种频率控制装置：
图4为另一实施方式的频率控制装置模块结构图，如图4所示，另一实施方式的频率控制装置包括模块200至202：
数据获取模块200，用于获取超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值；其中，其中，超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
模型计算模块201，用于将温度、功率和电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率；
频率调整模块202，用于将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。
在其中一个实施例中，图5为再一实施方式的频率控制装置模块结构图，如图5所示，再一实施方式的频率控制装置还包括参考参数获取模块300和数据拟合模块301：
参考参数获取模块300，用于获取超声波换能器工作在特定频率下的温度、功率和电流值；
数据拟合模块301，用于对特定频率、温度、功率和电流值进行数据拟合，得到预设数据模型。
上述任一实施例的频率控制装置，通过将超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。
本发明实施例一方面还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例的频率控制方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一非易失性的计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，该程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各频率控制方法的实施例的流程。其中，的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
上述计算机设备，通过将超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。
基于上述示例，本发明实施例一方面还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一实施例的频率控制方法的步骤。
本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、终端、或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、RAM、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上述计算机存储介质，通过将超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率，并将激励信号源的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，提高超声波换能器的转换效率。
本发明实施例另一方面提供了一种超声波换能器系统：
图6为一实施方式的超声波换能器系统模块结构图，如图6所示，一实施方式的超声波换能器系统包括激励信号源400、超声波换能器401和频率控制装置402；
频率控制装置402包括温度采集模块100、电流值采集模块101、功率采集模块102和频率控制模块103；
频率控制模块103分别连接温度采集模块100、电流值采集模块101、功率采集模块102和激励信号源400；
温度采集模块100用于采集超声波换能器的温度；电流值采集模块101用于采集激励回路的电流值；功率采集模块102用于采集超声波换能器的功率；其中，超声波换能器401与激励信号源400构成激励回路；
频率控制模块103用于根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率；频率控制模块103还用于将激励信号源400的激励信号的频率调整为跟踪频率。
超声波换能器401分别连接激励信号源400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400用于接入外部供电，外部供电为激励信号源400的原始信号。
频率控制模块103用于根据跟踪频率调整激励信号源400中激励信号的频率；其中，激励信号源400通过激励信号激励超声波换能器401。
在其中一个实施例中，如图6所示，激励信号源400包括依次连接的整流电路500、BUCK电路501、全桥逆变器502、高频变压器503和电感调谐匹配电路504；其中，整流电路500用于接入外部供电；
频率控制模块103连接全桥逆变器502，用于根据频率变化参数调整全桥逆变器502中交流电的频率。
其中，整流电路500用于接入外部交流电，并将外部交流转换为直流电。BUCK电路501用于将整流电路500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502，全桥逆变器502可用于根据频率控制装置402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503用于输出高频交流电。电感调谐匹配电路504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504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501还连接频率控制装置402，用于根据频率控制装置402的输出改变输出直流电的电压。
在其中一个实施例中，频率控制模块103用于根据跟踪频率向全桥逆变器输出控制信号，以改变全桥逆变器502输出的交流电的频率。
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温度，电流值采集模块101采集激励回路的电流值，功率采集模块102采集超声波换能器的功率。进一步地，频率控制模块103根据温度、电流值和功率，通过预设数据模型得到跟踪频率，并将激励信号源400的激励信号的频率调整为跟踪频率。基于此，可根据超声波换能器的实际工作状态确定对应的跟踪频率，将激励信号的频率调整为跟踪频率可降低固有频率与激励信号的频率的差异，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 (10)

1.一种频率控制装置，其特征在于，包括温度采集模块、电流值采集模块、功率采集模块和频率控制模块；
所述频率控制模块分别连接所述温度采集模块、所述电流值采集模块和所述功率采集模块；
所述温度采集模块用于采集超声波换能器的温度；所述电流值采集模块用于采集激励回路的电流值；所述功率采集模块用于采集所述超声波换能器的功率；其中，所述超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
所述频率控制模块用于根据所述温度、所述电流值和所述功率，通过预设数据模型得到跟踪频率；所述频率控制模块还用于将所述激励信号源的激励信号的频率调整为所述跟踪频率。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1所述的频率控制装置，其特征在于，所述电流值采集模块包括电流采集电路。
4.根据权利要求1所述的频率控制装置，其特征在于，所述功率包括有功功率和无功功率。
5.根据权利要求1至4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。
6.一种频率控制方法，其特征在于，包括步骤：
获取超声波换能器的温度、功率，以及激励回路的电流值；其中，所述超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
将所述温度、所述功率和所述电流值代入预设数据模型，得到跟踪频率；
将所述激励信号源的激励信号的频率调整为所述跟踪频率。
7.根据权利要求6所述的频率控制方法，其特征在于，所述预设数据模型的建立过程，包括步骤：
获取超声波换能器工作在特定频率下的所述温度、所述功率和所述电流值；
对所述特定频率、所述温度、所述功率和所述电流值进行数据拟合，得到所述预设数据模型。
8.根据权利要求7所述的频率控制方法，其特征在于，所述对所述特定频率、所述温度、所述功率和所述电流值进行数据拟合的过程，包括步骤：
通过神经网络的方式，对所述特定频率、所述温度、所述功率和所述电流值进行数据拟合。
9.一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温度采集模块、电流值采集模块、功率采集模块和频率控制模块；
所述频率控制模块分别连接所述温度采集模块、所述电流值采集模块、所述功率采集模块和所述激励信号源；
所述温度采集模块用于采集超声波换能器的温度；所述电流值采集模块用于采集激励回路的电流值；所述功率采集模块用于采集所述超声波换能器的功率；其中，所述超声波换能器与激励信号源构成激励回路；
所述频率控制模块用于根据所述温度、所述电流值和所述功率，通过预设数据模型得到跟踪频率；所述频率控制模块还用于将所述激励信号源的激励信号的频率调整为所述跟踪频率。
10.根据权利要求9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，用于将所述全桥逆变器中交流电的频率调整为所述跟踪频率。
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