CN112666393A - 一种超声波换能器谐振频率检测方法、系统和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子设备，尤其涉及一种超声波换能器谐振频率检测方法、系统和装置。一种超声波换能器谐振频率检测方法，包括步骤：基于标称频率确定多个第一周围频率，分别以多个所述第一周围频率激励超声波换能器，得到使用最大电流的第一周围频率作为预判频率；基于所述预判频率确定多个第二周围频率，分别以多个所述第二周围频率激励超声波换能器，得到使用最大电流的第二周围频率作为谐振频率。本发明提供的超声波换能器谐振频率检测方法只进行电流检测，不需要外部其他检测设备配合即可实现对超声换能器谐振频率进行测量，即可实现对超声波换能器的谐振频率检测，方便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备，尤其涉及一种超声波换能器谐振频率检测方法、系统和装置。
背景技术
超声治疗是利用超声的机械效应、温热效应和理化效应，使人体深层组织产生“内生热”，使局部血管扩张，血流加速、代谢增强、肌张力下降、疼痛减轻、结缔组织的延展性增加，进而促进对某些疾病的康复。超声治疗设备对人体进行治疗，主要是通过超声治疗设备内部的高压脉冲信号激励超声治疗头中的超声换能器，从而产生超声波发射，达到治疗目的。
目前，一般采用阻抗分析仪进行换能器谐振频率的判别，方法是将换能器的两级接入阻抗分析仪中，然后根据其阻抗和相位变化曲线，找到相位接近0，同时阻抗最小的频率，将其记录为谐振频率，该方案检测结果直观清晰，同时准确度也很高，但是需要依赖于专业人员参与，测试效率不高，同时阻抗分析仪价格昂贵，也限制了该方法的推广应用。另一种方法是根据换能器的实际声输出功率来进行判别，方法是将超声换能器接入到功率放大器输出端，然后利用信号发生装置在标称的谐振频率周边不断调整输出频率，直至发现一个能够让换能器有最声输出功率的激励频率，即为谐振频率，该方案成本较低，易于实现，但是操作过程较为复杂，而且需要应用到周边许多配套的工装设备，对人员技能要求较高，不便于自动化。
根据研究发现，超声输出的功率正相关于系统传递给换能器的电流，主要给予换能器一组扫频信号，从不同频率中检测出那个能够引发最大电流的那个频率，该频率即为最接近谐振频率的实际值，能够完全满足产品的性能需求。申请号为CN201710197992.5的专利文献公开了一种超声换能器谐振频率的检测方法、装置及超声波换能器，其中，所述超声换能器谐振频率的检测方法包括：在扫频过程中，检测超声换能器中激励信号输出回路的电流值变化状态；根据所述电流值变化状态确定所述超声换能器工作至反谐振点时的第一频率值；根据所述超声换能器的预设频宽和所述第一频率值计算得到第二频率值，将所述第二频率值作为所述超声换能器的工作频率。相比于现有技术，本方法所检测出的工作频率为超声换能器的谐振频率的准确性更高。此外，与所述述检测方法对应检测装置和超声波换能器具有同样的功能和效果。但是在检测上依然没能有效解决上述问题，而且操作时间周期较长，不利于快速检测。
因而现有的超声换能器谐振频率检测依然存在不足，还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种超声波换能器谐振频率检测方法、系统和装置，用于解决背景技术中提到的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种超声波换能器谐振频率检测方法，包括步骤：
基于标称频率确定多个第一周围频率，分别以多个所述第一周围频率激励超声波换能器，得到使用最大电流的第一周围频率作为预判频率；
基于所述预判频率确定多个第二周围频率，分别以多个所述第二周围频率激励超声波换能器，得到使用最大电流的第二周围频率作为谐振频率。
优选的所述的超声波换能器谐振频率检测方法，所述第一周围频率的获取步骤为：以所述标称频率为中值，在大于和小于的范围内以第一差值为间距确定得到多个第一周围频率；所述标称频率为一个所述第一周围频率。
优选的所述的超声波换能器谐振频率检测方法，所述第二周围频率的获取步骤为：以所述预判频率为中值，在大于和小于的范围内以第二差值为间距确定得到多个第二周围频率；所述预判频率为一个所述第二周围频率。
优选的所述的超声波换能器谐振频率检测方法，在检测前自动扫码获取或人工输入所述标称频率。
优选的所述的超声波换能器谐振频率检测方法，间隔预定时间检测超声波换能器是否接入，若是则执行检测步骤。
一种使用所述的超声波换能器谐振频率检测方法的超声波换能器谐振频率检测系统，包括控制模块、频率发生器、电流检测电路、功率放大电路和电源；所述频率发生器和所述电流检测电路分别与所述控制模块连接；所述频率发生器与所述功率放大电路串接；所述电源为所述控制模块、所述功率放大电路供电，所述电流检测电路接设在所述功率放大电路的供电线路上；所述功率放大电路接设待检测的超声波换能器。
优选的所述的超声波换能器谐振频率检测系统，所述电流检测电路包括依次串接的检测单元和放大单元；所述检测单元接设在所述功率放大电路的供电线路上，所述放大单元与所述控制模块连接。
优选的所述的超声波换能器谐振频率检测系统，所述放大单元对所述检测单元传输的检测数据进行低通滤波处理，得到包络信号后传输到所述控制模块中。
优选的所述的超声波换能器谐振频率检测系统，还包括显示器，与所述控制模块连接，用于显示超声波换能器的谐振频率。
一种超声波换能器谐振频率检测装置，包括所述的超声波换能器谐振频率检测系统。
相较于现有技术，本发明提供的一种超声波换能器谐振频率检测方法、系统和装置，具有以下有益效果：
1、本发明提供的超声波换能器谐振频率检测方法只进行电流检测，不需要外部其他检测设备配合即可实现对超声换能器谐振频率进行测量，即可实现对超声波换能器的谐振频率检测，方便快捷。
2、本发明提供的超声波换能器谐振频率检测系统，操作者只需要将换能器接入所述功率放大电路中，即可自动测量得到精确数据，对操作人员技能要求不高，能够有效降低操作人员的劳动强度，保证产品的测量准确度。
附图说明
图1是本发明提供的超声波换能器谐振频率检测系统的结构框图；
图2是本发明提供的电流检测电路的电路图；
图3是本发明提供的功率放大电路的供电电路的电路图；
图4是本发明提供的超声波换能器谐振频率检测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本领域技术人员应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述是本发明的示例性和说明性的具体实施例，不意图限制本发明。
本文中术语“包括”，“包含”或其任何其他变体旨在覆盖非排他性包括，使得包括步骤列表的过程或方法不仅包括那些步骤，而且可以包括未明确列出或此类过程或方法固有的其他步骤。同样，在没有更多限制的情况下，以“包含...一个”开头的一个或多个设备或子系统，元素或结构或组件也不会没有更多限制，排除存在其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件或其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件。在整个说明书中，短语“在一个实施例中”，“在另一个实施例中”的出现和类似的语言可以但不一定都指相同的实施例。
除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。
请参阅图1-图4，本发明提供一种超声波换能器谐振频率检测系统，包括控制模块1、频率发生器2、电流检测电路3、功率放大电路4和电源5；所述频率发生器2和所述电流检测电路3分别与所述控制模块1连接；所述频率发生器2与所述功率放大电路4串接；所述电源5为所述控制模块1、所述功率放大电路4供电，所述电流检测电路3接设在所述功率放大电路4的供电线路上；所述功率放大电路4接设待检测的超声波换能器。
具体的，本发明提供的检测系统通过所述控制模块1设定周围频率(包括第一/二周围频率)，进而使用所述频率发生器2分别响应相应的周围频率，进而通过所述功率放大电路4驱动待检测的超声波换能器，为了超声波换能器实现相应的周围频率，所述功率放大器会需要不同的电能，当电源5(电压恒定，例如恒定为24V)向所述功率放大电路4供电中，就会产生不同的电流，因此越接近谐振频率的周围频率出现时，则会出现使用电流为最大，因此检测系统协同工作。进一步的，所述控制模块1为MCU((Microcontroller Unit，微控制单元)，优选为STM32F103系列芯片；所述频率发生器2优选为AD9833BRMZ芯片；所述控制模块1通过IIC引脚控制频率发生器2AD9833BRMZ芯片，使之产生对应频率的方波脉冲信号。通过ADC引脚采集电流检测电路3的模拟检测信号，转化为数字信号后进行分析。电流检测电路3置于功率放大电路4的电源5供应端，串联进频率发生器2和功率放大电路4之间，用于测量流入功率放大电路4的实际电流值。频率发生器2产生的超声脉冲信号经过功率放大电路4进行增益放大后，输出到超声换能器，进行激励。所述控制模块1将检测到的电流值与实际脉冲频率进行对应，找到最大电流对应的频率值，显示到显示器，供操作人员知晓。
相应的，本发明还提供一种超声波换能器谐振频率检测方法，包括步骤：
基于标称频率确定多个第一周围频率，分别以多个所述第一周围频率激励超声波换能器，得到使用最大电流的第一周围频率作为预判频率；本步骤为检测方法的第一次筛选，此次筛选进行初判，目的在于将检测精度初步缩小，加快筛选的进度；同时为了能够快速找到所述预判频率，在选取所述第一周围频率时的标准较为差值较大，数量不用太多，例如加上所述标称频率在内，所述第一周围频率的数量为7-9个，在多个所述第一周围频率值按照大小排序时，相邻之间的差值可以是递进的，也可是相同的，也可是无规律的随机离散分布，在本实施例中不做限定。
基于所述预判频率确定多个第二周围频率，分别以多个所述第二周围频率激励超声波换能器，得到使用最大电流的第二周围频率作为谐振频率。在本实施例中，本步骤用于第二次筛选，目的是在预判频率的基础上得到超声波换能器的谐振频率，因此在多个所述第二周围频率按照大小排序后，相邻的两个所述第二周围频率值之间的差值越小越好，当然考虑到超声波换能器的频率偏移量在超过10KHz的情况下，其发射的能量会有严重的削弱，因此在进行第二次筛选时，相邻的两个所述第二周围频率值之间的差值优选为小于或等于10KHz。
优选的，在进一步的实施例中，不仅仅包括两次筛选，还可以进行更多次的筛选，筛选的步骤与前述步骤类似，不同在于后续步骤中，相邻的周围频率之间的差值越来越小。
作为优选方案，本实施例中，所述电流检测电路3包括依次串接的检测单元(未示图)和放大单元(未示图)；所述检测单元接设在所述功率放大电路4的供电线路上，所述放大单元与所述控制模块1连接。进一步的，所述检测单元优选型号为MAX4173芯片U17，所述放大单元优选型号为SGM8543的运算放大器U16；所述放大单元对所述检测单元传输的检测数据进行低通滤波处理，得到包络信号后传输到所述控制模块1中。还包括显示器，与所述控制模块1连接，用于显示超声波换能器的谐振频率。
具体的，MAX4173芯片是一款用于将电流转换为电压信号的检测芯片，其引脚8和引脚6分别接入供电输入线内，如图3所示，将给功率放大部分的供电部分中，串联高功率电阻，如R69和R70，电阻两端分别接入MAX4173的8脚和6脚，流经电阻的电流即转换为电压信号，如电流越大，电压幅度也越大。SGM8543是一个运算放大器，其对MAX4173芯片的检测输出脚4所输出的检测信号进行低通滤波，因为根据激励信号的特征，其是一个高频的信号，频率与换能器激励频率一致，达到MHz级别，而电路通过STM32F103芯片进行采样，很明显采样频率是不足的，为了避免欠采样，所以将MAX4173的输出进行低通处理，得到其包络信号，这样，STM32F103芯片的ADC采样频率就完全能够达到要求。
作为优选方案，本实施例中，所述第一周围频率的获取步骤为：以所述标称频率为中值，在大于和小于的范围内以第一差值为间距确定得到多个第一周围频率；所述标称频率为一个所述第一周围频率。进一步的，所述第一周围频率的数量为7-9个，包括所述标称频率在内；所述第一差值优选为50-150KHz，进一步优选为100KHz。所述第二周围频率的获取步骤为：以所述预判频率为中值，在大于和小于的范围内以第二差值为间距确定得到多个第二周围频率；所述预判频率为一个所述第二周围频率。进一步的，根据不同所述第二差值的大小，所述第二周围频率的数量不同，同时也是根据所述第一差值的大小进行范围的确定，例如，所述第一差值为100KHz，所述第二周围频率的取值范围为(I-100，I+100)KHz的范围内取值；当所述第二差值为10KHz时，所述第二周围频率的个数为19个；作为优选的，所述第二差值为1-10KHz，进一步优选为5KHz、10KHz，保证偏移量在合理范围内的基础上，保证检测的效率。在检测前自动扫码获取或人工输入所述标称频率。间隔预定时间检测超声波换能器是否接入，若是则执行检测步骤。
本发明的具体工作流程如图4所示，在本实施例中，首先上电启动，然后系统将检测是否有换能器接入，如果未发现换能器接入，将继续检测接入接口。如果检测到已经有换能器接入，即开始进行谐振频率检测。第一步，根据标称频率，来确定周围频率，一般换能器会有一个出厂的标称频率，围绕这个标称频率，系统将以100HKz为间距，产生标称频率左右各3组激励频率，然后将包括标称频率的这7组频率分别通过频率发生器2产生，经功率放大后激励换能器，同时，控制与数据分析电路采集MAX4173芯片经低通滤波后的采样信号，经模数转换后，得到其幅度值，在所有频率都测试后，选择一个产生最大电流的频率，然后以该频率为基础，以10KHz为间距，在该频率周围各产生9组激励频率，然后将包括该频率的共19组频率分别激励换能器，最终选择一组产生最大电流值的频率，该频率即定义为谐振频率。在实际生产中，10KHz的频率间隔足够覆盖真实谐振频率的带宽，完全能够满足产品性能要求。
本发明还提供一种超声波换能器谐振频率检测装置，包括所述的超声波换能器谐振频率检测系统。具体的工作原理为上述内容，此处不做赘述，本方案中创造性地利用了电流幅值大小来正相关于换能器的声输出强度，进而根据该正相关关系，利用最大电流所对应的激励频率，得到换能器的谐振频率，本发明结构简单，适用性强，且不需要其他外部检测设备即可独立实现，非常具有应用前景。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声波换能器谐振频率检测方法，其特征在于，包括步骤：
基于标称频率确定多个第一周围频率，分别以多个所述第一周围频率激励超声波换能器，得到使用最大电流的第一周围频率作为预判频率；
基于所述预判频率确定多个第二周围频率，分别以多个所述第二周围频率激励超声波换能器，得到使用最大电流的第二周围频率作为谐振频率。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器谐振频率检测方法，其特征在于，所述第一周围频率的获取步骤为：以所述标称频率为中值，在大于和小于的范围内以第一差值为间距确定得到多个第一周围频率；所述标称频率为一个所述第一周围频率。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器谐振频率检测方法，其特征在于，所述第二周围频率的获取步骤为：以所述预判频率为中值，在大于和小于的范围内以第二差值为间距确定得到多个第二周围频率；所述预判频率为一个所述第二周围频率。
4.根据权利要求1所述的超声波换能器谐振频率检测方法，其特征在于，在检测前自动扫码获取或人工输入所述标称频率。
5.根据权利要求4所述的超声波换能器谐振频率检测方法，其特征在于，间隔预定时间检测超声波换能器是否接入，若是则执行检测步骤。
6.一种使用权利要求1-5任一所述的超声波换能器谐振频率检测方法的超声波换能器谐振频率检测系统，其特征在于，包括控制模块、频率发生器、电流检测电路、功率放大电路和电源；所述频率发生器和所述电流检测电路分别与所述控制模块连接；所述频率发生器与所述功率放大电路串接；所述电源为所述控制模块、所述功率放大电路供电，所述电流检测电路接设在所述功率放大电路的供电线路上；所述功率放大电路接设待检测的超声波换能器。
7.根据权利要求6所述的超声波换能器谐振频率检测系统，其特征在于，所述电流检测电路包括依次串接的检测单元和放大单元；所述检测单元接设在所述功率放大电路的供电线路上，所述放大单元与所述控制模块连接。
8.根据权利要求7所述的超声波换能器谐振频率检测系统，其特征在于，所述放大单元对所述检测单元传输的检测数据进行低通滤波处理，得到包络信号后传输到所述控制模块中。
9.根据权利要求6所述的超声波换能器谐振频率检测系统，其特征在于，还包括显示器，与所述控制模块连接，用于显示超声波换能器的谐振频率。
10.一种超声波换能器谐振频率检测装置，其特征在于，包括权利要求6-9任一所述的超声波换能器谐振频率检测系统。
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