CN112798881A - 一种压电超声换能器参数测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电超声换能器参数测量设备技术领域，具体是一种压电超声换能器参数测量装置和方法，所述低波纹直流稳压电源的输出端分别电性连接LCD显示屏及触控屏模块电路、CPU、DDS直接数字频率合成器、恒流功率放大电路、模拟开关电路、数控低通滤波器、数控增益放大电路以及高通ADC电路的输入端，所述CPU通过总线电性连接LCD显示屏及触控屏模块电路。本发明设计合理，操作方便，整体机体小巧，同时具有信号精度、计算速度快的特点，求解出来的电超声换能器参数更加精准、直观，采用小步进频率扫频，通过带约束最小二乘拟合得到导纳圆数据，故所计算的压电超声换能器的参数误差更小、更精准，且扫频速度更快，所需测量时间更短。

Description

一种压电超声换能器参数测量装置和方法

技术领域

本发明涉及压电超声换能器参数测量设备技术领域，具体是一种压电超声换能器参数测量装置和方法。

背景技术

当前随着超声波在医疗、工业加工等行业应用的范围越来越普及，就需要对各种类型的压电超声换能器参数进行测量。压电超声换能器参数测量不准确会造成匹配失调，从而引发转换效率低浪费电能、引发换能器发热，继而缩短换能器寿命的诸多问题。实际检修、维护、生产的过程中对压电超声换能器的各项参数需要便捷、直观，而现有测量设备均为通用测量设备无法做到特定压电超声换能器领域的参数专项测量，故实际迫切需要一款参数测量便捷、准确、直观并且便于携带的测量设备。

传统的测量方法包括四臂电桥法、伏安法、谐振法以及反射法，其中四臂电桥法调节电桥平衡不便，只能用于中低频率；伏安法误差较大，主要用于低频；谐振法精度低主要用于高频；反射法频率窄，低阻抗，主要用于射频和微波；另外现有的测量设备一般是会直接使用所测量的频点参数，由于扫频频点无法无限相近，因为如果步进频率太小，一是硬件电路无法实现，二是数据过于庞大处理困难，由于步进频率有一定的间隔，真实的压电超声换能器参数不可能正好是所扫频的频点参数，故会造成参数测量误差偏大，同时现有的测量设备体积大，不便于使用，不会直观的显示所测参数，都是需要经过二次计算处理的，严重影响了其实用性。因此，本领域技术人员提供了一种压电超声换能器参数测量装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电超声换能器参数测量装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种压电超声换能器参数测量装置，包括LED显示屏及触控屏模块电路、低波纹直流稳压电源、CPU、DDS直接数字频率合成器、高通ADC电路、恒流功率放大电路、模拟开关电路、数控低通滤波器、数控增益放大电路、校准电阻网络以及待测压低阻值夹具，所述低波纹直流稳压电源的输出端分别电性连接LED显示屏及触控屏模块电路、CPU、DDS直接数字频率合成器、恒流功率放大电路、模拟开关电路、数控低通滤波器、数控增益放大电路以及高通ADC电路的输入端，所述CPU通过总线电性连接LED显示屏及触控屏模块电路，且CPU的GPIO管脚与模拟开关电路电性连接，所述CPU的SPI管脚与DDS直接数字频率合成器电性连接，所述 DDS直接数字频率合成器的输出端分别电性连接恒流功率放大电路以及高通ADC电路的输入端，所述恒流功率放大电路的输出端电性连接模拟开关电路的输入端，所述模拟开关电路的输出端分别电性连接校准电阻网络以及待测压低阻值夹具的输入端，所述校准电阻网络以及待测压低阻值夹具的输出端均电性连接数控增益放大电路，所述数控增益放大电路的输出端电性连接数控低通滤波器，所述数控低通滤波器的输出端电性连接高通 ADC电路，所述高通ADC电路的输出端与CPU的BUS管脚电性连接，所述CPU的I2C管脚分别电性连接高通ADC电路、数控低通滤波器以及数控增益放大电路。

作为本发明更进一步的方案：一种压电超声换能器参数测量装置和方法，包括以下操作方法：

S1、通电由低波纹直流稳压电源提供所需电源，CPU会检测校正参数是否有效，如果校正参数无效，会自动通过GPIO管脚控制模拟开关电路切换选通校准电阻网络进行全量程的扫频并拟合校正参数；

S2、待校正参数检测通过后，会通过连接LED显示屏及触控屏模块电路的显示系统显示状态并监测用户输入，如果用户选择校准指令，则执行重新校准流程；如果用户输入起始频率和终止频率并给出测量指令，系统进行测量流程。

作为本发明更进一步的方案：所述系统测量流程如下：

A1、CPU通过SPI总线控制DDS直接数字频率合成器生成从用户输入的起始频率至终止频率的频率、相位可调的正弦信号进行步进扫频；

A2、正弦信号一路输入高速ADC电路采样，一路输入恒流功率放大电路进行功率放大后经模拟开关电路输出，模拟开关电路在CPU的GPIO管脚控制下，可以选通外部待测的压电超声换能器(为方便使用这里提供待测电压低阻值夹具用于夹持待测的压电超声换能器的电极)，再输入至数控增益放大电路进行信号放大，信号再由数控低通滤波器滤波；

A3、高速ADC电路采样后进入CPU，CPU对采集到的数据进行DFT处理，得到的数据再乘以由矫正电阻网络矫正拟合得到的矫正系数，便得到所测试的压电超声换能器的导纳数据，并根据导纳数据在显示系统上绘制阻抗-频率、相位-频率曲线，在B-G坐标系绘制导纳图形和再由带约束最小二乘拟合曲线得到导纳圆图像，由拟合出的导纳圆关键点参数计算出所测试压电超声换能器的参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计合理，操作方便，采用数字集成电路保证了信号精度、降低了漂移误差以及采用矫正、数据拟合的等算法处理，保证了计算速度快、求解出来的电超声换能器参数精准、直观，同时整体机体小巧，完全满足医院、诊所等地的压电超声换能器设备的检修和维护以及工厂实际生产时检测使用；

采用小步进频率扫频，通过带约束最小二乘拟合得到导纳圆数据，求解压电超声换能器的参数是根据拟合得到导纳圆数据得到的，故所计算的压电超声换能器的参数误差更小、更精准，且扫频速度更快，所需测量时间更短。

附图说明

图1为一种压电超声换能器参数测量装置的电路拓扑框图；

图2为一种压电超声换能器参数测量装置和方法的流程框架图；

图3为一种压电超声换能器参数测量装置和方法中导纳图关键参数点图；

图4为一种压电超声换能器参数测量装置和方法中阻抗、相位对应的频率响应曲线图；

图5为一种压电超声换能器参数测量装置和方法中各导纳圆测量仪器的对比图。

具体实施方式

请参阅图1～5，本发明实施例中，一种压电超声换能器参数测量装置，包括LED显示屏及触控屏模块电路、低波纹直流稳压电源、CPU、DDS直接数字频率合成器、高通 ADC电路、恒流功率放大电路、模拟开关电路、数控低通滤波器、数控增益放大电路、校准电阻网络以及待测压低阻值夹具，所述低波纹直流稳压电源的输出端分别电性连接LED 显示屏及触控屏模块电路、CPU、DDS直接数字频率合成器、恒流功率放大电路、模拟开关电路、数控低通滤波器、数控增益放大电路以及高通ADC电路的输入端，所述CPU通过总线电性连接LED显示屏及触控屏模块电路，且CPU的GPIO管脚与模拟开关电路电性连接，所述CPU的SPI管脚与DDS直接数字频率合成器电性连接，所述DDS直接数字频率合成器的输出端分别电性连接恒流功率放大电路以及高通ADC电路的输入端，所述恒流功率放大电路的输出端电性连接模拟开关电路的输入端，所述模拟开关电路的输出端分别电性连接校准电阻网络以及待测压低阻值夹具的输入端，所述校准电阻网络以及待测压低阻值夹具的输出端均电性连接数控增益放大电路，所述数控增益放大电路的输出端电性连接数控低通滤波器，所述数控低通滤波器的输出端电性连接高通ADC电路，所述高通ADC电路的输出端与CPU的BUS管脚电性连接，所述CPU的I2C管脚分别电性连接高通ADC电路、数控低通滤波器以及数控增益放大电路。

进一步的，一种压电超声换能器参数测量装置和方法，包括以下操作方法：

S1、通电由低波纹直流稳压电源提供所需电源，CPU会检测校正参数是否有效，如果校正参数无效，会自动通过GPIO管脚控制模拟开关电路切换选通校准电阻网络进行全量程的扫频并拟合校正参数；

S2、待校正参数检测通过后，会通过连接LED显示屏及触控屏模块电路的显示系统显示状态并监测用户输入，如果用户选择校准指令，则执行重新校准流程；如果用户输入起始频率和终止频率并给出测量指令，系统进行测量流程。

进一步的，系统测量流程如下：

A1、CPU通过SPI总线控制DDS直接数字频率合成器生成从用户输入的起始频率至终止频率的频率、相位可调的正弦信号进行步进扫频；

A2、正弦信号一路输入高速ADC电路采样，一路输入恒流功率放大电路进行功率放大后经模拟开关电路输出，模拟开关电路在CPU的GPIO管脚控制下，可以选通外部待测的压电超声换能器(为方便使用这里提供待测电压低阻值夹具用于夹持待测的压电超声换能器的电极)，再输入至数控增益放大电路进行信号放大，信号再由数控低通滤波器滤波；

A3、高速ADC电路采样后进入CPU，CPU对采集到的数据进行DFT处理，得到的数据再乘以由矫正电阻网络矫正拟合得到的矫正系数，便得到所测试的压电超声换能器的导纳数据，并根据导纳数据在显示系统上绘制阻抗-频率、相位-频率曲线，在B-G坐标系绘制导纳图形和再由带约束最小二乘拟合曲线得到导纳圆图像，由拟合出的导纳圆关键点参数计算出所测试压电超声换能器的参数。

进一步的，测试压电超声换能器的参数计算公式如下：

静态电容：

动态电阻：

动态电感：

动态电容：

品质因数：

谐振频率：

反谐振频率：

机电耦合系数：

介电损耗：tanδ＝tan(fs到fp相位的平均值)，最大导纳Gmax为f1对应数据，最小导纳Gmin为f2对应数据。

进一步的，静态电容公式中Y_b0为拟合导纳圆的圆心的纵坐标。

进一步的，动态电阻公式中D为拟合导纳圆的直径。

综上所述：本发明设计合理，操作方便，采用数字集成电路保证了信号精度、降低了漂移误差以及采用矫正、数据拟合的等算法处理，保证了计算速度快、求解出来的电超声换能器参数精准、直观，同时整体机体小巧，完全满足医院、诊所等地的压电超声换能器设备的检修和维护以及工厂实际生产时检测使用；

采用小步进频率扫频，通过带约束最小二乘拟合得到导纳圆数据，求解压电超声换能器的参数是根据拟合得到导纳圆数据得到的，故所计算的压电超声换能器的参数误差更小、更精准，且扫频速度更快，所需测量时间更短。

对比例：

选择市面上常见的三款设备与本发明的设备进行体积对比(体积计算分别为外壳长宽高的乘积)；

三款设备分别为4294A阻抗分析仪、模拟式导纳仪、早期数字式导纳仪，同时将这三款设备依次标为1号、2号、3号，而本发明的设备则为4号；

经检测得出以下数据1号体积为49.45L、2号的体积为3.87L、三号的体积为2.55L，而4号也就是本发明设备的体积仅有0.46L，具体测量数据详见说明书附图5。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压电超声换能器参数测量装置，包括LCD显示屏及触控屏模块电路、低波纹直流稳压电源、CPU、DDS直接数字频率合成器、高通ADC电路、恒流功率放大电路、模拟开关电路、数控低通滤波器、数控增益放大电路、校准电阻网络以及待测压低阻值夹具，其特征在于，所述低波纹直流稳压电源的输出端分别电性连接LCD显示屏及触控屏模块电路、CPU、DDS直接数字频率合成器、恒流功率放大电路、模拟开关电路、数控低通滤波器、数控增益放大电路以及高通ADC电路的输入端，所述CPU通过总线电性连接LCD显示屏及触控屏模块电路，且CPU的GPIO管脚与模拟开关电路电性连接，所述CPU的SPI管脚与DDS直接数字频率合成器电性连接，所述DDS直接数字频率合成器的输出端分别电性连接恒流功率放大电路以及高通ADC电路的输入端，所述恒流功率放大电路的输出端电性连接模拟开关电路的输入端，所述模拟开关电路的输出端分别电性连接校准电阻网络以及待测压低阻值夹具的输入端，所述校准电阻网络以及待测压低阻值夹具的输出端均电性连接数控增益放大电路，所述数控增益放大电路的输出端电性连接数控低通滤波器，所述数控低通滤波器的输出端电性连接高通ADC电路，所述高通ADC电路的输出端与CPU的BUS管脚电性连接，所述CPU的I2C管脚分别电性连接高通ADC电路、数控低通滤波器以及数控增益放大电路。

2.根据权利要求1所述的一种压电超声换能器参数测量装置和方法，其特征在于，包括以下操作方法：

S1、通电由低波纹直流稳压电源提供所需电源，CPU会检测校正参数是否有效，如果校正参数无效，会自动通过GPIO管脚控制模拟开关电路切换选通校准电阻网络进行全量程的扫频并拟合校正参数；

S2、待校正参数检测通过后，会通过连接LCD显示屏及触控屏模块电路的显示系统显示状态并监测用户输入，如果用户选择校准指令，则执行重新校准流程；如果用户输入起始频率和终止频率并给出测量指令，系统进行测量流程。

3.根据权利要求2所述的一种压电超声换能器参数测量装置和方法，其特征在于，所述系统测量流程如下：

A1、CPU通过SPI总线控制DDS直接数字频率合成器生成从用户输入的起始频率至终止频率的频率、相位可调的正弦信号进行步进扫频；

A2、正弦信号一路输入高速ADC电路采样，一路输入恒流功率放大电路进行功率放大后经模拟开关电路输出，模拟开关电路在CPU的GPIO管脚控制下，可以选通外部待测的压电超声换能器(为方便使用这里提供待测电压低阻值夹具用于夹持待测的压电超声换能器的电极)，再输入至数控增益放大电路进行信号放大，信号再由数控低通滤波器滤波；

A3、高速ADC电路采样后进入CPU，CPU对采集到的数据进行DFT处理，得到的数据再乘以由矫正电阻网络矫正拟合得到的矫正系数，便得到所测试的压电超声换能器的导纳数据，并根据导纳数据在显示系统上绘制阻抗-频率、相位-频率曲线，在B-G坐标系绘制导纳图形和再由带约束最小二乘拟合曲线得到导纳圆图像，由拟合出的导纳圆关键点参数计算出所测试压电超声换能器的参数。

4.根据权利要求3所述的一种压电超声换能器参数测量装置和方法，其特征在于，所述测试压电超声换能器的参数计算公式如下：

静态电容：

动态电阻：

动态电感：

动态电容：

品质因数：

谐振频率：

反谐振频率：

机电耦合系数：

介电损耗：tanδ＝tan(fs到fp相位的平均值)，最大导纳Gmax为f1最表B轴对应数据，最小导纳Gmin为f2最表B轴对应数据。

5.根据权利要求4所述的一种压电超声换能器参数测量装置和方法，其特征在于，所述静态电容公式中Y_b0为拟合导纳圆的圆心的纵坐标。

6.根据权利要求4所述的一种压电超声换能器参数测量装置和方法，其特征在于，所述动态电阻公式中D为拟合导纳圆的直径。

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