CN113019870A - 超声换能器的谐振频率跟踪方法、装置及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超声刀系统及其超声换能器的谐振频率跟踪方法、装置和能量发生器，该方法包括：确定超声换能器的参考谐振频率；以参考谐振频率激励超声换能器，并计算在参考谐振频率下，超声换能器的电路导纳实部初始值，记为参考值；继续以参考谐振频率激励超声换能器，按照预设的采样时间，更新计算超声换能器的电路导纳实部，记为采样值；基于采样值与参考值之间的变化差值，调整用于激励超声换能器的工作频率；将调整后的工作频率更新作为参考谐振频率，并返回以参考谐振频率激励超声换能器并计算在参考谐振频率下超声换能器的电路导纳实部初始值的步骤，以实现工作频率对谐振频率的跟踪。本申请可有效提高对谐振频率的跟踪准确率。
Description
技术领域
本申请涉及超声技术领域，特别涉及一种超声刀系统及其超声换能器的谐振频率跟踪方法、装置和能量发生器。
背景技术
超声换能器是一种利用压电元件实现电能到机械能(即，超声振动)转化的器件，其在超声清洗、超声加工以及超声医疗器械等领域均有广泛应用。一般地，为了能够提高超声换能器的能量转换效率，实现电能至机械能的最大转换，需要采用合适的工作频率来激励超声换能器，使超声换能器工作在谐振频率附近。在实际应用中，由于负载、温度的变化，以及超声换能器的振动疲劳等因素，超声换能器的谐振频率会发生漂移，因此，在超声系统工作过程中需要不断地对超声换能器的谐振频率进行跟踪。现有技术中多采用锁定超声换能器的等效电路的相位差零点或者总电路阻抗幅值的最小值的方法来跟踪超声换能器的谐振频率。
然而，在实践的过程中，发明人发现：超声换能器的等效电路的相位差零点和总电路阻抗幅值的最小值并非在任意情况下均与谐振频率保持对应关系，因此，现有技术在实际应用中的频率跟踪准确率并不高。
鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案，已经是本领域技术人员所亟需关注的。
发明内容
本申请的目的在于提供一种超声刀系统及其超声换能器的谐振频率跟踪方法、装置和能量发生器，以便有效提高对谐振频率的跟踪准确率。
为解决上述技术问题，第一方面，本申请公开了一种超声换能器的谐振频率跟踪方法，包括：
确定超声换能器的参考谐振频率；
以所述参考谐振频率激励所述超声换能器，并计算在所述参考谐振频率下，所述超声换能器的电路导纳实部初始值，记为参考值；
继续以所述参考谐振频率激励所述超声换能器，按照预设的采样时间，更新计算所述超声换能器的电路导纳实部，记为采样值；
基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值，调整用于激励所述超声换能器的工作频率；
将调整后的工作频率更新作为所述参考谐振频率，并返回所述以所述参考谐振频率激励所述超声换能器并计算在所述参考谐振频率下所述超声换能器的电路导纳实部初始值的步骤，以实现所述工作频率对谐振频率的跟踪。
可选地，所述确定超声换能器的参考谐振频率，包括：
在预设频率范围内进行扫频测试，以计算各个频率点下超声换能器的电路导纳实部，从而确定所述超声换能器的电路导纳实部的最大值；
将取得所述电路导纳实部的最大值的频率点确定为所述超声换能器的参考谐振频率。
可选地，所述在预设频率范围内进行扫频测试时所采用的能量低于所述超声换能器正常工作时所采用的能量。
可选地，所述采样值与所述参考值之间的变化差值根据下述公式确定：
En＝(Gtn-Grn)*sign(φtn-φrn)；
其中，En为第n次调整时计算得到的所述采样值与所述参考值之间的变化差值；Gtn为第n次调整时更新计算得到的采样值；Grn为第n次调整前获取到的参考值；φtn为更新计算所述采样值Gtn时所述超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差；φrn为计算所述参考值Grn时所述超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差。
可选地，在所述基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值，调整用于激励所述超声换能器的工作频率的步骤之前，所述方法还包括：
获取历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值；
则，所述基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值，调整用于激励所述超声换能器的工作频率，包括：
基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值以及历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值，根据预设控制公式调整用于激励所述超声换能器的工作频率；其中，所述预设控制公式为：
fn+1＝fn+En*P+EIn*I+EDn*D；
其中，fn+1为第n次调整后的工作频率以及第n+1次调整时采用的参考谐振频率；fn为第n次调整时采用的参考谐振频率；P为预设比例参数；I为预设积分参数；D为预设微分参数；EDn＝En-En-1；
第二方面，本申请还公开了一种超声换能器的谐振频率跟踪装置，包括：
参考频率确定单元，用于确定超声换能器的参考谐振频率；
频率设定单元，用于以所述参考谐振频率激励所述超声换能器，并计算在所述参考谐振频率下，所述超声换能器的电路导纳实部初始值，记为参考值；
采样单元，用于在所述频率设定单元以所述参考谐振频率激励所述超声换能器之后，按照预设的采样时间，更新计算所述超声换能器的电路导纳实部，记为采样值；
频率调整单元，用于基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值，调整用于激励所述超声换能器的工作频率；
频率跟踪单元，用于将调整后的工作频率更新作为所述参考谐振频率后反馈至所述频率设定单元，以实现所述工作频率对谐振频率的跟踪。
可选地，所述参考频率确定单元具体用于：
在预设频率范围内进行扫频测试，以计算各个频率点下超声换能器的电路导纳实部，从而确定所述超声换能器的电路导纳实部的最大值；
将取得所述电路导纳实部的最大值的频率点确定为所述超声换能器的参考谐振频率。
可选地，所述频率设定单元在预设频率范围内进行扫频测试时所采用的能量低于所述超声换能器正常工作时所采用的能量。
可选地，所述采样值与所述参考值之间的变化差值根据下述公式确定：
En＝(Gtn-Grn)*sign(φtn-φrn)；
其中，En为第n次调整时计算得到的所述采样值与所述参考值之间的变化差值；Gtn为第n次调整时更新计算得到的采样值；Grn为第n次调整前获取到的参考值；φtn为更新计算所述采样值Gtn时所述超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差；φrn为计算所述参考值Grn时所述超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差。
可选地，所述频率调整单元具体用于：
获取历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值；基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值以及历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值，根据预设控制公式调整用于激励所述超声换能器的工作频率；其中，所述预设控制公式为：
fn+1＝fn+En*P+EIn*I+EDn*D；
其中，fn+1为第n次调整后的工作频率以及第n+1次调整时采用的参考谐振频率；fn为第n次调整时采用的参考谐振频率；P为预设比例参数；I为预设积分参数；D为预设微分参数；EDn＝En-En-1；
第三方面，本申请还公开了一种能量发生器，包括：
处理器，其与所述超声换能器电连接；以及，
与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如上所述的任一种方法。
第四方面，本申请还公开了一种超声刀系统，包括：
超声刀；
超声换能器，其与所述超声刀连接，用于将接收到的超声激励信号转换为超声振动，并将所述超声振动传递给所述超声刀；
以及，
如上所述的能量发生器，其与所述超声换能器电连接，用于为所述超声换能器提供所述超声激励信号。
与现有技术相比，本申请所提供的超声刀系统及其超声换能器的谐振频率跟踪方法、装置和能量发生器的有益效果在于：本申请基于超声换能器的电路导纳实部最大值与谐振频率的对应关系，依据电路导纳实部的变化差值对激励超声换能器的工作频率进行周期调节，进而实现对超声换能器的谐振频率的实时跟踪，有效提高了对谐振频率的跟踪准确率。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请实施例公开的一种超声换能器的等效电路图；
图2为本申请实施例公开的一种超声换能器在轻负载状态下的谐振曲线图；
图3为本申请实施例公开的一种超声换能器在重负载状态下的谐振曲线图；
图4为本申请实施例公开的一种超声换能器的谐振频率跟踪方法的流程图；
图5为本申请实施例公开的又一种超声换能器的谐振频率跟踪方法的流程图；
图6为本申请实施例公开的一种超声换能器的谐振频率跟踪装置的结构框图；
图7为本申请实施例公开的一种超声刀系统的结构框图。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种超声刀系统及其超声换能器的谐振频率跟踪方法、装置和能量发生器，以便有效提高对谐振频率的跟踪准确率。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
当前，超声系统一般需要采用合适的工作频率来激励超声换能器，使超声换能器工作在谐振频率附近，以提高超声换能器的能量转换效率，实现电能至机械能的最大转换。参见图1，图1为本申请实施例公开的一种超声换能器的等效电路图，包括两个并联支路。
其中一个支路为静态支路，包括静态电容C0，静态电容C0多为压电陶瓷，容值由压电陶瓷振子的电极面积和厚度决定，一般在2nF-4nF左右；另一个支路为动态支路，包括动态电感Ls、动态电容Cs和动态电阻Rs三个串联器件。当动态电感Ls和动态电容Cs谐振时，超声换能器的等效电路的阻抗最小，为Rs。
在实际应用中，由于负载的变化(例如，在超声刀系统中，由于超声刀的不断切割令被切割的组织不断变薄，负载变小)、温度的变化，以及超声换能器的振动疲劳等因素，超声换能器的谐振频率会发生漂移，因此，在超声系统工作过程中需要不断地对超声换能器的谐振频率进行跟踪。现有技术中多采用锁定超声换能器的等效电路的相位差零点或者总电路阻抗幅值的最小值的方法来跟踪超声换能器的谐振频率。
然而，在实践的过程中，发明人发现：超声换能器的等效电路的相位差零点和总电路阻抗的最小值并非在任意情况下均与谐振频率保持对应关系。
具体地，请参见图2和图3，图2为本申请实施例公开的一种超声换能器在轻负载状态下的谐振曲线图；图3为本申请实施例公开的一种超声换能器在重负载状态下的谐振曲线图。图2和图3中的各类谐振曲线均通过在已知换能器的电路参数(比如，其具体可以为：静态电容C0为4nF，动态电感Ls为399mH，动态电容Cs为21pF)以及谐振频率(轻负载状态下的谐振频率为f1，重负载状态下的谐振频率为f2)的情况下，分别采用轻负载和重负载的负载参数(比如，其具体可以为：在轻负载状态下的动态电阻Rs为100Ω，在重负载状态下的动态电阻Rs为400Ω)，仿真得到。
其中，|ZPH|和|Z|分别为超声换能器的等效电路的相位和总阻抗幅值，|ZMPH|和|ZM|分别为超声换能器等效电路中动态支路的支路相位和支路阻抗幅值，G为超声换能器的等效电路的导纳实部。
如图2所示的轻负载状态下，支路阻抗幅值在f1处取得最小值、支路相位在f1处过零点；同时，等效电路的总阻抗幅值的最小值以及等效电路的相位零点也同样出现在f1处。由此说明：在轻负载状态下，支路阻抗幅值的最小值、支路的相位零点、等效电路的总阻抗幅值的最小值以及等效电路的相位零点均与谐振频率点具有对应关系。
而在如图3所示的重负载状态下，支路阻抗幅值在f2处取得最小值、支路相位在f2处过零。但是，此时等效电路的总阻抗幅值却是在低于f2的某个频点处取得最小值，等效电路的相位在f2处也并未过零点。由此说明：在重负载状态下，支路阻抗幅值的最小值和支路的相位零点与谐振频率点具有对应关系；但等效电路的总阻抗幅值的最小值和等效电路的相位零点却不再与谐振频率点具有对应关系。
由此可见，基于超声换能器的等效电路相位差零点和总阻抗幅值的最小值调整超声换能器的工作频率，难以实现准确的谐振频率跟踪。此外，虽然无论是在轻负载状态还是重负载状态下，所述支路阻抗幅值的最小值和所述支路的相位零点均与谐振频率点具有对应关系；但在实际应用中，难以测量或者计算得到动态支路的阻抗幅值或相位差，因此，同样无法基于这两个参数进行谐振频率的跟踪。
进一步地，对比图2和图3可见，无论是轻负载还是重负载情况下，超声换能器的等效电路的导纳实部(以下简称“电路导纳实部”)均在对应的谐振频率处取得最大值。因此，通过锁定各个采样时刻下电路导纳实部的最大值即可准确地实现谐振频率的跟踪。
又，考虑到在实际应用的过程中，受负载变化、温度变化、振动疲劳等工作条件的影响，电路导纳实部的最大值在宏观上看是动态变化的，但由于频率跟踪的采样时间较短，因此，可以认为电路导纳实部的最大值在相邻采样时间内基本不变。
鉴于此，本申请实施例提出了一种基于参考谐振频率的电路导纳实部进行谐振频率的跟踪方案。其中，所述“参考谐振频率”为已确定为位于谐振点的工作频率，在该参考谐振频率下计算得到的电路导纳实部初始值即为对应工作条件下的电路导纳实部最大值；从而，基于相邻采样时刻确定的参考谐振频率的电路导纳实部调整超声换能器的工作频率，可有效提高谐振频率跟踪的准确率。
具体地，参见图4所示，本申请实施例公开了一种超声换能器的谐振频率跟踪方法，其可以包括但不限于如下步骤：
S101：确定超声换能器的参考谐振频率。
具体地，参考谐振频率是指在任一个时刻确定的超声换能器的等效电路的谐振频率。本申请实施例可在正式启用超声系统对目标对象进行处理前或者在其工作的过程中，通过参数采样与计算来确定系统中超声换能器的参考谐振频率，以便在后续步骤中以参考谐振频率为起点来激励超声换能器。
其中，可具体基于超声换能器的电路导纳实部是否取得最大值而确定参考谐振频率。当然，本领域技术人员还可通过其他方式来确定参考谐振频率，例如，还可以检测超声换能器的振子(或者与其联动的执行机构如超声刀)的振幅，当振幅最大时，代表电能-机械能的转换效率最高，此时，激励超声换能器的工作频率即为谐振频率点。
S102：以参考谐振频率激励超声换能器，并计算在参考谐振频率下，超声换能器的电路导纳实部初始值，记为参考值。
其中，电路导纳实部初始值，是指在以参考谐振频率激励超声换能器时，计算得到的超声换能器的等效电路的导纳实部的初始值，即，第一次计算得到的电路导纳实部值。
其中，由于该电路导纳实部初始值是在谐振频率下计算得到的，而谐振频率与电路导纳实部的最大值具有恒定的对应关系，因此，该电路导纳实部初始值即为此工作条件下的电路导纳实部最大值，从而，可以作为后续调整激励超声换能器的工作频率的参考值(或者说，调整依据)。
S103：继续以参考谐振频率激励超声换能器，按照预设的采样时间，更新计算超声换能器的电路导纳实部，记为采样值。
在本申请实施例中，继续以所述参考谐振频率激励超声换能器，但在工作的过程中，受工作条件(负载、温度、振动疲劳等)变化的影响，超声换能器的谐振频率可能会存在漂移的情况，因此，本申请实施例需要按照预设的采样时间，更新计算超声换能器的电路导纳实部，以监控超声换能器的工作频率是否偏离了谐振点，此时，计算得到的电路导纳实部可记为采样值。
具体地，可按照预设的采样时间，采样获取超声换能器的等效电路的电流、电压以及相位差等电路状态参数；进而基于这些电路状态参数更新计算超声换能器的电路导纳实部，其计算公式可具体为：
G＝I0/V0*cos(φ0)；
其中，G为电路导纳实部；I0为等效电路的电流幅值；V0为等效电路的电压幅值；φ0为等效电路的电流与电压之间的相位差。
S104：基于采样值与参考值之间的变化差值，调整用于激励超声换能器的工作频率。
由于电路导纳实部的最大值始终与谐振频率相对应，并且，在相邻采样时刻电路导纳实部的最大值基本不变。因此，本申请实施例可具体采用误差法，基于上述采样值与参考值之间的变化差值对超声换能器的工作频率进行实时调整，通过控制超声换能器的电路导纳实部实时稳定在上一次位于谐振点时电路导纳实部值的附近，而令超声换能器的工作频率实时稳定在新的谐振频率附近。
S105：将调整后的工作频率更新作为参考谐振频率，并返回S102，以实现工作频率对谐振频率的跟踪。
在本申请实施例中，可以认为调整后的工作频率即为当前工作条件下的谐振频率，因此，可以将调整后的工作频率更新作为参考谐振频率，以此作为下一次调整的依据，返回上述步骤S102，如此循环，即可实现工作频率对谐振频率的跟踪。
具体地，本申请实施例每隔一个采样周期进行一次工作频率的调整，采样周期亦是调整周期。在每次进行调整时，上一采样周期调整后的工作频率具体作为本次调整时的参考谐振频率，对应的电路导纳实部作为本次调整时的参考值，而本周期内重新采样计算得到的电路导纳实部作为采样值。
电路导纳实部的参考值和采样值之间的变化差值，一定程度上可反映出对超声换能器的谐振频率的跟踪情况。当谐振频率发生了漂移后，变化差值很可能不为零，此时便可对激励超声换能器的工作频率进行调整，以令系统重新稳定工作在新的谐振频率附近。
此外，应当理解的是，在一些实施例中，为了进一步保证谐振频率跟踪的准确率，也可以在循环几个调整周期后，重新以更加精准的方式校准所述参考谐振频率，继而循环执行上述步骤S102至S105。
可见，本申请基于超声换能器的电路导纳实部最大值与谐振频率的对应关系，依据电路导纳实部的变化差值对激励超声换能器的工作频率进行周期调节，进而实现对超声换能器的谐振频率的实时跟踪，有效提高了对谐振频率的跟踪准确率。
参见图5所示，本申请实施例公开了又一种超声换能器的谐振频率跟踪方法，主要包括：
S201：在预设频率范围内进行扫频测试，以计算各个频率点下超声换能器的电路导纳实部，从而确定超声换能器的电路导纳实部的最大值。
S202：将取得电路导纳实部的最大值的频率点确定为超声换能器的参考谐振频率。
作为一种具体实施例，可通过扫频测试来确定出超声换能器在当前工作条件下的谐振频率。具体地，预设频率范围记为[flow，fhigh]，可以设置频率步长fstep和间隔时间tlow进行扫频。扫频过程中，在每个频率点处，都可进行电路状态参数采样，并计算出对应的电路导纳实部值。
由于超声换能器的电路导纳实部在谐振频率处取得最大值，因此，可将预设频率范围内令电路导纳实部取得最大值的频率点确定为参考谐振频率。
此外，由于在进行扫频测试的过程中，大部分频率点都不是谐振点，以这些非谐振频率激励超声换能器将会导致较低的能量转换效率，而无法有效转换为机械能的此类电能大多会转换为热能，从而致使超声换能器热量增加，不利于使用。因此，在一些实施例中，当在预设频率范围内进行扫频测试时，所采用的能量可低于超声换能器正常工作时所采用的能量，以便降低能耗，并减少器材损耗。
S203：以参考谐振频率激励超声换能器，并计算在参考谐振频率下，超声换能器的电路导纳实部初始值，记为参考值。
S204：继续以参考谐振频率激励超声换能器，按照预设的采样时间，更新计算超声换能器的电路导纳实部，记为采样值。
S205：基于采样值与参考值之间的变化差值，调整用于激励超声换能器的工作频率。
其中，优选地，采样值与参考值之间的变化差值可具体根据下述公式确定：
En＝(Gtn-Grn)*sign(φtn-φrn)；
其中，脚标n表示第n次调整；En为第n次调整时计算得到的采样值与参考值之间的变化差值；Gtn为第n次调整时更新计算得到的采样值；Grn为第n次调整前获取到的参考值(r表示reference)；φtn为更新计算采样值Gtn时超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差(即，在上一调节周期内对工作频率的调节操作完成后、进入本调节周期的一小段时间(即，所述预设的采样时间)后，超声换能器的等效电路的相位差)；φrn为计算参考值Grn时超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差(即，在上一调节周期内对工作频率的调节操作完成刚刚进入本调节周期时，超声换能器的等效电路的初始相位差)；sign()为符号函数。
并且，作为一种具体实施例，在基于变化差值对激励超声换能器的工作频率进行调节时可具体采用PID控制算法。在步骤S205之前，还可进一步获取历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值，以便进行PID控制。则，在步骤S205基于采样值与参考值之间的变化差值，调整用于激励超声换能器的工作频率时，具体可以包括：
基于采样值与参考值之间的变化差值以及历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值，根据预设控制公式调整用于激励超声换能器的工作频率；其中，预设控制公式可具体为：
fn+1＝fn+En*P+EIn*I+EDn*D；
其中，fn+1为第n次调整后的工作频率(其也是第n+1次调整时采用的参考谐振频率)；fn为第n次调整时采用的参考谐振频率；P为预设比例参数；I为预设积分参数；D为预设微分参数；EDn＝En-En-1；
当然，本领域技术人员可根据实际应用情况而为预设比例参数P、预设积分参数I和预设微分参数D选取合适的取值。
S206：将调整后的工作频率更新作为参考谐振频率，进入S203。
其中，应说明的是，上述步骤S203、S204以及S206分别与前述图4所示实施例中的步骤S102、S203以及S205类似，其具体实施方式可参考上述实施例中的相关描述，此处便不再赘述。
在本实施例中，通过扫频测试确定超声换能器的等效电路的导纳实部最大值，进而确定超声华能器的参考谐振频率，能够无需借助其他检测元件，即可直接确定超声换能器在当前工作条件下的谐振频率，并且无论当前负载状态如何，所确定的谐振频率均具有较高的准确性，有利于进一步提高谐振频率跟踪的准确率。
参见图6所示，本申请实施例公开了一种超声换能器的谐振频率跟踪装置300，该谐振频率跟踪装置300可以包括：
参考频率确定单元301，用于确定超声换能器的参考谐振频率；
频率设定单元302，用于以参考谐振频率激励超声换能器，并计算在参考谐振频率下，超声换能器的电路导纳实部初始值，记为参考值；
采样单元303，用于在频率设定单元302以参考谐振频率激励超声换能器之后，按照预设的采样时间，更新计算超声换能器的电路导纳实部，记为采样值；
频率调整单元304，用于基于采样值与参考值之间的变化差值，调整用于激励超声换能器的工作频率；
频率跟踪单元305，用于将调整后的工作频率更新作为参考谐振频率后反馈至频率设定单元302，以实现工作频率对谐振频率的跟踪。
进一步地，在上述内容的基础上，本申请实施例所公开的谐振频率跟踪装置300，在一种具体实施方式中，参考频率确定单元301具体用于：
在预设频率范围内进行扫频测试，以计算各个频率点下超声换能器的电路导纳实部，从而确定超声换能器的电路导纳实部的最大值；将取得电路导纳实部的最大值的频率点确定为超声换能器的参考谐振频率。
进一步地，在上述内容的基础上，本申请实施例所公开的谐振频率跟踪装置300，在一种具体实施方式中，参考频率确定单元301在预设频率范围内进行扫频测试时所采用的能量低于超声换能器正常工作时所采用的能量。
进一步地，在上述内容的基础上，本申请实施例所公开的谐振频率跟踪装置300，在一种具体实施方式中，采样值与参考值之间的变化差值根据下述公式确定：
En＝(Gtn-Grn)*sign(φtn-φrn)；
其中，En为第n次调整时计算得到的采样值与参考值之间的变化差值；Gtn为第n次调整时更新计算得到的采样值；Grn为第n次调整前获取到的参考值；φtn为更新计算采样值Gtn时超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差；φrn为计算参考值Grn时超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差。
进一步地，在上述内容的基础上，本申请实施例所公开的谐振频率跟踪装置300，在一种具体实施方式中，频率调整单元304具体用于：
获取历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值；基于采样值与参考值之间的变化差值以及历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值，根据预设控制公式调整用于激励超声换能器的工作频率；其中，预设控制公式为：
fn+1＝fn+En*P+EIn*I+EDn*D；
其中，fn+1为第n次调整后的工作频率(同时，其也是第n+1次调整时采用的参考谐振频率)；fn为第n次调整时采用的参考谐振频率；P为预设比例参数；I为预设积分参数；D为预设微分参数；EDn＝En-En-1；
可见，本申请提供的谐振频率跟踪装置基于超声换能器的电路导纳实部最大值与谐振频率的对应关系，依据电路导纳实部的变化差值对激励超声换能器的工作频率进行周期调节，从而实现对超声换能器的谐振频率的实时跟踪，有效提高了对谐振频率的跟踪准确率。
进一步地，本申请实施例还将上述谐振频率跟踪方法和装置应用于超声刀系统，并具体公开了一种超声刀系统400及其能量发生器401。
具体地，请参阅图7所示，为本申请公开的一种超声刀系统400，包括依次连接的能量发生器401、超声换能器402以及超声刀403。
其中，能量发生器401，亦称超声刀系统主机，用于为超声换能器402提供超声激励信号(具体为，电信号)以及其他控制信号。其可以包括：与超声换能器402电连接的处理器，以及，与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如上任一实施例所述的超声换能器的谐振频率跟踪方法，比如，执行如图4或图5所示的谐振频率跟踪方法。
需要说明的是，本申请所公开的能量发生器401中，其处理器和存储器可具体基于FPGA实现。同时，容易理解的是，本申请所公开的能量发生器401中还可包括其他一些用于实现激励输出功能的常规电路部件，比如，DSP、功率放大器、检测电路和数模转换器等。
其中，DSP与FPGA电连接，用于向FPGA输出激励控制信号以控制FPGA产生超声激励信号；功率放大器用于将超声激励信号放大后输出至超声换能器；检测电路用于对超声换能器的等效电路的电流、电压、相位差等电路状态参数进行采样检测；数模转换器与检测电路和FPGA电连接，用于将检测电路的采样/检测值经数模转换处理后输出至FPGA，以便FPGA基于这些采样/检测值计算对应的电路导纳实部值。
超声换能器402与能量发生器401电连接，其具体可以包括压电陶瓷片等压电元件，用于将从能量发生器401接收到超声激励信号(电能)转换为超声振动(机械能)，并将所述超声振动传递给超声刀403。
超声刀403具体包括可抓握的手柄、刀杆和端部执行器。端部执行器包括刀头和可相对刀头枢转的夹持臂，用于夹持组织并对组织进行切割和/或止血。
其中，刀头设置于刀杆的远端，而刀杆的近端则与超声换能器402连接，用于传递和放大超声换能器402所产生的超声振动。
在超声刀系统400工作时，能量发生器401发出超声激励信号驱动超声换能器402，而超声换能器402则将接收到的超声激励信号转换为超声振动，并通过超声刀403的刀杆将该超声振动传递和放大，最终带动刀头进行高频率往复运动，从而使刀头与夹持臂之间所夹持组织变性、断裂，以达到切割和/或闭合小血管的功能。
与射频电刀相比，超声刀对周围组织热损伤小且无烟雾产生，并且工作过程中没有电流通过人体、组织焦痂小，因而对患者的损伤小。
应当理解的是，由于本申请提供的超声刀系统及其能量发生器能够实现本申请提供的谐振频率跟踪方法，或者，运行本申请提供的谐振频率跟踪装置；因此，其同样具备本申请提供的谐振频率跟踪方法和装置的有益效果，此处便不再赘述。
另外，本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备/系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种超声换能器的谐振频率跟踪方法，其特征在于，包括：
确定超声换能器的参考谐振频率；
以所述参考谐振频率激励所述超声换能器，并计算在所述参考谐振频率下，所述超声换能器的电路导纳实部初始值，记为参考值；
继续以所述参考谐振频率激励所述超声换能器，按照预设的采样时间，更新计算所述超声换能器的电路导纳实部，记为采样值；
基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值，调整用于激励所述超声换能器的工作频率；
将调整后的工作频率更新作为所述参考谐振频率，并返回所述以所述参考谐振频率激励所述超声换能器并计算在所述参考谐振频率下所述超声换能器的电路导纳实部初始值的步骤，以实现所述工作频率对谐振频率的跟踪。
2.根据权利要求1所述的谐振频率跟踪方法，其特征在于，所述确定超声换能器的参考谐振频率，包括：
在预设频率范围内进行扫频测试，以计算各个频率点下超声换能器的电路导纳实部，从而确定所述超声换能器的电路导纳实部的最大值；
将取得所述电路导纳实部的最大值的频率点确定为所述超声换能器的参考谐振频率。
3.根据权利要求2所述的谐振频率跟踪方法，其特征在于，所述在预设频率范围内进行扫频测试时所采用的能量低于所述超声换能器正常工作时所采用的能量。
4.根据权利要求1至3任一项所述的谐振频率跟踪方法，其特征在于，所述采样值与所述参考值之间的变化差值根据下述公式确定：
En＝(Gtn-Grn)*sign(φtn-φrn)；
其中，En为第n次调整时计算得到的所述采样值与所述参考值之间的变化差值；Gtn为第n次调整时更新计算得到的采样值；Grn为第n次调整前获取到的参考值；φtn为更新计算所述采样值Gtn时所述超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差；φrn为计算所述参考值Grn时所述超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差。
5.根据权利要求4所述的谐振频率跟踪方法，其特征在于，在所述基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值，调整用于激励所述超声换能器的工作频率的步骤之前，所述方法还包括：
获取历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值；
则，所述基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值，调整用于激励所述超声换能器的工作频率，包括：
基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值以及历史调整过程中的各个采样值与参考值之间的变化差值，根据预设控制公式调整用于激励所述超声换能器的工作频率；其中，所述预设控制公式为：
fn+1＝fn+En*P+EIn*I+EDn*D；
其中，fn+1为第n次调整后的工作频率以及第n+1次调整时采用的参考谐振频率；fn为第n次调整时采用的参考谐振频率；P为预设比例参数；I为预设积分参数；D为预设微分参数；EDn＝En-En-1；
6.一种超声换能器的谐振频率跟踪装置，其特征在于，包括：
参考频率确定单元，用于确定超声换能器的参考谐振频率；
频率设定单元，用于以所述参考谐振频率激励所述超声换能器，并计算在所述参考谐振频率下，所述超声换能器的电路导纳实部初始值，记为参考值；
采样单元，用于在所述频率设定单元以所述参考谐振频率激励所述超声换能器之后，按照预设的采样时间，更新计算所述超声换能器的电路导纳实部，记为采样值；
频率调整单元，用于基于所述采样值与所述参考值之间的变化差值，调整用于激励所述超声换能器的工作频率；
频率跟踪单元，用于将调整后的工作频率更新作为所述参考谐振频率后反馈至所述频率设定单元，以实现所述工作频率对谐振频率的跟踪。
7.根据权利要求6所述的谐振频率跟踪装置，其特征在于，所述参考频率确定单元具体用于：
在预设频率范围内进行扫频测试，以计算各个频率点下超声换能器的电路导纳实部，从而确定所述超声换能器的电路导纳实部的最大值；
将取得所述电路导纳实部的最大值的频率点确定为所述超声换能器的参考谐振频率。
8.根据权利要求6或7所述的谐振频率跟踪装置，其特征在于，所述采样值与所述参考值之间的变化差值根据下述公式确定：
En＝(Gtn-Grn)*sign(φtn-φrn)；
其中，En为第n次调整时计算得到的所述采样值与所述参考值之间的变化差值；Gtn为第n次调整时更新计算得到的采样值；Grn为第n次调整前获取到的参考值；φtn为更新计算所述采样值Gtn时所述超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差；φrn为计算所述参考值Grn时所述超声换能器的等效电路的电流与电压的相位差。
9.一种能量发生器，其特征在于，包括：
处理器，其与所述超声换能器电连接；以及，
与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如权利要求1至5任一项所述的方法。
10.一种超声刀系统，其特征在于，包括：
超声刀；
超声换能器，其与所述超声刀连接，用于将接收到的超声激励信号转换为超声振动，并将所述超声振动传递给所述超声刀；
以及，
如权利要求9所述的能量发生器，其与所述超声换能器电连接，用于为所述超声换能器提供所述超声激励信号。
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