CN113082560A - 音波水膜培植术皮肤治疗仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种音波水膜培植术皮肤治疗仪，包括控制器、整流器、DCDC降压器、驱动器、全桥逆变器、阻抗匹配器、换能器、电流互感器、第一交流转直流电路、第一比较器、电压互感器、第二交流转直流电路、第二比较器及D触发器。本发明采用电流互感器和电压互感器分别对输出到换能器的电流和电压按一定比例进行缩小，将缩小后的信号经2个交流转直流电路转换为直流数值，再经过2个比较器输出数字信号传输给D触发器，控制器若检测输出到换能器的电压电流相位不一致时，则调节内部定时器PWM的输出频率，跟踪换能器的频率，避免换能器发生频率漂移，进而保证输出功率最大，提高运行效率。

Description

音波水膜培植术皮肤治疗仪
技术领域
本发明涉及皮肤治疗仪技术领域，尤其涉及一种音波水膜培植术皮肤治疗仪。
背景技术
音波水膜培植术皮肤治疗仪可通过每秒一百万次的高频震荡产生具有深层穿透性的超声波，超声波作用于人体后为机体吸收，声能转为热能，在温热作用下对皮肤细胞作柔和微细按摩促进人体微血管血液循环，加速新陈代谢促进营养物质吸收，提高机体防御能力，活化肌肤细胞，抵制病菌繁殖。
音波水膜培植术皮肤治疗仪一般包括整流、降压、逆变、匹配等环节，220V交流输入依次通过整流、降压、全桥逆变、阻抗匹配后接入超声波换能器，超声波换能器输出超声波作用于皮肤。传统音波水膜培植术皮肤治疗仪中，超声波换能器在发生频率漂移时会产生失谐的运行状态，导致输出功率降低，影响运行效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种音波水膜培植术皮肤治疗仪，以解决传统音波水膜培植术皮肤治疗仪中换能器发生频率漂移降低输出功率的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种音波水膜培植术皮肤治疗仪，包括控制器、整流器、DCDC降压器、驱动器、全桥逆变器、阻抗匹配器、换能器、电流互感器、第一交流转直流电路、第一比较器、电压互感器、第二交流转直流电路、第二比较器及D触发器；
外部交流输入依次经整流器、DCDC降压器、全桥逆变器、阻抗匹配器连接换能器，控制器的PWM输出引脚经驱动器连接全桥逆变器的开关管控制端；
电流互感器用于检测换能器的输入电流，电流互感器的输出端依次经第一交流转直流电路、第一比较器连接D触发器，第一比较器用于将第一交流转直流电路的输出转化为数字信号；
电压互感器用于检测换能器的输入电压，电压互感器的输出端依次经第二交流转直流电路、第二比较器连接D触发器，第二比较器用于将第二交流转直流电路的输出转化为数字信号；
D触发器的输出端连接控制器，D触发器用于根据第一比较器和第二比较器的输出得到换能器输出电流与输出电压的相位差，控制器用于根据D触发器的输出调整PWM信号的输出频率，以使所述相位差为零。
可选的，第一交流转直流电路包括AD763芯片U5，第一比较器包括比较器U7B及电阻R31，第二交流转直流电路包括AD763芯片U4，第二比较器包括比较器U6B，D触发器包括74HC74芯片；
电流互感器的输出端连接AD763芯片U5的1号引脚，AD763芯片U5的6号引脚经电阻R31接地，AD763芯片U5的6号引脚、电阻R31的公共端连接比较器U7B的同相端，比较器U7B的反相端接地，比较器U7B的输出端连接74HC74芯片的2号引脚；
电压互感器的输出端连接AD763芯片U4的2号引脚，AD763芯片U4的6号引脚连接比较器U6B的同相端，比较器U6B的反相端接地，比较器U6B的输出端连接74HC74芯片的3号引脚；
74HC74芯片的5号、6号引脚分别连接控制器。
可选的，第一交流转直流电路还包括电容C37～C38，电容C37串联接入电流互感器的输出端与AD763芯片U5的1号引脚之间，电流互感器的输出端、电容C37的公共端经电容C38接地。
可选的，第二交流转直流电路还包括二极管D3～D4，AD763芯片U4的2号引脚依次经二极管D3的正极、二极管D3的负极连接+5V电源，AD763芯片U4的2号引脚还依次经二极管D4的负极、二极管D4的正极连接-5V电源。
可选的，阻抗匹配器包括可变电容C1、电感L1及电感L3；
全桥逆变器输出端的一极依次经串联的电感L1、电感L3连接换能器输入端一极，全桥逆变器输出端的另一极连接换能器输入端的另一极，电感L1、电感L3的公共端经可变电容C1连接全桥逆变器输出端与全桥逆变器输出端的公共端。
可选的，驱动器包括EXB841芯片、三极管Q3及TLP521芯片；
控制器的PWM输出引脚连接三极管Q3的基极，EXB841芯片的14号引脚经三极管Q3连接TLP521芯片的3号引脚并接地，TLP521芯片的4号引脚连接+5V电源，EXB841芯片的5号引脚连接TLP521芯片的2号引脚，EXB841芯片的2号引脚连接TLP521芯片的1号引脚，EXB841芯片的3号引脚连接全桥逆变器的开关管控制端。
可选的，驱动器还包括与门、三极管Q4及SE555T定时器；
与门接入控制器的PWM输出引脚与三极管Q3的基极之间且与门的一个输入连接控制器的PWM输出引脚、与门的输出连接三极管Q3的基极；
与门的另一个输入连接SE555T定时器的3号引脚，三极管Q4的基极接地，+5V电源连接SE555T定时器的2号引脚并经三极管Q4接地。
可选的，驱动器还包括二极管D5及稳压管D7，EXB841芯片的6号引脚依次经二极管D5的正极、二极管D5的负极、稳压管D7的负极、稳压管D7的正极连接全桥逆变器的开关管集电极。
本发明的相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)采用电流互感器和电压互感器分别对输出到换能器的电流和电压按一定比例进行缩小，将缩小后的信号经2个交流转直流电路转换为直流数值，再经过2个比较器输出数字信号传输给D触发器，若D触发器最后输出的结果为高，则表明电压相位滞后于电流；若结果为低，则表明电压相位超前于电流，控制器若检测输出到换能器的电压电流相位不一致时，则调节内部定时器PWM的输出频率，跟踪换能器的频率，避免换能器发生频率漂移，进而保证输出功率最大，提高运行效率；
(2)通过AD736芯片的低阻抗输入端采集换能器的输入电流、高阻抗输入端采集换能器的输入电压，由于电流采集相当于串联、电压采集相当于并联，这样提高了信号采集和转换能力；
(3)可变电容C1、电感L1及电感L3构成阻抗匹配网络，控制器只需在系统未运行在最大输出功率状态时改变匹配电路中的可变电容C1即可满足匹配阻抗的要求，避免换能器的等效负载阻抗从谐振状态漂移为非谐振状态，避免减小输出电流、降低输出功率；
(4)在EXB841芯片的14引脚的输入端加入外部定时器SE555T用于延时全桥逆变电路中IGBT的输入信号，在IGBT关断时，利用几微秒的延时状态，确保其完全关断后再接入触发信号，保证每次IGBT都可实现软关断的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的音波水膜培植术皮肤治疗仪的结构框图；
图2为本发明的第一交流转直流电路、第一比较器、电压互感器、第二交流转直流电路、第二比较器及D触发器的电路图；
图3为本发明的阻抗匹配器的电路图；
图4为本发明的驱动器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例的音波水膜培植术皮肤治疗仪包括控制器、整流器、DCDC降压器、驱动器、全桥逆变器、阻抗匹配器、换能器、电流互感器、第一交流转直流电路、第一比较器、电压互感器、第二交流转直流电路、第二比较器及D触发器。外部交流输入依次经整流器、DCDC降压器、全桥逆变器、阻抗匹配器连接换能器，控制器的PWM输出引脚经驱动器连接全桥逆变器的开关管控制端。电流互感器用于检测换能器的输入电流，电流互感器的输出端依次经第一交流转直流电路、第一比较器连接D触发器，第一比较器用于将第一交流转直流电路的输出转化为数字信号。电压互感器用于检测换能器的输入电压，电压互感器的输出端依次经第二交流转直流电路、第二比较器连接D触发器，第二比较器用于将第二交流转直流电路的输出转化为数字信号。D触发器的输出端连接控制器，D触发器用于根据第一比较器和第二比较器的输出得到换能器输出电流与输出电压的相位差，控制器用于根据D触发器的输出调整PWM信号的输出频率，以使所述相位差为零。
本实施例中，控制器、整流器、DCDC降压器、驱动器、全桥逆变器、阻抗匹配器构成了超声波发生器。控制器、整流器、DCDC降压器、全桥逆变器均为常见电路，在此不再赘述。控制器可选型号为STM32，DCDC降压器可为buck变换器。
如图2所示，本实施例的第一交流转直流电路包括AD763芯片U5、电容C37～C38，第一比较器包括比较器U7B及电阻R31，第二交流转直流电路包括AD763芯片U4、二极管D3～D4，第二比较器包括比较器U6B，D触发器包括74HC74芯片。电流互感器的输出端经串联的电容C37连接AD763芯片U5的1号引脚，电流互感器的输出端、电容C37的公共端经电容C38接地，AD763芯片U5的2号引脚接地，AD763芯片U5的6号引脚经电阻R31接地，AD763芯片U5的6号引脚、电阻R31的公共端连接比较器U7B的同相端，比较器U7B的反相端接地，比较器U7B的输出端连接74HC74芯片的2号引脚。电压互感器的输出端连接AD763芯片U4的2号引脚，AD763芯片U4的2号引脚依次经二极管D3的正极、二极管D3的负极连接+5V电源，AD763芯片U4的2号引脚还依次经二极管D4的负极、二极管D4的正极连接-5V电源，AD763芯片U4的6号引脚连接比较器U6B的同相端，比较器U6B的反相端接地，比较器U6B的输出端连接74HC74芯片的3号引脚。74HC74芯片的5号、6号引脚分别连接控制器。
本实施例中，AD736芯片主要由输入放大器、全波整流器、有效值单元、偏置电路、输出放大器等单元器件组成，可以将200mV之内的交流信号转换为直流信号。AD736芯片的1号引脚为低阻抗输入端，2号引脚脚为高阻抗输入端，从而本实施例通过AD736芯片的低阻抗输入端采集换能器的输入电流、高阻抗输入端采集换能器的输入电压，由于电流采集相当于串联、电压采集相当于并联，这样提高了信号采集和转换能力。图2中C33～C36为平均电容，其大小会影响测量精确度，这里选用33μF容值的电容。整个系统采用电流互感器和电压互感器分别对输出到换能器的电流和电压按一定比例进行缩小，将缩小后的信号经2个AD736芯片转换为直流数值，再经过2个比较器输出数字信号传输给D触发器74HC74。若74HC74芯片最后输出的结果为高，则表明电压相位滞后于电流；若结果为低，则表明电压相位超前于电流。控制器若检测输出到换能器的电压电流相位不一致时，则调节内部定时器PWM的输出频率，跟踪换能器的频率，避免换能器发生频率漂移，进而保证输出功率最大，提高运行效率。电容C37用于隔直流，电容C38用于滤波。二极管D3、D4分别用于防止输入到AD736芯片的电压过高或过低。
如图3所示，本实施例的阻抗匹配器包括可变电容C1、电感L1及电感L3。全桥逆变器输出端的一极依次经串联的电感L1、电感L3连接换能器输入端一极，全桥逆变器输出端的另一极连接换能器输入端的另一极，电感L1、电感L3的公共端经可变电容C1连接全桥逆变器输出端与全桥逆变器输出端的公共端；其中
Figure BDA0003008578410000061
R1为可变电容C1、电感L1后级电路的等效电阻，ω为换能器的工作频率，C0为换能器的静态电容，Rm为换能器的质量、机械损耗折算的等效电阻。
换能器可以看作是整个系统的负载部分，要使负载能够获得最大的输出电流和输出功率，必须将负载的运行保持在谐振状态。图3中Lm、Cm分别是由换能器的质量、机械损耗等方面折算过来的等效参电感、等效电容。由于换能器的整体负载呈现容性性质，一般在其等效阻抗前端串联一电感元件补偿容性阻抗，同时降低有功损耗和高次谐波的影响。但实际使用时，换能器会在运行过程中由于温度、时间、损耗等不确定因素，造成换能器的等效负载阻抗从谐振状态漂移为非谐振状态，减小了输出电流，降低了输出功率，严重时会损坏换能器的内部振子。本实施例中，阻抗匹配器的等效阻抗可表示为
Figure BDA0003008578410000071
因为选择
Figure BDA0003008578410000072
则等效阻抗的虚部为零，由于(ωRmC0)2远小于1，取R1＝Rm，则等效阻抗最终为
Figure BDA0003008578410000073
从而等效阻抗直接取决于可变电容C1的大小。实际操作中由控制器实时系统是否运行在最大输出功率状态，若不是只需改变匹配电路中的可变电容C1即可满足匹配阻抗的要求。
如图4所示，本实施例的驱动器包括EXB841芯片、三极管Q3、TLP521芯片、与门、三极管Q4、SE555T定时器、二极管D5及稳压管D7。控制器的PWM输出引脚连接与门的一个输入，与门的输出连接三极管Q3的基极，EXB841芯片的14号引脚经三极管Q3连接TLP521芯片的3号引脚并接地，TLP521芯片的4号引脚连接+5V电源，EXB841芯片的5号引脚连接TLP521芯片的2号引脚，EXB841芯片的2号引脚连接TLP521芯片的1号引脚，EXB841芯片的3号引脚连接全桥逆变器的开关管控制端。与门的另一个输入连接SE555T定时器的3号引脚，三极管Q4的基极接地，+5V电源连接SE555T定时器的2号引脚并经三极管Q4接地。EXB841芯片的6号引脚依次经二极管D5的正极、二极管D5的负极、稳压管D7的负极、稳压管D7的正极连接全桥逆变器的开关管集电极。
EXB841芯片构成的优化驱动电路对脉冲信号提供保护，同时减小输出损耗，提高转换效率。稳压二极管D7可有效降低过流检测的电压阈值。在EXB841芯片的2脚和9脚之间接入2KΩ电阻R37和5V稳压管D9，用于保护内部电路的稳压结构，同时提高芯片寿命。在EXB841芯片的14引脚的输入端加入外部定时器SE555T用于延时全桥逆变电路中IGBT的输入信号，在IGBT关断时，利用几微秒的延时状态，确保其完全关断后再接入触发信号，保证每次IGBT都可实现软关断的功能。TLP521光耦合器保护电路与内部信号传输电路进行隔离。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种音波水膜培植术皮肤治疗仪，其特征在于，包括控制器、整流器、DCDC降压器、驱动器、全桥逆变器、阻抗匹配器、换能器、电流互感器、第一交流转直流电路、第一比较器、电压互感器、第二交流转直流电路、第二比较器及D触发器；
外部交流输入依次经整流器、DCDC降压器、全桥逆变器、阻抗匹配器连接换能器，控制器的PWM输出引脚经驱动器连接全桥逆变器的开关管控制端；
电流互感器用于检测换能器的输入电流，电流互感器的输出端依次经第一交流转直流电路、第一比较器连接D触发器，第一比较器用于将第一交流转直流电路的输出转化为数字信号；
电压互感器用于检测换能器的输入电压，电压互感器的输出端依次经第二交流转直流电路、第二比较器连接D触发器，第二比较器用于将第二交流转直流电路的输出转化为数字信号；
D触发器的输出端连接控制器，D触发器用于根据第一比较器和第二比较器的输出得到换能器输出电流与输出电压的相位差，控制器用于根据D触发器的输出调整PWM信号的输出频率，以使所述相位差为零。
2.如权利要求1所述的音波水膜培植术皮肤治疗仪，其特征在于，第一交流转直流电路包括AD763芯片U5，第一比较器包括比较器U7B及电阻R31，第二交流转直流电路包括AD763芯片U4，第二比较器包括比较器U6B，D触发器包括74HC74芯片；
电流互感器的输出端连接AD763芯片U5的1号引脚，AD763芯片U5的6号引脚经电阻R31接地，AD763芯片U5的6号引脚、电阻R31的公共端连接比较器U7B的同相端，比较器U7B的反相端接地，比较器U7B的输出端连接74HC74芯片的2号引脚；
电压互感器的输出端连接AD763芯片U4的2号引脚，AD763芯片U4的6号引脚连接比较器U6B的同相端，比较器U6B的反相端接地，比较器U6B的输出端连接74HC74芯片的3号引脚；
74HC74芯片的5号、6号引脚分别连接控制器。
3.如权利要求2所述的音波水膜培植术皮肤治疗仪，其特征在于，第一交流转直流电路还包括电容C37～C38，电容C37串联接入电流互感器的输出端与AD763芯片U5的1号引脚之间，电流互感器的输出端、电容C37的公共端经电容C38接地。
4.如权利要求2所述的音波水膜培植术皮肤治疗仪，其特征在于，第二交流转直流电路还包括二极管D3～D4，AD763芯片U4的2号引脚依次经二极管D3的正极、二极管D3的负极连接+5V电源，AD763芯片U4的2号引脚还依次经二极管D4的负极、二极管D4的正极连接-5V电源。
5.如权利要求1所述的音波水膜培植术皮肤治疗仪，其特征在于，阻抗匹配器包括可变电容C1、电感L1及电感L3；
全桥逆变器输出端的一极依次经串联的电感L1、电感L3连接换能器输入端一极，全桥逆变器输出端的另一极连接换能器输入端的另一极，电感L1、电感L3的公共端经可变电容C1连接全桥逆变器输出端与全桥逆变器输出端的公共端。
6.如权利要求1所述的音波水膜培植术皮肤治疗仪，其特征在于，驱动器包括EXB841芯片、三极管Q3及TLP521芯片；
控制器的PWM输出引脚连接三极管Q3的基极，EXB841芯片的14号引脚经三极管Q3连接TLP521芯片的3号引脚并接地，TLP521芯片的4号引脚连接+5V电源，EXB841芯片的5号引脚连接TLP521芯片的2号引脚，EXB841芯片的2号引脚连接TLP521芯片的1号引脚，EXB841芯片的3号引脚连接全桥逆变器的开关管控制端。
7.如权利要求6所述的音波水膜培植术皮肤治疗仪，其特征在于，驱动器还包括与门、三极管Q4及SE555T定时器；
与门接入控制器的PWM输出引脚与三极管Q3的基极之间且与门的一个输入连接控制器的PWM输出引脚、与门的输出连接三极管Q3的基极；
与门的另一个输入连接SE555T定时器的3号引脚，三极管Q4的基极接地，+5V电源连接SE555T定时器的2号引脚并经三极管Q4接地。
8.如权利要求6所述的音波水膜培植术皮肤治疗仪，其特征在于，驱动器还包括二极管D5及稳压管D7，EXB841芯片的6号引脚依次经二极管D5的正极、二极管D5的负极、稳压管D7的负极、稳压管D7的正极连接全桥逆变器的开关管集电极。
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