CN113533854B - 一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置，该装置包括依次连接的：电压电流信号的采样单元：用以将工作时超声换能器两端的电压信号和通过超声换能器的电流信号分别调整为同频低电压模拟信号，并将该模拟信号转化为数字信号采集；信号处理单元：包括数据运算和控制模块，用以接收处理采集到的两路数字信号，计算工作时超声换能器阻抗的模、相位、实部和虚部，并且根据工作时超声换能器的阻抗值，生成继电器的驱动信号；阻抗动态匹配单元：接收驱动信号并增强驱动信号的驱动能力，调整接入电路中的元件值，实现动态匹配。与现有技术相比，本发明能够实时检测工作时超声换能器的阻抗并进行动态匹配，提高换能器的电声转化效率。

Description

一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置

技术领域

本发明涉及超声换能器领域，尤其是涉及一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置。

背景技术

近年来治疗超声作为一种非侵入和微创的治疗手段，越来越受到临床关注。治疗超声的基本原理：通过将超声波的能量集中到一个焦点，作用于人体组织和器官，通过一系列的生物效应而达到治疗目的，治疗超声系统须通过最大化系统的输出效率来提高输出声功率，得到稳定的系统输出对安全有效的治疗至关重要，对系统本身而言，信号源和超声换能器间的阻抗不匹配会导致严重的反射，无功功率的消耗会产生大量热量，甚至会损害系统器件，因此，提高系统的稳定性须进行阻抗匹配。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利(CN09596891A)公开了一种超声换能器在线阻抗测量与动态匹配系统，包括：信号发生器和信号发生器，信号发生器和超声换能器之间有阻抗测量系统、阻抗匹配电路、单片机系统和驱动模块，该发明阻抗测量系统包括两个电压探头，一个电流探头，计算机通过LabVIEW平台控制示波器进行数据采样，在计算机中进行处理，计算机对处理结果进行分析，控制单片机产生驱动电感控制继电器和电容控制继电器实现阻抗的动态调节，但是，该系统的不足之处主要在于该系统所使用的电压探头、电流探头、LabVIEW平台、示波器和计算机等现有技术与手段难以实现治疗超声系统的集成。

中国专利(CN110646673A)公开了一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器，包括：阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块和单片机控制模块，该发明中磁致伸缩换能器工作频率为20kHz，在工作状态下呈现感性工作状态，通过三个精密采样电阻对电压和单流信号进行转化，通过差分放大器、比例放大器、过零比较器、D触发器和异或门等得到电压和电流信号的相位关系，单片机通过光耦控制继电器工作，根据得到的相位关系调整阻抗匹配模块内接入电容数量，该发明阻抗匹配模块根据相位差的大小调整接入电路中电容单元的大小，但是，该装置存在的不足之处主要在于该装置匹配电路中只通过电容匹配，匹配结果没有保证最大输出功率，也没有保证超声源和负载之间的匹配情况，而且该装置工作在相对较低频率(20kHz)，而治疗超声系统大多工作在高频范围(0.2～5MHz)，通过采样电阻进行电压和电流调整时会有严重的寄生成分，影响测量结果的准确性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置，该装置设置在超声激励源和超声换能器之间，该装置包括依次连接的：

电压电流信号的采样单元：用以将工作时超声换能器两端的电压信号和通过超声换能器的电流信号分别调整为同频低电压模拟信号，并将该模拟信号转化为数字信号采集；

信号处理单元：包括数据运算和控制模块，用以接收处理采集到的两路数字信号，计算工作时超声换能器阻抗的模、相位、实部和虚部，并且根据工作时超声换能器的阻抗值，生成继电器的驱动信号；

阻抗动态匹配单元：接收驱动信号并增强驱动信号的驱动能力，从而驱动继电器工作，调整接入电路中的元件值，实现动态匹配。

所述的电压电流信号的采样单元包括电压信号的调整电路、电流信号的调整电路以及模拟-数字信号的转换模块，所述的模拟-数字信号的转换模块通过第一输入端口与电流信号的调整电路连接，并且通过第二输入端口与电压信号的调整电路连接。

所述的电压信号的调整电路用以采集工作时超声换能器两端的电压信号，并将高电压信号衰减为同频低电压模拟信号，衰减倍数为10～100倍，所述的电流信号的调整电路用以采集通过超声换能器的电流信号，并将电流信号转化为同频低电压模拟信号，转化倍数为1～10倍。

所述的电压信号的调整电路和电流信号的调整电路的工作频率范围包含治疗超声的频率范围，所述的治疗超声的频率范围为0.2～5MHz。

所述的模拟-数字信号的转换模块的采样率不小于100kHz，最小分辨率为8位，根据需要选择信号输入范围以及单端输入或差分输入。

所述的数据运算和控制模块将采集的数字时域电压信号V(t)和电流信号I(t)通过傅里叶变换F[·]转化为频域信号U(w)和I(w)，根据频域电压和电流计算工作时换能器的阻抗值Z(w)、相位φ(w)、实部RE和虚部IM，表达式如下：

其中，w为角频率，

为电压信号的相位，

为电流信号的相位，Z(w)为阻抗的模。

所述的阻抗动态匹配单元包括依次连接的继电器驱动电路和二进制电容电感阵列，所述的继电器驱动电路与数据运算和控制模块连接，所述的二进制电容电感阵列包括二进制电容阵列和二进制电感阵列，用于将超声换能器工作时的阻抗匹配到功率放大器的最佳负载条件。

所述的二进制电容阵列由相互并联的多个接入电容以及一个基本电容组成，每个接入电容均分别串联对应的继电器，二进制电感阵列由相互串联的多个接入电感以及一个基本电感组成，每个接入电感均分别并联对应的继电器，所述的继电器驱动电路用于驱动二进制电容电感阵列中所有继电器的开关状态，从而调节阻抗动态匹配单元接入系统中电容值和电感值的大小。

所述的二进制电容电感阵列的电容值C的表达式为：

C＝C₀+n_C×ΔC

所述的二进制电容电感阵列的电感值L的表达式为：

L＝L₀+n_L×ΔL

其中，n_C和n_L分别为二进制电容电感阵列中电容和电感对应的二进制数值，C₀为基础电容，ΔC为步进电容，L₀为基础电感，ΔL为步进电感。

所述的二进制电容电感阵列根据超声换能器的阻抗值，在设定范围内可通过二分法获得最佳匹配条件，具体包括以下步骤：

1)数据运算和控制模块将继电器开关阵列的最大值和最小值分别存储在寄存器A和B中，将该时刻二进制电容阵列继电器开关对应的二进制值和二进制电感阵列继电器开关对应的二进制值求反后的值分别存储在寄存器C和D中；

2)通过二进制电容阵列对实部进行匹配，具体为：

21)当45≤RE≤55时，实部匹配良好，进行步骤3)；

22)当RE<45时，实部过度匹配，则该时刻寄存器C内的值为上个时刻寄存器C内的值和寄存器B内的值的平均值，同时寄存器A内的值变为上个时刻寄存器C内的值；

23)当RE>55时，实部匹配不足，则该时刻寄存器C内的值为上个时刻寄存器C内的值和寄存器A内的值的平均值，同时寄存器B内的值变为上个时刻寄存器C内的值；

3)实部匹配完成后，初始化寄存器A和B内的值，通过二进制电感阵列对虚部进行匹配，具体为：

31)当5≤IM≤5时，虚部匹配良好，匹配完成；

32)当IM<-5时，虚部匹配不足，则该时刻寄存器D内的值变为上个时刻寄存器D内的值和寄存器B内的值的平均值，同时寄存器A内的值变为上个时刻寄存器D内的值；

33)当RE>55时，实部匹配不足，该时刻寄存器D内的值为上个时刻寄存器D内的值和寄存器A内的值的平均值，同时寄存器B内的值变为上个时刻寄存器D内的值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明可实时测量工作时超声换能器的电压和电流信号，还可根据超声换能器的阻抗评估超声驱动源和换能器间的匹配情况。

2、本发明的电压电流信号的采样单元可代替基于示波器的电压电流测量技术，便于集成进超声系统并可扩展至多阵元超声换能器系统。

3、本发明可根据超声激励源的输出阻抗和负载功率最大值的原理设置最佳匹配的电容和电感参数。

附图说明

图1为本发明的超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置的结构示意图。

图2为电压信号的调整电路和电流信号的调整电路的原理示意图。

图3为二进制电容电感阵列的结构示意图。

图4为本发明一个实施例的结构示意图。

图5为二进制电容电感阵列匹配流程图。

附图标记说明：

1、电压电流信号的采样单元，2、信号处理单元，3、阻抗动态匹配单元，11、电压信号的调整电路，12、电流信号的调整电路，13、模拟-数字信号的转化模块，131、第一输入端口，132、第二输入端口，21、数据运算和控制模块，31、继电器驱动电路，32、二进制电容电感阵列。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例

如图1所示，本发明提供的一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置，包括依次连接的电压电流信号的采样单元1、信号处理单元2和阻抗动态匹配单元3，电压电流信号的采样单元1包括电压信号的调整电路11、电流信号的调整电路12和模拟-数字信号的转化模块13，信号处理单元2包括数据运算和控制模块21，阻抗动态匹配单元3包括继电器驱动电路31和二进制电容电感阵列32。

电压信号的调整电路11的输入分别接在超声换能器的正负两端，电流信号的调整电路12的输入端分别接在超声驱动信号源的负端和超声换能器的负端，电压信号的调整电路11和电流信号的调整电路12连接至模拟-数字信号的转化模块13的输入，如图2所示。

电压信号的调整电路11的基本原理是通过R1(8.2MΩ)、R2(8.2MΩ)、R3(3.6MΩ)和R4(1MΩ)串联，根据分压原理实现20倍的电压衰减输出V1，公式如下：

电压信号的调整电路11中的手动可调电容C1和C2是为了补偿高频工作条件下R1、R2、R3和R4的寄生成分对测量结果的影响。

电流信号的调整电路12的基本原理是通过高精密采样电阻R5(0.1Ω)将电流信号转化为电压信号，再通过差分放大电路放大20倍输出V2，最终转化倍数为2，公式如下：

电流信号的调整电路12中的手动可调电容C3和R6(10kΩ)是为了补偿高频工作条件下高精密采样电阻R5的寄生成分对测量结果的影响。

模拟-数字信号的转化模块13的采样率设置为50Msps，采样精度为12位，输入范围为-5V-+5V，采用单端输入，模拟-数字信号的转换模块13将采样后的数字信号输出到数据运算和控制模块21中进行运算处理。

数据运算和控制模块21与模拟-数字信号的转化模块13连接，对转化后的数字信号通过傅里叶变换F[f(t)]转化到频域U(w)和I(w)，其中w代表角频率。根据频域电压和电流计算工作时换能器的阻抗Z(w)、相位

实部RE和虚部IM。

公式如下：

继电器驱动电路31的输入和数据运算和控制模块21连接，数据运算和控制模块21输出的控制信号，经过继电器驱动电路31增强控制信号的驱动能力，从而控制继电器工作。

如图3所示，二进制电容电感阵列32包含二进制电容阵列和二进制电感阵列，二进制电容阵列由相互并联的接入电容C1-C6以及一个基本电容C0组成，C0为100pf，接入电容C1到C6分别为5pf，10pf，20pf，39pf，82pf和160pf，C1到C6的每个接入电容均分别串联对应的继电器，二进制电感阵列由相互串联的接入电感L1-L6以及一个基本电感L0组成，L0为4.7uH，接入电感L1到L6分别为0.1uH，0.2uH，0.47uH，0.82uH，1.5uH，3.3uH组成，L1到L6每个接入电感均分别并联对应的继电器，所有的继电器的开关状态受继电器驱动电路31的驱动信号控制。

数据运算和控制模块21通过计算超声换能器的实部和虚部，根据二进制电容电感阵列32的初始状态(控制C1到C5的继电器导通，控制L1到L5的继电器断开)通过二分法的方式，快速寻找最佳匹配条件下元件的值。

如图4所示，在本发明的其中一个实施例中，电压信号的调整电路和电流信号的调整电路均通过BNC接口和同轴电缆线进行连接，模拟-数字信号的转化模块是以ANALOGDEVICES公司的AD9226模数转化芯片为核心进行采样；该数据运算和控制模块采用ALTERA公司的以EP4CE115F29C7芯片为核心的CYVLON IV系列FPGA开发板进行数据处理和控制运算；模拟-数字信号的转化模块通过GPIO接口和FPGA开发板相连接；该继电器驱动电路采用的是意法半导体公司的ULN2003驱动芯片，该芯片是高耐压、大电流复合晶体管阵列，用以驱动二进制电容电感阵列中继电器开关；该继电器采用的是欧姆龙公司的G5V-1小型、高灵敏信号用继电器。

在匹配过程中，FPGA开发板根据计算所得的换能器的实部和虚部，根据二进制电容电感阵列的初始状态，将最终的匹配结果匹配至50欧姆纯阻状态，实际工作情况下设定一定的误差范围，具体的二分法匹配流程如图5所示，初始状态下二进制电容阵列继电器开关对应二进制为111110，二进制电感阵列继电器开关对应二进制为000001，FPGA开发板将继电器开关阵列最大值(111111)和最小值(000000)存储在寄存器A和B中，将该时刻二进制电容阵列继电器开关对应的二进制值和二进制电感阵列继电器开关对应的二进制值求反之后的状态也存储在寄存器C和D中，先通过二进制电容阵列对实部进行匹配，具体方式如下：

(1)当45≤RE≤55时，实部匹配良好，下一步进行电感匹配；

(2)当RE<45时，实部过度匹配，该时刻寄存器C内的值为上个时刻寄存器C内的值和寄存器B内的值的平均值，同时寄存器A内的值变为上个时刻寄存器C内的值；

(3)当RE>55时，实部匹配不足，该时刻寄存器C内的值为上个时刻寄存器C内的值和寄存器A内的值的平均值，同时寄存器B内的值变为上个时刻寄存器C内的值。

实部匹配完成后，初始化寄存器A和B内的值，再通过二进制电感阵列对虚部进行匹配，具体方式如下：

(1)当5≤IM≤5时，虚部匹配良好，匹配完成；

(2)当IM<-5时，虚部匹配不足，该时刻寄存器D内的值变为上个时刻寄存器D内的值和寄存器B内的值的平均值，同时寄存器A内的值变为上个时刻寄存器D内的值；

(3)当RE>55时，实部匹配不足，该时刻寄存器D内的值为上个时刻寄存器D内的值和寄存器A内的值的平均值，同时寄存器B内的值变为上个时刻寄存器D内的值。

匹配过程中寄存器C内的值实时输出到二进制电容阵列，寄存器D内的值求反后实时输出到二进制电感阵列。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种超声换能器的阻抗在线测量及动态匹配装置，该装置设置在超声激励源和超声换能器之间，其特征在于，该装置包括依次连接的：

电压电流信号的采样单元(1)：用以将工作时超声换能器两端的电压信号和通过超声换能器的电流信号分别调整为同频低电压模拟信号，并将该模拟信号转化为数字信号采集；

信号处理单元(2)：包括数据运算和控制模块(21)，用以接收处理采集到的两路数字信号，计算工作时超声换能器阻抗的模、相位、实部和虚部，并且根据工作时超声换能器的阻抗值，生成继电器的驱动信号；

阻抗动态匹配单元(3)：接收驱动信号并增强驱动信号的驱动能力，从而驱动继电器工作，调整接入电路中的元件值，实现动态匹配；

所述的电压电流信号的采样单元(1)包括电压信号的调整电路(11)、电流信号的调整电路(12)以及模拟-数字信号的转换模块(13)，所述的模拟-数字信号的转换模块(13)通过第一输入端口(131)与电流信号的调整电路(12)连接，并且通过第二输入端口(132)与电压信号的调整电路(11)连接；

所述的电压信号的调整电路(11)用以采集工作时超声换能器两端的电压信号，并将高电压信号衰减为同频低电压模拟信号，衰减倍数为10～100倍，所述的电流信号的调整电路(12)用以采集通过超声换能器的电流信号，并将电流信号转化为同频低电压模拟信号，转化倍数为1～10倍；

所述的电压信号的调整电路(11)和电流信号的调整电路(12)的工作频率范围包含治疗超声的频率范围，所述的治疗超声的频率范围为0.2～5MHz；

所述的模拟-数字信号的转换模块(13)的采样率不小于100kHz，最小分辨率为8位，根据需要选择信号输入范围以及单端输入或差分输入；

所述的数据运算和控制模块(21)将采集的数字时域电压信号V(t)和电流信号I(t)通过傅里叶变换F[·]转化为频域信号U(w)和I(w)，根据频域电压和电流计算工作时换能器的阻抗值Z(w)、相位φ(w)、实部RE和虚部IM，表达式如下：

其中，w为角频率，

为电压信号的相位，

为电流信号的相位，|Z(w)|为阻抗的模；

所述的阻抗动态匹配单元(3)包括依次连接的继电器驱动电路(31)和二进制电容电感阵列(32)，所述的继电器驱动电路(31)与数据运算和控制模块(21)连接，所述的二进制电容电感阵列(32)包括二进制电容阵列和二进制电感阵列，用于将超声换能器工作时的阻抗匹配到功率放大器的最佳负载条件；

所述的二进制电容阵列由相互并联的多个接入电容以及一个基本电容组成，每个接入电容均分别串联对应的继电器，二进制电感阵列由相互串联的多个接入电感以及一个基本电感组成，每个接入电感均分别并联对应的继电器，所述的继电器驱动电路(31)用于驱动二进制电容电感阵列(32)中所有继电器的开关状态，从而调节阻抗动态匹配单元(3)接入系统中电容值和电感值的大小；

所述的二进制电容电感阵列(32)的电容值C的表达式为：

C＝C₀+n_C×ΔC

所述的二进制电容电感阵列(32)的电感值L的表达式为：

L＝L₀+n_L×ΔL

其中，n_C和n_L分别为二进制电容电感阵列中电容和电感对应的二进制数值，C₀为基础电容，ΔC为步进电容，L₀为基础电感，ΔL为步进电感；

所述的二进制电容电感阵列(32)根据超声换能器的阻抗值，在设定范围内可通过二分法获得最佳匹配条件，具体包括以下步骤：

1)数据运算和控制模块(21)将继电器开关阵列的最大值(111111)和最小值(000000)分别存储在寄存器A和B中，将该时刻二进制电容阵列继电器开关对应的二进制值和二进制电感阵列继电器开关对应的二进制值求反后的值分别存储在寄存器C和D中；

2)通过二进制电容阵列对实部进行匹配，具体为：

21)当45≤RE≤55时，实部匹配良好，进行步骤3)；

22)当RE<45时，实部过度匹配，则该时刻寄存器C内的值为上个时刻寄存器C内的值和寄存器B内的值的平均值，同时寄存器A内的值变为上个时刻寄存器C内的值；

23)当RE>55时，实部匹配不足，则该时刻寄存器C内的值为上个时刻寄存器C内的值和寄存器A内的值的平均值，同时寄存器B内的值变为上个时刻寄存器C内的值；

3)实部匹配完成后，初始化寄存器A和B内的值，通过二进制电感阵列对虚部进行匹配，具体为：

31)当5≤IM≤5时，虚部匹配良好，匹配完成；

32)当IM<-5时，虚部匹配不足，则该时刻寄存器D内的值变为上个时刻寄存器D内的值和寄存器B内的值的平均值，同时寄存器A内的值变为上个时刻寄存器D内的值；

33)当RE>55时，实部匹配不足，该时刻寄存器D内的值为上个时刻寄存器D内的值和寄存器A内的值的平均值，同时寄存器B内的值变为上个时刻寄存器D内的值。

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