CN113899947B - 一种超声换能器获取谐振频率及校准功率方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声换能器获取谐振频率及校准功率方法和系统，包括：步骤S1、上位机根据谐振频率参考值确定扫频范围；步骤S2、上位机基于扫频范围向主控单元下发扫频指令；步骤S3、主控单元根据扫频指令对超声波换能器进行扫频以获得与扫频指令对应的阻抗数据；步骤S4、上位机根据阻抗数据和扫频指令确定超声波换能器的实际谐振频率。本发明可基于谐振频率参考值设定扫频范围，并基于扫频范围扫描出超声波换能器的实际谐振频率，使输出能量最大化，提高电声转化效率，且获取效率高，误差小。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器的技术领域，更具体地说，涉及一种超声换能器获取谐振频率及校准功率方法和系统。
背景技术
随着现代科学技术的进步，近些年超声波在医学中的使用范围日益广泛，已远远超出原来理疗科的一般超声理疗用法，已广泛用于超声成像、超声诊断、超声治癌、泌尿系碎石、口腔医学、基础及实验医学等。超声波换能器是一种将电信号转换成超声波信号的器件，在超声波应用中需要对超声换能器进行频率特性分析、功率校准，良好的频率及阻抗匹配电路有利于优化超声波发射波形，提高电声转化效率，以达到更高的传输效率。然而，目前的方法采用手动调节记录的方式，效率太低，误差太大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种超声换能器获取谐振频率及校准功率方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超声换能器获取谐振频率及校准功率方法，包括：
步骤S1、上位机根据所述谐振频率参考值确定扫频范围；
步骤S2、所述上位机基于所述扫频范围向主控单元下发扫频指令；
步骤S3、所述主控单元根据所述扫频指令对超声波换能器进行扫频以获得与所述扫频指令对应的阻抗数据；
步骤S4、所述上位机根据所述阻抗数据和所述扫频指令确定所述超声波换能器的实际谐振频率。
在本发明所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法中，所述步骤S4之后还包括：
步骤S5、所述上位机将所述实际谐振频率和与所述实际谐振频率对应的谐振阻抗值发送给所述主控单元；
步骤S6、所述主控单元将所述实际谐振频率和所述谐振阻抗值存储至所述超声波换能器中的存储器中。
在本发明所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法中，所述步骤S3包括：
步骤S31、所述主控单元根据所述扫频指令，获取初始输出电压、初始驱动频率、自增频率值和最大驱动频率；
步骤S32、所述主控单元根据所述初始输出电压和所述初始驱动频率控制超声波驱动电路输出的驱动信号；
步骤S33、所述主控单元获取所述超声波换能器返回的电流采样值，并根据所述电流采样值计算出与所述初始驱动频率对应的初始阻抗，并将所述初始阻抗发送给所述上位机；
步骤S34、所述主控单元根据所述自增频率值重复步骤S31至步骤S33进行频率扫描，直至达到最大驱动频率，以获得所述阻抗数据。
在本发明所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法中，所述方法还包括：
步骤SS1、所述上位机根据所述超声波换能器的输出功率量程分成若干个目标功率；
步骤SS2、所述上位机将所述若干个目标功率发送给所述主控单元；
步骤SS3、所述主控单元根据所述若干个目标功率进行功率校准，以获得与所述若干个目标功率对应的若干个电压数据；
步骤SS4、所述上位机根据所述若干个目标功率和所述若干个电压数据，获得与目标功率对应的电压数据组。
在本发明所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法中，所述步骤SS4之后还包括：
步骤SS5、所述上位机将所述与目标功率对应的电压数据组发送给所述主控单元；
步骤SS6、所述主控单元将所述与目标功率对应的电压数据组存储至所述超声换能器中的存储器中。
在本发明所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法中，所述步骤SS3包括：
步骤SS31、所述主控单元从所述存储器中读取所述实际谐振频率；
步骤SS32、所述主控单元接收所述上位机下发的校准指令，以获得所述若干个目标功率；
步骤SS33、所述主控单元所述若干个目标功率，对所述若干个目标功率中的第一目标功率和所述实际谐振频率控制超声波驱动电路的输出电压；
步骤SS34、所述主控单元获取所述超声波换能器返回的电流采样值；
步骤SS35、所述主控单元根据所述电流采样值和所述超声波驱动电路输出的当前电压值计算出实时功率；
步骤SS36、所述主控单元判断所述实时功率是否等于所述第一目标功率，若是，获取所述当前电压值；所述当前电压值为与所述第一目标功率对应的电压数据；
步骤SS37、重复步骤SS33至步骤SS36，依次获得与所述若干个目标功率中其余的剩下的目标功率对应的电压数据；
步骤SS38、所述主控单元将与所述若干个目标功率对应的电压数据发送给所述上位机。
本发明还提供一种超声波换能器，包括：超声波振动片、存储器、温度传感器以及电流采样电路；
所述超声波振动片用于将电信号转换为超声波信号；
所述存储器用于存储实际谐振频率、谐振阻抗值和与目标功率对应的电压数据组；
所述电流采样电路用于采集所述超声波振动片的电流并输出电流采样值；
所述温度传感器用于检测所述超声波换能器的实时温度并输出温度检测信号。
在本发明所述的超声波换能器中，所述超声波振动片包括：超声波陶瓷振动片。
本发明还提供一种超声换能器获取谐振频率及校准功率系统，包括：以上所述的超声波换能器、上位机、主控单元以及超声波驱动电路；
所述上位机用于向所述主控单元下发控制指令；
所述主控单元根据所述控制指令控制所述超声波驱动电路的驱动信号；
所述超声波驱动电路根据所述主控单元的控制驱动所述超声波换能器以实现对所述超声波换能器的谐振频率获取或者功率校准。
在本发明所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率系统中，还包括：超声波功率计；
所述超声波功率计与所述主控单元通过串口连接，用于对所述超声波换能器进行功率检测，并把实时功率传输至所述主控单元。
实施本发明的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法，具有以下有益效果：包括：步骤S1、上位机根据谐振频率参考值确定扫频范围；步骤S2、上位机基于扫频范围向主控单元下发扫频指令；步骤S3、主控单元根据扫频指令对超声波换能器进行扫频以获得与扫频指令对应的阻抗数据；步骤S4、上位机根据阻抗数据和扫频指令确定超声波换能器的实际谐振频率。本发明可基于谐振频率参考值设定扫频范围，并基于扫频范围扫描出超声波换能器的实际谐振频率，使输出能量最大化，提高电声转化效率，且获取效率高，误差小。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的超声波换能器的原理框图；
图2是本发明提供的超声换能器获取谐振频率及校准功率系统的原理框图；
图3是本发明提供的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法实施例一的流程示意图；
图4是本发明提供的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法实施例二的流程示意图；
图5是本发明提供的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法实施例三的流程示意图；
图6是本发明提供的超声波换能器等效阻抗与频率关系图；
图7是本发明提供的超声波换能器目标功率与输出电压关系图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1，为本发明提供的超声波换能器10一可选实施例的原理框图。
如图1所示，该超声波换能器10可包括：超声波振动片101、存储器102、温度传感器103以及电流采样电路104。
超声波振动片101用于将电信号转换为超声波信号。可选的，该超声波振动片101包括：超声波陶瓷振动片。
存储器102用于存储实际谐振频率、谐振阻抗值和与目标功率对应的电压数据组。
电流采样电路104用于采集超声波振动片101的电流并输出电流采样值。
温度传感器103用于检测超声波换能器10的实时温度并输出温度检测信号。其中，当超声波换能器10内的温度大于上限值时，超声振动片停止输出，防止温度过高把人灼伤。
通过在超声波换能器10中设置存储器102以存储超声波换能器10自身的实际谐振频率、谐振阻抗值可以在进行超声波功率校准时直接读取存储器102中的实际谐振频率，并以该实际谐振频率作为驱动频率，使得能量输出最大化，提高超声波换能器10的转化效率。
参考图2，为本发明提供的超声换能器获取谐振频率及校准功率系统的原理框图。
如图2所示，该超声换能器获取谐振频率及校准功率系统包括：本发明实施例公开的超声波换能器10、上位机40、主控单元20以及超声波驱动电路30。
上位机40用于向主控单元20下发控制指令。
具体的，当进行谐振频率获取时，上位机40用于根据所获取的超声波换能器10的谐振频率参考值确定扫频范围，并基于扫频范围向主控单元20下发扫频指令，该上位机40还根据主控单元20返回的阻抗数据对应扫频指令确定超声波换能器10的实际谐振频率，从而得到该超声波换能器10的等效阻抗与频率关系图，并将所得到的实际谐振频率与该实际谐振频率对应的谐振阻抗值发送给主控单元20，由主控单元20将该实际谐振频率与谐振阻抗值发送给超声波换能器10，以存入超声波换能器10中的存储器102中。
在进行功率校准时，该上位机40根据所获取的超声波换能器10的输出功率量程确定校准指令，并将该校准指令发送给主控单元20，以使主控单元20根据该校准指令进行功率扫描，以获得与目标功率对应的电压数据，从而通过主控单元20获取到对应的功率和电压数据，进而形成与目标功率对应的电压数据组，并将所获得的与目标功率对应的电压数据组发送给主控单元20，由主控单元20传送给超声波换能器10，以存储在超声波换能器10的存储器102。
主控单元20根据控制指令控制超声波驱动电路30的驱动信号。
具体的，主控单元20根据上位机40下发的扫频指令进行频率扫描，以获得相应的阻抗数据并发送给上位机40，同时将上位机40返回的实际谐振频率和谐振阻抗值发送给超声波换能器10，以将实际谐振频率和谐振阻抗值存储在存储器102中。该主控单元20还根据上位机40下发的校准指令对超声波换能器10进行功率校准，以获得与校准指令对应的电压数据，并将所获得的电压数据返回给上位机40，同时还将上位机40返回的功率电压数据组发送给超声波换能器10，以存储在超声波换能器10的存储器102中，完成超声波换能器10的功率校准。进一步地，该主控单元20还用于接收超声波换能器10输出的温度检测信号，并在超声波换能器10的温度大于上限温度时，控制超声波换能器10停止能量输出。
超声波驱动电路30根据主控单元20的控制驱动超声波换能器10以实现对超声波换能器10的谐振频率获取或者功率校准。
进一步地，该超声换能器获取谐振频率及校准功率系统还包括：超声波功率计50。该超声波功率计50与主控单元20通过串口连接，用于对超声波换能器10进行功率检测，并把实时功率传输至主控单元20。
参考图3，为本发明提供的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法实施例一的流程示意图。
如图3所示，该超声换能器获取谐振频率及校准功率方法包括：
步骤S1、上位机40根据谐振频率参考值确定扫频范围。
步骤S2、上位机40基于扫频范围向主控单元20下发扫频指令。
步骤S3、主控单元20根据扫频指令对超声波换能器10进行扫频以获得与扫频指令对应的阻抗数据。
可选的，本发明实施例中，扫频指令包括：初始输出电压、初始驱动频率、自增频率值以及最大驱动频率。
一些实施例中，步骤S3包括：
步骤S31、主控单元20根据扫频指令，获取初始输出电压、初始驱动频率、自增频率值和最大驱动频率。
步骤S32、主控单元20根据初始输出电压和初始驱动频率控制超声波驱动电路30输出的驱动信号。
步骤S33、主控单元20获取超声波换能器10返回的电流采样值，并根据电流采样值计算出与初始驱动频率对应的初始阻抗，并将初始阻抗发送给上位机40。
步骤S34、主控单元20根据自增频率值重复步骤S31至步骤S33进行频率扫描，直至达到最大驱动频率，以获得阻抗数据。
步骤S4、上位机40根据阻抗数据和扫频信号确定超声波换能器10的实际谐振频率。
进一步地，如图4所示，步骤S4之后还包括：
步骤S5、上位机40将实际谐振频率和与实际谐振频率对应的谐振阻抗值发送给主控单元20；
步骤S6、主控单元20将实际谐振频率和谐振阻抗值存储至超声波换能器10中的存储器102中。
具体的，设某一超声波换能器10的谐振频率参考值(该参考值一般为厂家提供)为950KHz，则上位机40根据该950KHz的参考值确定扫频范围，设为850KHz～1049KHz，即初始驱动频率为850KHz，最大驱动频率为1049KHz，同时设置自增频率值为1KHz，并将这些参数(扫频指令)下发给主控单元20，主控单元20接收到这些参数后，即先从初始驱动频率开始进行频率驱动，即基于初始驱动频率控制超声波驱动电路30的输出电压，超声波驱动电路30的驱动频率为初始驱动频率，超声波驱动电路30根据主控单元20的控制驱动超声波换能器10，同时，超声波换能器10中的电流采样电路104向主控单元20返回相应的电流采样值，主控单元20根据该电流采样值换算出对应的阻抗，并将该阻抗值上传给上位机40，接着，主控单元20根据自增频率值依次对超声波换能器10进行频率扫描，从而依次获得对应的阻抗，并将所获得的阻抗返回给上位机40，直到扫描至1049KHz时，完成频率扫描，并将所获得的所有的阻抗数据全部返回给上位机40，上位机40从所接收的阻抗数据中确定最小的阻抗值，该最小的阻抗值所对应的频率即为超声波换能器10的实际谐振频率，最后，将所得到的实际谐振频率和谐振阻抗值(最小的阻抗值)返回给主控单元20，通过主控单元20传送给超声波换能器10，并存储在超声波换能器10的存储器102中，完成该超声波换能器10的谐振频率的获取。
在一个具体实施例中，以厂家提供的谐振频率参考值为950KHz为例，本发明实施例的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法如下：
(1)(1)、上位机40给主控单元20下发指令，设定输出电压为U＝10V，驱动频率为f＝850KHz。
(2)、主控单元20控制超声波驱动电路30输出电压为U＝10V，驱动频率为f＝850KHz的驱动信号。
(3)主控单元20读取超声波换能器10上电流采样电路104的电流信号，计算出频率为f＝850KHz时的电流值，并计算出其输出阻抗Z(f)，然后主控单元20把阻抗值上传给上位机40。
(4)上位机40接收到主控制MCU检测完成后，驱动频率自增△f，这里我们暂设△f＝1KHz，重复步聚(1)(2)(3)，把厂家提供的谐振频率的参考值的前后范围所有检测点的阻抗值(如谐振频率＝950KHz，我们的扫频范围就可以取850KHz～1049KHz)，全部扫描出来，得到图6所示的超声波换能器10等效阻抗与频率关系图。其中，测试数据如表1所示(其中，频率单位为(KHz)，阻抗单位为(KΩ))。
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | |
| 频率 | 850 | 851 | 852 | 853 | 854 | 855 | 856 | 857 | 858 | 859 | 860 | 861 | 862 | 863 | 864 | 865 | 866 | 867 | 868 | 869 |
| 阻抗 | 245.9 | 248.0 | 254.3 | 248.0 | 260.4 | 247.7 | 247.7 | 247.7 | 247.7 | 236.2 | 236.5 | 242.1 | 236.5 | 226.0 | 221.1 | 221.1 | 207.6 | 207.3 | 195.3 | 191.6 |
| 频率 | 870 | 871 | 872 | 873 | 874 | 875 | 876 | 877 | 878 | 879 | 880 | 881 | 882 | 883 | 884 | 885 | 886 | 887 | 888 | 889 |
| 阻抗 | 184.7 | 181.4 | 195.3 | 203.1 | 199.4 | 188.3 | 181.6 | 181.4 | 178.4 | 181.6 | 178.4 | 188.1 | 178.2 | 181.1 | 175.1 | 175.1 | 175.1 | 175.3 | 169.5 | 169.5 |
| 频率 | 890 | 891 | 892 | 893 | 894 | 895 | 896 | 897 | 898 | 899 | 900 | 901 | 902 | 903 | 904 | 905 | 906 | 907 | 908 | 909 |
| 阻抗 | 166.7 | 169.5 | 164.0 | 164.0 | 164.0 | 164.0 | 164.0 | 149.4 | 141.1 | 139.1 | 139.1 | 139.1 | 135.4 | 130.4 | 133.8 | 131.9 | 139.3 | 141.3 | 135.4 | 139.3 |
| 频率 | 910 | 911 | 912 | 913 | 914 | 915 | 916 | 917 | 918 | 919 | 920 | 921 | 922 | 923 | 924 | 925 | 926 | 927 | 928 | 929 |
| 阻抗 | 133.6 | 133.6 | 131.9 | 133.6 | 133.6 | 127.0 | 122.4 | 113.0 | 110.7 | 103.8 | 97.8 | 93.3 | 102.7 | 109.2 | 103.6 | 100.6 | 95.9 | 100.4 | 93.2 | 90.8 |
| 频率 | 930 | 931 | 932 | 933 | 934 | 935 | 936 | 937 | 938 | 939 | 940 | 941 | 942 | 943 | 944 | 945 | 946 | 947 | 948 | 949 |
| 阻抗 | 86.9 | 81.9 | 75.9 | 72.6 | 70.6 | 71.5 | 68.6 | 65.1 | 61.6 | 58.3 | 56.7 | 54.6 | 48.9 | 43.5 | 39.3 | 37.0 | 31.2 | 27.2 | 26.2 | 30.7 |
| 频率 | 950 | 951 | 952 | 953 | 954 | 955 | 956 | 957 | 958 | 959 | 960 | 961 | 962 | 963 | 964 | 965 | 966 | 967 | 968 | 969 |
| 阻抗 | 35.7 | 37.9 | 43.8 | 53.7 | 67.7 | 66.5 | 55.0 | 51.9 | 54.7 | 54.7 | 52.4 | 54.7 | 51.6 | 47.1 | 44.8 | 49.8 | 59.1 | 67.8 | 69.7 | 67.8 |
| 频率 | 970 | 971 | 972 | 973 | 974 | 975 | 976 | 977 | 978 | 979 | 980 | 981 | 982 | 983 | 984 | 985 | 986 | 987 | 988 | 989 |
| 阻抗 | 70.0 | 86.9 | 100.7 | 109.4 | 127.0 | 156.5 | 191.6 | 230.8 | 267.3 | 260.4 | 267.6 | 299.1 | 363.2 | 462.3 | 484.3 | 484.3 | 483.7 | 406.3 | 363.2 | 338.6 |
| 频率 | 990 | 991 | 992 | 993 | 994 | 995 | 996 | 997 | 998 | 999 | 1000 | 1001 | 1002 | 1003 | 1004 | 1005 | 1006 | 1007 | 1008 | 1009 |
| 阻抗 | 328.1 | 307.8 | 317.8 | 308.2 | 282.5 | 267.6 | 231.1 | 221.1 | 221.1 | 221.1 | 216.1 | 203.1 | 199.2 | 195.3 | 199.4 | 188.3 | 178.4 | 164.0 | 149.4 | 145.1 |
| 频率 | 1010 | 1011 | 1012 | 1013 | 1014 | 1015 | 1016 | 1017 | 1018 | 1019 | 1020 | 1021 | 1022 | 1023 | 1024 | 1025 | 1026 | 1027 | 1028 | 1029 |
| 阻抗 | 149.6 | 149.6 | 143.2 | 139.3 | 145.1 | 178.2 | 195.3 | 207.6 | 207.3 | 207.6 | 207.6 | 207.6 | 199.4 | 195.6 | 184.9 | 166.5 | 163.8 | 158.7 | 161.2 | 163.8 |
| 频率 | 1030 | 1031 | 1032 | 1033 | 1034 | 1035 | 1036 | 1037 | 1038 | 1039 | 1040 | 1041 | 1042 | 1043 | 1044 | 1045 | 1046 | 1047 | 1048 | 1049 |
| 阻抗 | 151.6 | 164.0 | 188.3 | 207.6 | 216.4 | 221.1 | 226.0 | 221.1 | 221.1 | 225.7 | 235.9 | 236.2 | 236.2 | 230.8 | 231.1 | 226.0 | 236.8 | 216.4 | 216.4 | 221.1 |
表1
参考图5，为本发明提供的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法实施例三的流程示意图。
如图5所示，该实施例中，在获取到超声波换能器10的实际谐振频率后，该超声换能器获取谐振频率及校准功率方法还包括：
步骤SS1、上位机40根据超声波换能器10的输出功率量程分成若干个目标功率。
步骤SS2、上位机40将向主控单元发送校准指令，以将若干个目标功率发送给主控单元20。
步骤SS3、主控单元20根据若干个目标功率进行功率校准，以获得与若干个目标功率对应的若干个电压数据。
一些实施例中，步骤SS3包括：
步骤SS31、主控单元20从存储器102中读取实际谐振频率。
步骤SS32、主控单元20根据接收上位机下发的校准指令，以获取若干个目标功率，
步骤SS33、主控单元20根据若干个目标功率，对若干个目标功率中的第一目标功率和实际谐振频率调节超声波驱动电路的输出电压。
步骤SS34、主控单元20获取超声波换能器10返回的电流采样值。
步骤SS35、主控单元20根据电流采样值和超声波驱动电路30输出的当前电压值计算出实时功率。
步骤SS36、主控单元20判断实时功率是否等于第一目标功率，若是，获取当前电压值。该当前电压值即为与第一目标功率对应的电压数据。
步骤SS37、重复步骤SS33至步骤SS36，依次获得与若干个目标功率中其余的目标功率对应的电压数据。
步骤SS37、主控单元20将与若干个目标功率对应的电压数据发送给上位机40。
步骤SS4、上位机40根据若干个目标功率和若干个电压数据，获得与目标功率对应的电压数据组。
进一步地，步骤SS4之后还包括：
步骤SS5、上位机40将与目标功率对应的电压数据组发送给主控单元20。
步骤SS6、主控单元20将与目标功率对应的电压数据组存储至超声换能器中的存储器102中。
具体的，设某超声波换能器10的最大输出功率为Pm，即该超声波换能器10的输出功率量程为0～Pm，则上位机40将0～Pm分为N等分，获得P1、P2、P3、……、Pm共N个目标功率，并将所获得的P1、P2、P3、……、Pm下发给主控单元20，主控单元20从超声波换能器10的存储器102中读取实际谐振频率，并根据每一个目标功率和实际谐振频率控制超声波驱动电路30的输出电压，同时根据超声波换能器10返回的电流采样值进行闭环控制，以使超声波电路的输出电压与采样电流的乘积达到目标功率，并在达到目标功率时，记录当前的输出电压值。例如，主控单元20根据实际谐振频率和目标功率P1，控制超声波驱动电路30的输出电压，并通过超声波电能器返回的电流采样电路104返回的电流采样值进行闭环控制，以使输出电压与采样电流的乘积等于目标功率P1(或者在误差可接受的范围内)，此时，记录当前的输出电压为U1，将U1返回给上位机40，上位机40即记录该功率和对应的电压数据组(P1，U1)，同理，基于该方法依次获得P2、P3、……、Pm剩下的(N-1)个功率点所对应的输出电压U2、U3、…、Um，从而得到功率电压数据组(P1，U1)、(P2，U2)、(P3，U3)、…、(Pm，Um)。上位机40获得该N个功率电压数据组后，下发给主控单元20，由主控单元20发送给超声波换能器10，并存储在超声波换能器10的存储器102中。
可选的，本发明实施例进行功率校准时，可以按顺序执行。即，经过划分，可分成二十二个目标功率。具体的操作步骤为：
第一、上位机40先向主控单元20下发第一目标功率的校准指令，主控单元20接收到该第一目标功率的校准指令后、开始校准，并在校准完成后，通知上位机40，同时将与第一目标功率对应的当前电压值上传给上位机40。
第二、上位机40在接收到第一目标功率校准完成的信息后，下发第二目标功率的校准指令，主控单元20接收到该第二目标功率的校准指令后、开始校准，并在校准完成后，通知上位机40，同时将与第二目标功率对应的当前电压值上传给上位机40。
第三、上位机40在接收到第二目标功率校准完成的信息后，下发第三目标功率的校准指令，主控单元20接收到该第三目标功率的校准指令后、开始校准，并在校准完成后，通知上位机40，同时将与第三目标功率对应的当前电压值上传给上位机40。
………。
依此类推，可得到：
第二十一、上位机40在接收到第二十目标功率校准完成的信息后，下发第二十一目标功率的校准指令，主控单元20接收到该第二十一目标功率的校准指令后、开始校准，并在校准完成后，通知上位机40，同时将与第二十一目标功率对应的当前电压值上传给上位机40。
第二十二、上位机40在接收到第二十一目标功率校准完成的信息后，下发第二十二目标功率的校准指令，主控单元20接收到该第二十二目标功率的校准指令后、开始校准，并在校准完成后，通知上位机40，同时将与第二十二目标功率对应的当前电压值上传给上位机40。
当然，可以理解地，在进行功率校准时，也不需要按照顺序进行功率校准，即上位机40可将若干个目标功率直接下发给主控单元20，主控单元20可在根据若干个目标功率进行校准，并在全部校准完成后再告知上位机40，以及将与若干个目标功率对应的若干个电压数据上传给上位机40。
在一个具体实施例中，以超声波换能器10的最大输出功率为11W为例，把0～11W进行均等分，分为22等分，P1，P2，P3，…，P22。本发明实施例的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法如下：
(1)、上位机40给主控单元20下发指令，设定目标功率为P1，驱动频率＝948KHz。(注：功率校准必须在自动获取谐振频率之后，因为功率校准需要知道谐振频率)。
(2)、主控单元20设定驱动频率＝948KHz，通过PID控制超声波驱动电路30输出电压U，使输出电压U和超声波换能器10的采样电流I的乘积，逼近目标功率P1，误差在可以接受的范围。然后主控单元20把输出电压上传给上位机40软件。
(3)、上位机40软件记录下(P1，U1)，然后重复步骤(1)(2)，依次获取得到，
P2，P3…，Pm剩下的21个功率点(P2，U2)，(P3，U3)，…，(P22，U22)。
(4)上位机40把22组校准数据值(P1，U1)，(P2，U2)，…，(P22，U22)存储到超声波换能器10中的数据存储器102中，功率校准完成。
其中，所得到的目标功率与输出电压关系图如图7所示，测试数据如下
表2所示(其中，目标功率单位为(W)，输出电压单位为(V))。
| 目标功率 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | 7.0 | 7.5 | 8.0 | 8.5 | 9.0 | 9.5 | 10.0 | 10.5 | 11.0 |
| 输出电压 | 7.0 | 10.0 | 12.0 | 13.9 | 15.6 | 17.2 | 18.6 | 19.9 | 21.3 | 22.7 | 23.6 | 24.9 | 26.3 | 27.4 | 28.4 | 29.5 | 29.6 | 30.9 | 31.2 | 32.1 | 32.9 | 33.9 |
表2
本发明实施例的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法和系统可以自动准确地识别出超声波换能器10的实际谐振频率，从而提高超声波换能器10的电声转化效率，达到更高的传输效率，同时，还可以对超声波换能器10进行功率校准，实现了生产制造自动控制，大大提高了生产效率。
本说明书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。对于实施例公开的装置而言，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。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器102(RAM)、内存、只读存储器102(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种超声换能器获取谐振频率及校准功率方法，其特征在于，包括：
步骤S1、上位机根据谐振频率参考值确定扫频范围；
步骤S2、所述上位机基于所述扫频范围向主控单元下发扫频指令；
步骤S3、所述主控单元根据所述扫频指令对超声波换能器进行扫频以获得与所述扫频指令对应的阻抗数据；
步骤S4、所述上位机根据所述阻抗数据和所述扫频指令确定所述超声波换能器的实际谐振频率；所述阻抗数据中最小的阻抗值所对应的频率为所述实际谐振频率；
步骤SS1、所述上位机根据所述超声波换能器的输出功率量程分成若干个目标功率；
步骤SS2、所述上位机将所述若干个目标功率发送给所述主控单元；
步骤SS3、所述主控单元根据所述若干个目标功率进行功率校准，以获得与所述若干个目标功率对应的若干个电压数据；
步骤SS4、所述上位机根据所述若干个目标功率和所述若干个电压数据，获得与目标功率对应的电压数据组；
其中，所述步骤S3包括：
步骤S31、所述主控单元根据所述扫频指令，获取初始输出电压、初始驱动频率、自增频率值和最大驱动频率；
步骤S32、所述主控单元根据所述初始输出电压和所述初始驱动频率控制超声波驱动电路输出的驱动信号；
步骤S33、所述主控单元获取所述超声波换能器返回的电流采样值，并根据所述电流采样值计算出与所述初始驱动频率对应的初始阻抗，并将所述初始阻抗发送给所述上位机；
步骤S34、所述主控单元根据所述自增频率值重复步骤S31至步骤S33进行频率扫描，直至达到最大驱动频率，以获得所述阻抗数据；
所述步骤SS3包括：
步骤SS31、所述主控单元读取实际谐振频率；
步骤SS32、所述主控单元接收所述上位机下发的校准指令，以获得所述若干个目标功率；
步骤SS33、所述主控单元根据所述若干个目标功率，对所述若干个目标功率中的第一目标功率和所述实际谐振频率调节超声波驱动电路的输出电压；
步骤SS34、所述主控单元获取所述超声波换能器返回的电流采样值；
步骤SS35、所述主控单元根据所述电流采样值和所述超声波驱动电路输出的当前电压值计算出实时功率；
步骤SS36、所述主控单元判断所述实时功率是否等于所述第一目标功率，若是，获取所述当前电压值；所述当前电压值为与所述第一目标功率对应的电压数据；
步骤SS37、重复步骤SS33至步骤SS36，依次获得与所述若干个目标功率中其余的目标功率对应的电压数据；
步骤SS38、所述主控单元将与所述若干个目标功率对应的电压数据发送给所述上位机。
2.根据权利要求1所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括：
步骤S5、所述上位机将所述实际谐振频率和与所述实际谐振频率对应的谐振阻抗值发送给所述主控单元；
步骤S6、所述主控单元将所述实际谐振频率和所述谐振阻抗值存储至所述超声波换能器中的存储器中。
3.根据权利要求1所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率方法，其特征在于，所述步骤SS4之后还包括：
步骤SS5、所述上位机将所述与目标功率对应的电压数据组发送给所述主控单元；
步骤SS6、所述主控单元将所述与目标功率对应的电压数据组存储至所述超声换能器中的存储器中。
4.一种超声波换能器，其特征在于，包括：超声波振动片、存储器、温度传感器以及电流采样电路；
所述超声波振动片用于将电信号转换为超声波信号；
所述存储器用于存储根据扫频指令和阻抗数据确定的实际谐振频率，以及谐振阻抗值和与目标功率对应的电压数据组；所述阻抗数据中最小的阻抗值所对应的频率为所述实际谐振频率；
所述电流采样电路用于采集所述超声波振动片的电流并输出电流采样值；
所述温度传感器用于检测所述超声波换能器的实时温度并输出温度检测信号；
其中，所述阻抗数据通过上位机根据谐振频率参考值确定扫频范围，并基于所述扫频范围向主控单元下发扫频指令，所述主控单元则根据所述扫频指令对超声波换能器进行扫频以获得与所述扫频指令对应的所述阻抗数据；所述主控单元根据所述扫频指令对超声波换能器进行扫频以获得与所述扫频指令对应的所述阻抗数据包括以下步骤：
步骤S31、所述主控单元根据所述扫频指令，获取初始输出电压、初始驱动频率、自增频率值和最大驱动频率；
步骤S32、所述主控单元根据所述初始输出电压和所述初始驱动频率控制超声波驱动电路输出的驱动信号；
步骤S33、所述主控单元获取所述超声波换能器返回的电流采样值，并根据所述电流采样值计算出与所述初始驱动频率对应的初始阻抗，并将所述初始阻抗发送给所述上位机；
步骤S34、所述主控单元根据所述自增频率值重复步骤S31至步骤S33进行频率扫描，直至达到最大驱动频率，以获得所述阻抗数据；
所述电压数据组通过所述上位机根据所述超声波换能器的输出功率量程分成若干个目标功率，所述上位机还将所述若干个目标功率发送给所述主控单元，所述主控单元再根据所述若干个目标功率进行功率校准，以获得与所述若干个目标功率对应的若干个电压数据，所述上位机再根据所述若干个目标功率和所述若干个电压数据，以获得与目标功率对应的所述电压数据组；所述主控单元再根据所述若干个目标功率进行功率校准，以获得与所述若干个目标功率对应的若干个电压数据包括以下步骤：
步骤SS31、所述主控单元读取实际谐振频率；
步骤SS32、所述主控单元接收所述上位机下发的校准指令，以获得所述若干个目标功率；
步骤SS33、所述主控单元根据所述若干个目标功率，对所述若干个目标功率中的第一目标功率和所述实际谐振频率调节超声波驱动电路的输出电压；
步骤SS34、所述主控单元获取所述超声波换能器返回的电流采样值；
步骤SS35、所述主控单元根据所述电流采样值和所述超声波驱动电路输出的当前电压值计算出实时功率；
步骤SS36、所述主控单元判断所述实时功率是否等于所述第一目标功率，若是，获取所述当前电压值；所述当前电压值为与所述第一目标功率对应的电压数据；
步骤SS37、重复步骤SS33至步骤SS36，依次获得与所述若干个目标功率中其余的目标功率对应的电压数据；
步骤SS38、所述主控单元将与所述若干个目标功率对应的电压数据发送给所述上位机。
5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波振动片包括：超声波陶瓷振动片。
6.一种超声换能器获取谐振频率及校准功率系统，其特征在于，包括：权利要求4或5所述的超声波换能器、上位机、主控单元以及超声波驱动电路；
所述上位机用于向所述主控单元下发控制指令；
所述主控单元根据所述控制指令控制所述超声波驱动电路的驱动信号；
所述超声波驱动电路根据所述主控单元的控制驱动所述超声波换能器以实现对所述超声波换能器的谐振频率获取或者功率校准。
7.根据权利要求6所述的超声换能器获取谐振频率及校准功率系统，其特征在于，还包括：超声波功率计；
所述超声波功率计与所述主控单元通过串口连接，用于对所述超声波换能器进行功率检测，并把实时功率值传输至所述主控单元。
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