CN114192378A - 超声波换能器谐振的处理方法、装置及超声波设备 - Google Patents

超声波换能器谐振的处理方法、装置及超声波设备 Download PDF

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赵跃
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Abstract

本发明公开了一种超声波换能器谐振的处理方法、装置及超声波设备。其中，该方法包括：检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系；依据相位关系调整驱动频率，以使驱动电压与谐振电流的相位相同，超声波换能器工作在其固有谐振点处。本发明解决了相关技术中换能器的工作频率被限制于谐振电路中且不可调节，不能根据负载情况工作在其固有谐振频率点处，导致换能器的超声波转换效率较低，能量损耗较大的技术问题。

Description

超声波换能器谐振的处理方法、装置及超声波设备
技术领域
本发明涉及换能器控制技术领域，具体而言，涉及一种超声波换能器谐振的处理方法、装置及超声波设备。
背景技术
超声波换能器的驱动技术通常采用电容三点式震荡电路，使得换能器与另外两个谐振电容组成谐振网络，驱动电路简单方便，但换能器的工作频率被限制于谐振电路中且不可调节，换能器不能根据负载情况工作在其固有谐振频率点处，此时换能器的超声波转换效率较低，能量损耗较大，适用于超声功率和能效要求较低的场合。而在大功率应用场合中，则上述方法驱动方式显然无法适用。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种超声波换能器谐振的处理方法、装置及超声波设备，以至少解决相关技术中换能器的工作频率被限制于谐振电路中且不可调节，不能根据负载情况工作在其固有谐振频率点处，导致换能器的超声波转换效率较低，能量损耗较大的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超声波换能器谐振的处理方法，包括：检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系；依据所述相位关系调整驱动频率，以使所述驱动电压与所述谐振电流的相位相同，所述超声波换能器工作在其固有谐振点处。
可选地，检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系，包括：获取所述谐振电流的第一方波信号与所述驱动电压的第二方波信号；比较所述第一方波信号与所述第二方波信号；在所述第一方波信号与所述第二方波信号不同步时，则确定所述驱动电压与所述谐振电流的相位关系为不同相，并输出高电平时间为预定值的方波信号；在所述第一方波信号与所述第二方波信号同步时，则确定所述驱动电压与所述谐振电流的相位关系为同相，并输出低电平信号。
可选地，获取所述谐振电流的第一方波信号，包括：获取所述谐振电流；将所述谐振电流转换为第一正弦波信号；对所述第一正弦波信号进行放大，得到放大后的第一正弦波信号；将所述放大后的第一正弦波信号转化为所述第一方波信号。
可选地，将所述放大后的第一正弦波信号转化为所述第一方波信号，包括：通过基准电压比较电路，将所述放大后的第一正弦波信号转化为所述第一方波信号。
可选地，获取所述驱动电压的第二方波信号，包括：获取所述驱动电压；对所述驱动电压进行降压，得到降压后的驱动电压；将所述降压后的驱动电压转化为所述第二方波信号。
可选地，依据所述相位关系调整驱动频率，以使所述驱动电压与所述谐振电流保持相位相同，包括：在所述驱动电压与所述谐振电流的相位关系为不同相，且在检测到所述高电平时间为预定值的方波信号时，调整所述驱动频率，直至检测到所述低电平信号。
可选地，依据所述相位关系调整驱动频率，以使所述驱动电压与所述谐振电流保持相位相同，还包括：在所述驱动电压与所述谐振电流的相位关系为不同相，且在负载发生变化且重新检测到所述高电平时间为预定值的方波信号时，则重新调整所述驱动频率，直至检测到所述低电平信号。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种超声波换能器谐振的处理装置，包括：检测模块，用于检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系；调整模块，依据所述相位关系调整驱动频率，以使所述驱动电压与所述谐振电流保持相位相同，所述超声波换能器工作在其固有谐振点处。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述中任意一项所述的超声波换能器谐振的处理方法。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种超声波设备，所述超声波设备包括存储器与处理器，所述处理器用于运行所述存储器保存的程序，其中，所述程序运行时执行上述中任意一项所述的超声波换能器谐振的处理方法。
在本发明实施例中，采用检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系；依据相位关系调整驱动频率，以使驱动电压与谐振电流的相位相同，超声波换能器工作在其固有谐振点处，通过他激驱动技术，实时检测超声波换能器的驱动电压和谐振电流的相位关系，调整驱动频率，使得驱动电压和谐振电流最终保持相位相同，换能器工作在其固有谐振点处，且能够根据负载环境的变化做实时调整，使得换能器始终保持工作在其固有谐振点处，从而实现了换能器工作在其固有谐振点处，超声转换效率高，能量损耗小，节能环保，且能根据因负载环境的改变导致的固有谐振点发生变化，进行实时调整的技术效果，进而解决了相关技术中换能器的工作频率被限制于谐振电路中且不可调节，不能根据负载情况工作在其固有谐振频率点处，导致换能器的超声波转换效率较低，能量损耗较大的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的超声波换能器谐振的处理方法的流程图；
图2是根据本发明可选实施例的超声波换能器谐振的处理方法的拓扑图；
图3是根据本发明可选实施例的谐振电流与驱动电压的状态对应关系的示意图；
图4是根据本发明可选实施例的驱动电压信号处理过程的示意图；
图5是根据本发明可选实施例的谐振电流信号处理过程的示意图；
图6是根据本发明可选实施例的两个信号比较处理后的波形的示意图；
图7是根据本发明实施例的超声波换能器谐振的处理装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
根据本发明实施例，提供了一种超声波换能器谐振的处理方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的超声波换能器谐振的处理方法的流程图，如图1所示，该超声波换能器谐振的处理方法包括如下步骤：
步骤S102，检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系；
在一种可选的实施方式中，检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系，包括：获取谐振电流的第一方波信号与驱动电压的第二方波信号；比较第一方波信号与第二方波信号；在第一方波信号与第二方波信号不同步时，则确定驱动电压与谐振电流的相位关系为不同相，并输出高电平时间为预定值的方波信号；在第一方波信号与第二方波信号同步时，则确定驱动电压与谐振电流的相位关系为同相，并输出低电平信号。
在一种可选的实施方式中，获取谐振电流的第一方波信号，包括：获取谐振电流；将谐振电流转换为第一正弦波信号；对第一正弦波信号进行放大，得到放大后的第一正弦波信号；将放大后的第一正弦波信号转化为第一方波信号。可选地，将放大后的第一正弦波信号转化为第一方波信号，包括：通过基准电压比较电路，将放大后的第一正弦波信号转化为第一方波信号。通过上述实施方式可以将谐振电流准确地转化成对应的方波信号。
在一种可选的实施方式中，获取驱动电压的第二方波信号，包括：获取驱动电压；对驱动电压进行降压，得到降压后的驱动电压；将降压后的驱动电压转化为第二方波信号。通过上述实施方式可以将驱动电压准确地转化成对应的方波信号。
步骤S104，依据相位关系调整驱动频率，以使驱动电压与谐振电流的相位相同，超声波换能器工作在其固有谐振点处。
在一种可选的实施方式中，依据相位关系调整驱动频率，以使驱动电压与谐振电流保持相位相同，包括：在驱动电压与谐振电流的相位关系为不同相，且在检测到高电平时间为预定值的方波信号时，调整驱动频率，直至检测到低电平信号。
在一种可选的实施方式中，依据相位关系调整驱动频率，以使驱动电压与谐振电流保持相位相同，还包括：在驱动电压与谐振电流的相位关系为不同相，且在负载发生变化且重新检测到高电平时间为预定值的方波信号时，则重新调整驱动频率，直至检测到低电平信号。
通过上述步骤，可以通过他激驱动技术，实时检测超声波换能器的驱动电压和谐振电流的相位关系，调整驱动频率，使得驱动电压和谐振电流最终保持相位相同，换能器工作在其固有谐振点处，且能够根据负载环境的变化做实时调整，使得换能器始终保持工作在其固有谐振点处，从而实现了换能器工作在其固有谐振点处，超声转换效率高，能量损耗小，节能环保，且能根据因负载环境的改变导致的固有谐振点发生变化，进行实时调整的技术效果，进而解决了相关技术中换能器的工作频率被限制于谐振电路中且不可调节，不能根据负载情况工作在其固有谐振频率点处，导致换能器的超声波转换效率较低，能量损耗较大的技术问题。
下面对本发明一种可选的实施方式进行详细说明。
图2是根据本发明可选实施例的超声波换能器谐振的处理方法的拓扑图，如图2所示，本发明通过他激驱动技术，实时检测超声波换能器的驱动电压和谐振电流的相位关系，调整驱动频率，使得驱动电压和谐振电流最终保持相位相同，换能器工作在其固有谐振点处，且能够根据负载环境的变化做实时调整，使得换能器始终保持工作在其固有谐振点处。
图3是根据本发明可选实施例的谐振电流与驱动电压的状态对应关系的示意图，如图3所示，只有换能器工作在其固有谐振频率点时，此时驱动电压与谐振电流同相，谐振电流达到最大值，换能器在该频率点处的转换效率最高。
图4是根据本发明可选实施例的驱动电压信号处理过程的示意图，如图4所示，电平转换电路输出的电压驱动信号幅值高，且有正负电压，先经信号提取电路进行降压处理，再经直流偏置，使信号转换为方波信号2(对应于上述第二方波信号)。
图5是根据本发明可选实施例的谐振电流信号处理过程的示意图，如图5所示，为不影响谐振网络正常的工作，串联在换能器检测其谐振电流的电阻阻值不宜过大，使得提取出来信号幅值较低，且有正负电压。先经直流偏置将电压值转换为只有正电压，经过放大处理后与基准电压做比较，使其转换为方波信号1(对应于上述第一方波信号)。
图6是根据本发明可选实施例的两个信号比较处理后的波形的示意图，如图6所示，经过处理后的驱动电压信号和谐振电流信号，当驱动电压的频率与换能器的固有谐振频率不一致时，上述两个信号无法同相，经过异或电路比较后在单位周期内有tx时间的高电平，通过RC积分滤波电路后转换为电压信号Ux。驱动电压的频率越是偏离换能器的固有谐振频率，tx时间越长，对应的Ux值越大。
具体实施步骤如下：
1、信号调制模块能够根据检测信号调整驱动信号的频率；
2、信号调制模块驱动电平转换电路，使得所述电平转换电路输出具有正负电压的方波信号，经过升压电路，输出具有正负电压的高压方波信号；
3、高压方波信号用于驱动谐振网络电路，通过谐振网络电路，超声波换能器产生谐振，其谐振电压和谐振电流均为正弦波波形，实现电能-机械能转换，将能量传递给负载；
4、谐振电流信号提取电路提取所述换能器的谐振电流信号，该信号对应的电压具有正负电压；经过直流偏置电路1，将上述谐振电流信号转换为只有正电压的正弦波信号；
5、谐振电流正弦波信号经过放大电路将信号进行放大后，在通过基准电压比较电路，将正弦波信号转换为方波信号1；
6、具有正负电压的方波信号，同步的，经过驱动电压信号提取电路，先进行降压处理，并通过直流偏置电路2，最终转换为方波信号2；
7、方波信号1与方波信号2分别接到异或比较电路的输入端；
8、当方波信号1和方波信号2不同相时，异或比较电路将输出高电平时间为tx的方波信号；当方波信号1和方波信号2同相时，异或比较电路将输出低电平信号；
9、当信号调制模块检测到高电平时间为tx的方波信号时，调整驱动频率，直至一直检测到低电平信号；
10、当负载发生变化，导致所述的信号调制模块重新检测到高电平时间为tx的方波信号时，信号调制模块重新调整输出频率，直至一直检测到低电平信号。
实施例2
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种超声波换能器谐振的处理装置，图7是根据本发明实施例的超声波换能器谐振的处理装置的示意图，如图7所示，该超声波换能器谐振的处理装置包括：检测模块72和调整模块74。下面对该超声波换能器谐振的处理装置进行详细说明。
检测模块72，用于检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系；调整模块74，连接至上述检测模块72，依据相位关系调整驱动频率，以使驱动电压与谐振电流保持相位相同，超声波换能器工作在其固有谐振点处。
需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，例如，对于后者，可以通过以下方式实现：上述各个模块可以位于同一处理器中；和/或，上述各个模块以任意组合的方式位于不同的处理器中。
在上述实施例中，该超声波换能器谐振的处理装置可以通过他激驱动技术，实时检测超声波换能器的驱动电压和谐振电流的相位关系，调整驱动频率，使得驱动电压和谐振电流最终保持相位相同，换能器工作在其固有谐振点处，且能够根据负载环境的变化做实时调整，使得换能器始终保持工作在其固有谐振点处，从而实现了换能器工作在其固有谐振点处，超声转换效率高，能量损耗小，节能环保，且能根据因负载环境的改变导致的固有谐振点发生变化，进行实时调整的技术效果，进而解决了相关技术中换能器的工作频率被限制于谐振电路中且不可调节，不能根据负载情况工作在其固有谐振频率点处，导致换能器的超声波转换效率较低，能量损耗较大的技术问题。
此处需要说明的是，上述检测模块72和调整模块74对应于实施例1中的步骤S102至S104，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。
可选地，上述检测模块72包括：获取单元，用于获取谐振电流的第一方波信号与驱动电压的第二方波信号；比较单元，用于比较第一方波信号与第二方波信号；第一处理单元，用于在第一方波信号与第二方波信号的频率不同步时，则确定驱动电压与谐振电流的相位关系为不同相，并输出高电平时间为预定值的方波信号；第二处理单元，用于在第一方波信号与第二方波信号的频率同步时，则确定驱动电压与谐振电流的相位关系为同相，并输出低电平信号。
可选地，上述获取单元包括：第一获取子单元，用于获取谐振电流；转换单元将谐振电流转换为第一正弦波信号；放大子单元，用于对第一正弦波信号进行放大，得到放大后的第一正弦波信号；第一转化子单元，用于将放大后的第一正弦波信号转化为第一方波信号。
可选地，上述第一转化子单元用于通过基准电压比较电路，将放大后的第一正弦波信号转化为第一方波信号。
可选地，上述获取单元包括：第二获取子单元，用于获取驱动电压；降压子单元，用于对驱动电压进行降压，得到降压后的驱动电压；第二转化子单元，用于将降压后的驱动电压转化为第二方波信号。
可选地，上述调整模块74包括：第一调整单元，用于在驱动电压与谐振电流的相位关系为不同相，且在检测到高电平时间为预定值的方波信号时，调整驱动频率，直至检测到低电平信号。
可选地，上述调整模块74还包括：第二调整单元，用于在驱动电压与谐振电流的相位关系为不同相，且在负载发生变化且重新检测到高电平时间为预定值的方波信号时，则重新调整驱动频率，直至检测到低电平信号。
实施例3
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制计算机可读存储介质所在设备执行上述中任意一项的超声波换能器谐振的处理方法。
实施例4
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种超声波设备，该超声波设备包括存储器与处理器，处理器用于运行存储器保存的程序，其中，程序运行时执行上述中任意一项的超声波换能器谐振的处理方法。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波换能器谐振的处理方法，其特征在于，包括：
检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系；
依据所述相位关系调整驱动频率，以使所述驱动电压与所述谐振电流的相位相同，所述超声波换能器工作在其固有谐振点处。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系，包括：
获取所述谐振电流的第一方波信号与所述驱动电压的第二方波信号；
比较所述第一方波信号与所述第二方波信号；
在所述第一方波信号与所述第二方波信号不同步时，则确定所述驱动电压与所述谐振电流的相位关系为不同相，并输出高电平时间为预定值的方波信号；
在所述第一方波信号与所述第二方波信号同步时，则确定所述驱动电压与所述谐振电流的相位关系为同相，并输出低电平信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述谐振电流的第一方波信号，包括：
获取所述谐振电流；
将所述谐振电流转换为第一正弦波信号；
对所述第一正弦波信号进行放大，得到放大后的第一正弦波信号；
将所述放大后的第一正弦波信号转化为所述第一方波信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述放大后的第一正弦波信号转化为所述第一方波信号，包括：
通过基准电压比较电路，将所述放大后的第一正弦波信号转化为所述第一方波信号。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述驱动电压的第二方波信号，包括：
获取所述驱动电压；
对所述驱动电压进行降压，得到降压后的驱动电压；
将所述降压后的驱动电压转化为所述第二方波信号。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，依据所述相位关系调整驱动频率，以使所述驱动电压与所述谐振电流保持相位相同，包括：
在所述驱动电压与所述谐振电流的相位关系为不同相，且在检测到所述高电平时间为预定值的方波信号时，调整所述驱动频率，直至检测到所述低电平信号。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，依据所述相位关系调整驱动频率，以使所述驱动电压与所述谐振电流保持相位相同，还包括：
在所述驱动电压与所述谐振电流的相位关系为不同相，且在负载发生变化且重新检测到所述高电平时间为预定值的方波信号时，则重新调整所述驱动频率，直至检测到所述低电平信号。
8.一种超声波换能器谐振的处理装置，其特征在于，包括：
检测模块，用于检测超声波换能器的驱动电压与谐振电流的相位关系；
调整模块，依据所述相位关系调整驱动频率，以使所述驱动电压与所述谐振电流保持相位相同，所述超声波换能器工作在其固有谐振点处。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1至6中任意一项所述的超声波换能器谐振的处理方法。
10.一种超声波设备，其特征在于，所述超声波设备包括存储器与处理器，所述处理器用于运行所述存储器保存的程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1至6中任意一项所述的超声波换能器谐振的处理方法。
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