CN114264882A

CN114264882A - 超声波换能器的等效参数测量方法、装置和控制器

Info

Publication number: CN114264882A
Application number: CN202111603303.9A
Authority: CN
Inventors: 盛龙; 闵建君
Original assignee: Shenzhen Taida Intelligent Equipment Co ltd
Current assignee: Shenzhen Taida Intelligent Equipment Co ltd
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: CN114264882B

Abstract

本申请涉及一种超声波换能器的等效参数测量方法、装置和控制器。所述方法包括：获取初始扫频区间，并在所述初始扫频区间内以第一步长对所述超声波换能器进行扫频，以获取所述超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点；其中，所述第一步长为递增步长；在目标扫频区间内以第二步长对所述超声波换能器进行扫频，以获取所述超声波换能器的第一反馈电参数集合；所述目标扫频区间为所述第一半功率点和所述第二半功率点之间的频段；根据所述第一反馈电参数集合得到所述超声波换能器的等效参数。采用本方法能够缩短超声波换能器等效参数的测量耗时，并实现快速测量。

Description

超声波换能器的等效参数测量方法、装置和控制器

技术领域

本申请涉及超声波换能器技术领域，特别是涉及一种超声波换能器的等效参数测量方法、装置和控制器。

背景技术

近年来，随着超声波技术的发展，超声应用技术已经渗透到生活的方方面面。例如，其可以应用于医疗领域的超声波理疗仪器和超声骨刀，智能机器人领域的机械臂关节和夹取装置，半导体领域的超声键合技术等方面。在前述列举的设备或部件中，其核心部件均为超声换能器，即一种可以将电能转换为机械能，从而产生超声振动，并满足生产需求的设备。

对于不同领域所需的超声换能器，其在材料和结构等方面都存在区别，因此，各超声波换能器会呈现出不同的特性。为实现超声波换能器的稳定驱动，需要对每一超声波换能器进行准确的建模，并根据建模的结果选择合适的频段来驱动超声波换能器，使得超声波换能器可以工作在最佳状态，进而减少发热和能量损耗。

超声波换能器扫频辨识是用于得出超声波换能器等效数学模型的有效方法，是超声振动应用的先决条件。在进行扫频辨识的过程中，可向超声波换能器输出对应频率的驱动信号，并根据超声波换能器所反馈的电流、电压以及相位等数据，建立超声波换能器的等效数学模型，使得等效数学模型中的阻抗特性和相位特性等均接近于超声波换能器的实测特性。

目前，进行超声波换能器扫频辨识的仪器主要是阻抗分析仪，其以BVD(Butterworth-Van Dyke)模型作为理论模型。阻抗分析仪通过其内的扫频算法进行扫频，并采用电路分析法则分析扫频得到的数据，以计算BVD模型的阻抗特性和相位特性等等效参数，进而可基于BVD模型建立超声波换能器的等效电路模型，并为后续的稳定驱动提供依据。然而，阻抗分析仪在确定等效参数的过程中存在耗时过长的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种超声波换能器的等效参数测量方法、装置和控制器，以减少超声波换能器等效参数的确定耗时，实现等效参数的快速测量。

第一方面，本申请提供了一种超声波换能器的等效参数测量方法。所述方法包括：

获取初始扫频区间，并在所述初始扫频区间内以第一步长对所述超声波换能器进行扫频，以获取所述超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点；其中，所述第一步长为递增步长；

在目标扫频区间内以第二步长对所述超声波换能器进行扫频，以获取所述超声波换能器的第一反馈电参数集合；所述目标扫频区间为所述第一半功率点和所述第二半功率点之间的频段；

根据所述第一反馈电参数集合得到所述超声波换能器的等效参数。

第二方面，本申请还提供了一种超声波换能器的等效参数测量装置。所述装置包括依次连接的驱动信号生成模组和控制模组，所述驱动信号生成模组和所述控制模组均用于连接超声波换能器；

所述驱动信号生成模组用于根据接收到的频率控制信号和幅度控制信号，向所述超声波换能器输出对应的驱动信号；

所述控制模组用于获取初始扫频区间，并根据所述初始扫频区间和第一步长，向所述驱动信号生成模组输出对应的频率控制信号和幅度控制信号，以在所述初始扫频区间内以所述第一步长对所述超声波换能器进行扫频，并获取所述超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点；其中，所述第一步长为递增步长；

所述控制模组还用于根据目标扫频区间和第二步长，向所述驱动信号生成模组输出对应的频率控制信号和幅度控制信号，以在目标扫频区间内以第二步长对所述超声波换能器进行扫频，并获取所述超声波换能器的第一反馈电参数集合；根据所述第一反馈电参数集合得到所述超声波换能器的等效参数；其中，所述目标扫频区间为所述第一半功率点和所述第二半功率点之间的频段。

第三方面，本申请还提供了一种超声波换能器的等效参数测量装置。所述装置包括：

半功率点获取模块，用于获取初始扫频区间，并在所述初始扫频区间内以第一步长对所述超声波换能器进行扫频，以获取所述超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点；其中，所述第一步长为递增步长；

第一反馈电参数集合获取模块，用于在目标扫频区间内以第二步长对所述超声波换能器进行扫频，以获取所述超声波换能器的第一反馈电参数集合；所述目标扫频区间为所述第一半功率点和所述第二半功率点之间的频段；

等效参数获取模块，用于根据所述第一反馈电参数集合得到所述超声波换能器的等效参数。

第四方面，本申请还提供了一种控制器。所述控制器包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

第五方面，本申请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，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

第六方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

上述超声波换能器的等效参数测量方法、装置、控制器、计算机存储介质和计算机程序产品，获取初始扫频区间，并在初始扫频区间内，以递增的第一步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点，并以第一半功率点和第二半功率点之间的频段作为目标扫频区间。本申请在目标扫频区间内以第二步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一反馈电参数集合，并根据该第一反馈电参数集合得到超声波换能器的等效参数。如此，可实现半功率点的快速定位，并可快速确定与超声波换能器等效参数测量相关联的目标扫频区间，克服了传统算法需要进行全频段搜索的问题，进而可缩短超声波换能器等效参数的测量耗时，并实现快速测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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为一个实施例中BVD模型的电路图；

图2为一个实施例中超声波换能器的等效参数测量方法的流程示意图之一；

图3为一个实施例中根据以反馈电参数集合得到等效参数的流程示意图；

图4为一个实施例中采用最小二乘拟合算法进行导纳圆拟合的流程示意图；

图5为一个实施例中获取第一半功率点和第二半功率点的流程示意图之一；

图6为一个实施例中确定初始扫频频点的流程示意图；

图7为一个实施例中获取第一半功率点和第二半功率点的流程示意图之二；

图8为一个实施例中超声波换能器的等效参数测量方法的流程示意图之二；

图9为一个实施例中本申请的测量结果与阻抗分析仪测量值的对比分析图；

图10为一个实施例中超声波换能器的等效参数测量装置的结构框图之一；

图11为一个实施例中超声波换能器的等效参数测量装置的结构框图之二。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种特征，但这些特征不受这些术语限制。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

正如背景技术所述，现有技术在确定等效参数时存在耗时过长的问题。经发明人研究发现，导致该问题的原因在于，主流的阻抗分析仪所采用的扫频算法为普扫算法，也即，将待扫频的频段细分为一定数量的采样点，并将驱动信号的频率从低频变化至高频，或者从高频变化至低频，根据超声波换能器的反馈电参数不断缩小扫频区间，以完成扫频，并根据超声波换能器的反馈电参数计算得到BVD模型的等效参数。因此，现有技术的耗时一般较长，无法在较短的间隙内校正超声波换能器。

此外，随着科技水平的提高，实际工业领域中对于超声波换能器的控制要求也越来越高。然而，目前市面上的阻抗分析仪均为低电压下的扫频辨识，也即在扫频辨识的过程中，阻抗分析仪会通过电压较低的驱动信号激励超声波换能器，通过调节该低电压驱动信号的频率，从而实现对超声波换能器进行扫频，并据此得到等效参数。但是，同一超声波换能器在不同电压下存在着幅频效应、互调效应和频率偏置效应等非线性效应，若依据低电压扫频辨识所得出的性能数据进行实际的驱动和生产，将会导致整个系统无法工作在谐振点附近，不仅存在效率低的问题，还可能会造成超声波换能器的损坏。

为解决前述问题，本申请提供了一种超声波换能器的等效参数测量方法、装置和控制器，以减少超声波换能器等效参数的确定耗时，实现等效参数的快速测量。在一些实施例中，本申请还可更为准确地辨识超声波换能器的等效参数。

BVD模型对于超声波换能器的性质描述充分，原理简单，因此本申请以BVD模型作为理论模型，通过下述各实施例获取超声波换能器的等效参数，以建立对应于该超声波换能器的等效电路模型。具体而言，BVD模型可如图1所示。其中，R0为静态电阻，由于其阻值一般很大，因此R0所在支路可视为断路。C0为静态电容，C0所在支路为静态支路。L1为动态电感，C1为动态电容，R1为动态电阻，L1、C1和R1所在支路为动态支路。

在一个实施例中，本申请提供了一种超声波换能器的等效参数测量方法。在其中一个实施例中，该方法可通过一个控制器或多个控制器来实现。在另一个实施例中，该方法可通过电路装置来实现。该一或多个控制器，或者该电路装置可具备电压输出、输出电压频率可调、输出电压幅度可调、电参数采集及数据处理功能。

如图2所示，超声波换能器的等效参数测量方法具体可包括以下步骤：

S200，获取初始扫频区间，并在初始扫频区间内以第一步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点；其中，第一步长为递增步长。

其中，初始扫频区间可以为用于确定超声波换能器谐振频率的大致频率范围。考虑到每个超声波换能器的个体特性，即使是同批生产的超声波换能器，该批次内每一超声波换能器的谐振频率也难以做到完全等同，而只能确定各谐振频率所处的大致频率范围，该大致频率范围即为初始扫频区间。在实际应用的过程中，可依据初始扫频区间确定出每一超声波换能器的具体谐振频率，以便于在后续应用中实现稳定驱动。

半功率点是指在输入信号的幅值保持不变的情况下，超声波换能器的增益较其最大增益下降3dB所对应的频率点，即-3dB点。一般而言，超声波换能器在初始扫频区间内具备两个半功率点，即超声波换能器的增益会在两个不同的频率处下降3dB，这两个半功率点即为各实施例中的第一半功率点与第二半功率点。

递增步长是指步长会逐渐增加，也即，在依据第一步长进行扫频的过程中，对于前后两次扫频频点变化，前次频点变化量会小于后次频点变化量。例如，在紧邻的3次扫频中，扫频频点分别为频点A、频点B和频点C，则频点A与频点B之间的差值绝对值，小于频点B与频点C之间的差值绝对值。

具体而言，在获取范围较大的初始扫频区间后，本申请在初始扫频区间内以递增的第一步长对超声波换能器进行一次扫频，也即，本申请可向超声波换能器施加驱动信号，以激励超声波换能器工作，并以递增的第一步长调整该驱动信号的频率，以获取超声波换能器在初始扫频区间内的第一半功率点和第二半功率点。如此，可实现半功率点的快速定位。

可以理解，驱动信号的频率可从高频变化至低频，也可从低频变化至高频，本申请对此不作具体限制。

S300，在目标扫频区间内以第二步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一反馈电参数集合；其中，目标扫频区间为第一半功率点和第二半功率点之间的频段。

其中，第一反馈电参数集合为在根据目标扫频区间对超声波换能器进行扫频过程中，超声波换能器的反馈电参数，该反馈电参数可以是电压、电流和/或相位等。

具体而言，对于一超声波换能器而言，其可具备多个谐振频率，但并非每一谐振频率都可以在实际应用中使用。在实际应用时，需要通过落入期望频段内的谐振频率来实现超声波换能器的驱动。超声波换能器在该期望频段内的性能表现关联于其等效参数。本申请通过步骤S210快速定位超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点，并以第一半功率点和第二半功率点之间的频段作为前述期望频段，在该频段内以第二步长对超声波换能器进行二次扫频，从而可得到超声波换能器在期望频段内的反馈电参数，即第一反馈电参数集合。

可以理解，第二步长可以依据实际情况(如测量时间要求、准确性要求等)进行确定，本申请对此不作具体限制。在其中一个实施例中，第二步长可以为递增步长或递减步长。在另一个实施例中，第二步长也可固定不变。

S400，根据第一反馈电参数集合得到超声波换能器的等效参数。

具体而言，在得到超声波换能器于目标扫频区间内的反馈电参数后，本申请可据此计算得到超声波换能器的等效参数。

上述超声波换能器的等效参数测量方法中，通过获取初始扫频区间，并在初始扫频区间内，以递增的第一步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点，并以第一半功率点和第二半功率点之间的频段作为目标扫频区间。本申请在目标扫频区间内以第二步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一反馈电参数集合，并根据该第一反馈电参数集合得到超声波换能器的等效参数。如此，可实现半功率点的快速定位，并可快速确定与超声波换能器等效参数测量相关联的目标扫频区间，克服了传统算法需要进行全频段搜索的问题，进而可缩短超声波换能器等效参数的测量耗时，并实现快速测量。

在一个实施例中，第一反馈电参数集合包括超声波换能器在各目标扫频频点下的第一反馈电参数，各目标扫频频点为根据目标扫频区间和第二步长确定的扫频频点。

如图3所示，根据第一反馈电参数集合得到超声波换能器的等效参数的步骤，包括：

S410，对于每一目标扫频频点，根据超声波换能器在该目标扫频频点下的第一反馈电参数，分别确定超声波换能器在该目标扫频频点下的导纳虚部值和导纳实部值；

S420，根据各目标扫频频点对应的导纳虚部值和导纳实部值进行导纳圆拟合，并基于拟合得到的导纳圆参数确定等效参数。

具体而言，在目标扫频区间内以第二步长对超声波换能器进行扫频的过程中，可根据第二步长确定目标扫频区间内的各个目标扫频频点，并按照各个目标扫频频点对施加于超声波换能器的驱动信号的信号频率进行调整，以获取超声波换能器在每一目标扫频频点下的第一反馈电参数。

对于每一目标扫频频点，在得到该目标扫频频点所对应的第一反馈电参数的情况下，本申请可根据该目标扫频频点所对应的第一反馈电参数确定超声波换能器在该目标扫频频点下的导纳虚部值和导纳实部值。在得到各个目标扫频频点所对应的导纳虚部值和导纳实部值后，可据此进行导纳圆拟合，以得到导纳圆参数，并根据导纳圆参数确定超声波换能器的等效参数。

可以理解，本申请可采用现有技术中公开的任意算法来进行导纳圆拟合，本申请对此不作具体限制。在其中一个实施例中，本申请可采用最小二乘拟合算法处理各目标扫频频点对应的导纳虚部值和导纳实部值，以进行导纳圆拟合，从而可在确保等效参数测量准确性的基础上，简化导纳圆拟合的计算过程，进一步实现快速测量。在一个示例中，如图4所示，采用最小二乘拟合算法进行到导纳圆拟合，并基于拟合得到的导纳圆参数确定等效参数的步骤可以包括：

S422，构造误差函数；

S424，误差函数求偏导；

S426，获取导纳圆参数，该导纳圆参数包括但不限于导纳圆的圆心坐标和导纳圆的半径；

S428，计算BVD等效参数。

本实施例中，通过使用半功率点区间(即目标扫频区间)的导纳数据进行导纳圆拟合，并根据拟合得到的导纳圆参数确定超声波换能器的等效参数，从而可降低导纳圆左半部分可能存在的干扰，进而可提高等效参数的测量准确度。

在一个实施例中，导纳圆参数包括导纳圆的圆心纵坐标和导纳圆的半径，等效参数包括静态电容值、动态电容值、动态电感值和动态电阻值。

基于拟合得到的导纳圆参数确定等效参数的步骤，包括：

根据第一半功率点和第二半功率点，确定超声波换能器的串联谐振频率；

基于以下表达式分别确定静态电容值、动态电容值、动态电感值和动态电阻值：

其中，R₁为动态电阻值，C₀为静态电容值，L₁为动态电感值，C₁为动态电容值，r为半径，y为圆心纵坐标，f_s为串联谐振频率，f₂为第二半功率点，f₁为第一半功率点。

具体而言，本申请可根据第一半功率点和第二半功率点确定超声波换能器的串联谐振频率。在其中一个实施例中，该串联谐振频率可以为第一半功率点和第二半功率点的均值。

在得到串联谐振频率后，可依据该串联谐振频率、第一半功率点、第二半功率点、导纳圆的圆心纵坐标和导纳圆的半径，基于上述公式分别计算静态电容值、动态电容值、动态电感值和动态电阻值，完成超声波换能器等效参数的测量。

本实施例中，使用半功率点区间的导纳数据进行导纳圆拟合，从而可降低导纳圆左半部分可能存在的干扰。且拟合数据包含串联谐振频率，使得重构的导纳圆接近于实际工作情况，进而可提高等效参数的测量准确度。

在一个实施例中，第二步长可以为固定步长，即第二步长可以固定不变。换言之，在目标扫频区间内对超声波换能器进行扫频时，可采用固定步长进行扫频。如此，可得到分布均匀的各第一反馈电参数，进而可提高导纳圆拟合的准确度，以提高等效参数的测量准确度。

可以理解，第二步长的具体数值可以依据实际情况确定，本申请对此不作具体限制。在一个示例中，第二步长可以为1Hz。

在一个实施例中，如图5所示，在初始扫频区间内以第一步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点的步骤，包括：

S210，根据初始扫频区间及第一步长，确定各初始扫频频点；

S220，基于各初始扫频频点对超声波换能器进行扫频，并获取超声波换能器在各初始扫频频点下的导纳虚部值；

S230，将各导纳虚部值中的极小值所对应的初始扫频频点确定为第一目标频率，并将各导纳虚部值中的极大值所对应的初始扫频频点确定为第二目标频率；

S240，将第一目标频率和第二目标频率中的较小值确定为第一半功率点，并将第一目标频率和第二目标频率中的较大值确定为第二半功率点。

具体而言，在进行一次扫频的过程中，可根据初始扫频区间和递增的第一步长确定各个初始扫频频点，并按照各个初始扫频频点对施加于超声波换能器的驱动信号的信号频率进行调整，以获取超声波换能器在每一初始扫频频点下的导纳虚部值。在得到各初始扫频频点后，本申请可搜索各导纳虚部值中的极大值与极小值，并将极大值所对应的初始扫频频点与极小值所对应的初始扫频频点二者中的较小值确定为第一半功率点，将二者中的较大值确定为第二半功率点。如此，通过搜索各导纳虚部值中的极大值与极小值，从而间接获取初始扫频区间内的两个半功率点。与传统的通过搜索各初始扫频频点对应的导纳实部值中的最大值的方法相比，本申请可简化半功率点的搜索算法，进而可进一步降低测试耗时，并实现等效参数的快速测量。

在一个实施例中，基于各初始扫频频点对超声波换能器进行扫频，并获取超声波换能器在各初始扫频频点下的导纳虚部值的步骤，包括：

基于各初始扫频频点对超声波换能器进行扫频，并采集超声波换能器在各初始扫频频点下的第二反馈电参数；第二反馈电参数包括超声波换能器在对应的初始扫频频点下的初始电压有效值、初始电流有效值和相位；

对于每一初始扫频频点，对初始电压有效值进行滤波，以得到目标电压有效值，并对初始电流有效值进行滤波，以得到目标电流有效值；根据以下公式确定超声波换能器在该初始扫频频点下的导纳虚部值：

其中，G_img为导纳虚部值，I_rms为目标电流有效值，U_rms为目标电压有效值，θ为相位。

具体而言，在确定超声波换能器在各初始扫频频点下的导纳虚部值的过程中，本申请可通过各初始扫频频点对超声波换能器进行扫频，也即，将施加于超声波换能器的驱动信号的信号频率分别调整为各初始扫频频点，并获取超声波换能器在每一初始扫频频点下的第二反馈电参数。第二反馈电参数包括初始电压有效值、初始电流有效值及相位。

对于每一初始扫频频点，本申请均可按照如下过程确定超声波换能器在该初始扫频频点下的导纳虚部值：

对该初始扫频频点对应的初始电压有效值进行滤波，以得到目标电压有效值；对该初始扫频频点对应的初始电流有效值进行滤波，以得到目标电流有效值；根据该初始扫频频点对应的目标电流有效值、目标电压有效值和相位，基于上述导纳虚部值计算公式，计算得出超声波换能器在该初始扫频频点下的导纳虚部值。对于每一初始扫频频点，均按照前述过程确定超声波换能器在每一初始扫频频点下的导纳虚部值，从而可根据各导纳虚部值确定第一半功率点和第二半功率点。

可以理解，本申请可以采用相同或不同的滤波方法和/或滤波次数分别对初始电压有效值和初始电流有效值进行滤波，以得到目标电压有效值和目标电流有效值。同时，还可以采用现有技术中任意方式、任意原理的滤波算法来实现，本申请对此不作具体限制。在一个示例中，本申请可采用一次均值滤波和一次中值滤波来实现初始电压有效值和初始电流有效值的滤波，也即初始电压有效值依次经一次均值滤波处理和一次中值滤波处理，以得到目标电压有效值。初始电流有效值依次经一次均值滤波处理和一次中值滤波处理，以得到目标电流有效值

本实施例中，通过对第二反馈电参数中的初始电压有效值和初始电流有效值进行滤波，以得到目标电压有效值和目标电流有效值，从而可提高电压有效值和电流有效值的准确性。如此，基于目标电压有效值和目标电流有效值计算得到的导纳虚部值可以更为准确。

在一个实施例中，如图6所示，根据初始扫频区间及第一步长，确定各初始扫频频点的步骤，包括：

S212，将初始扫频区间的第一阈值频率确认为当前的初始扫频频点；

S214，按照预设比例递增第一步长，并根据递增后的第一步长与当前的初始扫频频点确定下一初始扫频频点；

S216，以下一初始扫频频点作为当前的初始扫频频点，进入步骤S214，直至下一初始扫频频点超出初始扫频区间，或者获取得到第一半功率点和第二半功率点。

其中，第一阈值频率可以为初始扫频区间的上限值或者下限值，例如当初始扫频区间为[f_d，f_e]时，第一阈值频率可以为f_d或者f_e。

具体而言，本申请可将初始扫频区间的第一阈值频率确认为当前的初始扫频频点，并按照预设比例递增第一步长，根据递增后的第一步长与当前的初始扫频频点确定下一初始扫频频点。在下一初始扫频频点未超出初始扫频区间，且未获取到两个半功率点的情况下，以下一初始扫频频点作为当前的扫频频点，并按照预设比例递增当前的第一步长，即△f’＝△f×(1+a)，其中，△f’递增后第一步长，△f为当前的第一步长，a为预设比例。根据递增后的第一步长与当前的初始扫频频点确定相对于当前初始扫频频点的下一初始扫频频点。如此循环执行，直至所确定的下一初始扫频频点超出初始扫频区间，获取得到超声波换能器的两个半功率点。在一个示例中，“超出初始扫频区间”可以为大于初始扫频区间的上限值或者小于初始扫频区间的下限值。

可以理解，前述预设比例可以依据实际情况确定，本申请对此不作具体限制。在一个示例中，预设比例可以为10％，也即控制第一步长以10％的速率不断扩大。

以第一阈值频率为f_d为例，本申请可将f_d确认为当前的初始扫频频点，并按照预设比例递增第一步长，以得到递增后的第一步长△f_A。根据递增后的第一步长△f_A和f_d确定下一初始扫频频点f_g。判断f_g是否大于f_e，或者是否已获取到两个半功率点。若均为否，则将确认f_g为当前的初始扫频频点，并按照预设比例递增第一步长△f_A，以得到第一步长△f_B。根据递增后的第一步长△f_B和f_g确定下一初始扫频频点f_h。判断f_h是否大于f_e，或者是否已获取到两个半功率点。若否，则将f_e确定为当前的初始扫频频点，并确定下一初始扫频频点，直至所确定的下一初始扫频频点大于f_e，或者已获取到超声波换能器的两个半功率点。

在其中一个实施例中，为避免第一步长过大而导致所确定的第一半功率点和第二半功率点准确性下降，可设置有第一步长的上限值，即第一步长的最大取值为该上限值。若递增后第一步长的取值小于该上限值，则可按照递增后的第一步长确定下一初始扫频频点。若递增后第一步长的取值大于或等于该第一步长的上限值的情况下，则可该第一步长的上限值确定下一初始扫频频点。可以理解，该第一步长的上限值可按照实际情况确定，本申请对此不作具体限制。在一个示例中，其可为初始扫频区间的10％。

在一个示例中，本申请可按照图7所示步骤确定第一半功率点和第二半功率点，具体包括步骤：

S502，按照预设比例递增第一步长，并根据递增后的第一步长与当前的初始扫频频点确定下一初始扫频频点；

S504，基于下一初始扫频频点对超声波换能器进行扫频，并获取超声波换能器在下一初始扫频频点下的导纳虚部值；

S506，计算导纳虚部值的二阶导数；

S508，根据所计算的二阶导数判断是否满足极值条件，若否则进入S510，若是则进入S512；

S510，以该下一初始扫频频点作为当前的初始扫频频点，并进入S502；

S512，以该下一初始扫频频点作为半功率点；

S514，判断是否获取得到两个半功率点，若否，则进入S510，若是，则结束。

在一个实施例中，获取扫频驱动电压；扫频驱动电压为基于超声波换能器的实际驱动电压确定。

在初始扫频区间内以第一步长对超声波换能器进行扫频的步骤，包括：基于扫频驱动电压，在初始扫频区间内以第一步长对超声波换能器进行扫频。

在目标扫频区间内以第二步长对超声波换能器进行扫频的步骤，包括：基于扫频驱动电压，在目标扫频区间内以第二步长对超声波换能器进行扫频。

具体而言，本申请可依据超声波换能器在实际驱动生产过程中所使用的实际驱动电压作为等效参数测量时所使用的扫频驱动电压，使得测量得到的等效参数可以反映超声波换能器在实际驱动生产下的阻抗特性和相位特性。相比传统超声波换能器辨识算法所使用的经验近似方法，本申请的理论依据更充足，所建立的等效电路模型的阻抗特性、相位特性等更符合实际驱动情况，描述性更充分，因此能够为超声波换能器后续的驱动控制提供更加精准的依据，有效提高了超声波换能器的使用效率。

在一个示例中，本申请的等效参数测量方法可如图8所示，具体包括以下步骤：

S602，获取初始扫频区间。

S604，根据递增的第一步长与当前的初始扫频频点确定下一初始扫频频点。具体而言，可控制第一步长以10％的速率不断扩大，最大为初始扫频区间的10％。

S606，获取超声波换能器在下一初始扫频频点下的第二反馈电参数，该第二反馈电参数包括超声波换能器在该下一初始扫频频点下的初始电压有效值、初始电流有效值和相位。

S608，根据该第二反馈电参数判断该下一初始扫频频点是否为超声波换能器的半功率点，若是则进入S610，若否则进入S604。

具体而言，对该初始电压有效值进行一次均值滤波和一次中值滤波，以得到目标电压有效值。并对该初始电流有效值进行一次均值滤波和一次中值滤波，以得到目标电流有效值。按照以下公式计算超声波换能器在该下一初始扫频频点下的导纳虚部值：

通过搜索导纳虚部值的极大值点和极小值点，从而可间接获取初始扫频区间内的两个半功率点，简化了传统搜索半功率点的搜索方法。

S610，获取超声波换能器在半功率点区间的导纳数据。

具体而言，以半功率点区间内使用频率间隔为1Hz的驱动信号进行驱动，获取超声波换能器在各个频点下的第一反馈电参数(如电压、电流以及相位等数据)，并计算超声波换能器在半功率点区间的导纳实部值与导纳虚部值。

S612，根据超声波换能器在半功率点区间的各导纳实部值和各导纳虚部值进行导纳圆拟合，并计算导纳圆的圆心、半径等数据。具体而言，可使用最小二乘拟合算法进行导纳圆拟合，计算导纳圆的圆心纵坐标及半径。

本申请使用半功率点之间的导纳数据进行导纳圆拟合，降低了导纳圆左半部分可能存在的干扰，且拟合数据包含串联谐振频率，重构的导纳圆接近于实际工作情况，因此其辨识准确度较高。

S614，测量超声波换能器等效电路模型的参数。具体而言，可根据如下公式计算出超声换能器等效电路参数，由此推算出超声换能器的等效电路模型参数，从而进一步获取其阻抗特性、相位特性等关键特性，作为后续驱动的依据。

在获取超声换能器BVD模型参数后，通过电路仿真获取其阻抗特性、相位特性等，并计算本申请的测量结果与真实值之间的相对误差，误差情况可如图9所示。本申请与传统方法的误差对比情况可如表1所示。

表1导纳圆拟合方法的辨识结果与阻抗分析仪测量值的误差分析表

本申请以超声波换能器等效电路模型为基础，通过半功率点搜索算法进行扫频区间快速定位，并使用最小二乘拟合算法进行导纳圆拟合，从而准确辨识其等效电路模型参数，克服了传统超声波换能器辨识算法需要大量时间的缺点。此外，相比传统超声波换能器辨识算法所使用的经验近似方法，本申请的理论依据更充足，所建立的等效电路模型的阻抗特性、相位特性等更符合实际驱动情况，描述性更充分，因此能够为超声波换能器后续的驱动控制提供更加精准的依据，有效提高了超声波换能器的使用效率。

应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的超声波换能器的等效参数测量方法的超声波换能器的等效参数测量装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个超声波换能器的等效参数测量装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于超声波换能器的等效参数测量方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，本申请还提供了一种超声波换能器的等效参数测量装置，所述装置包括依次连接的驱动信号生成电路和控制电路。该驱动信号生成电路和该控制电路均用于连接超声波换能器。

驱动信号生成电路用于根据接收到的频率控制信号和幅度控制信号，向超声波换能器输出对应的驱动信号；

控制电路用于获取初始扫频区间，并根据初始扫频区间和第一步长，向驱动信号生成电路输出对应的频率控制信号和幅度控制信号，以在初始扫频区间内以第一步长对超声波换能器进行扫频，并获取超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点；其中，第一步长为递增步长；

控制电路还用于根据目标扫频区间和第二步长，向驱动信号生成电路输出对应的频率控制信号和幅度控制信号，以在目标扫频区间内以第二步长对超声波换能器进行扫频，并获取超声波换能器的第一反馈电参数集合；根据第一反馈电参数集合得到超声波换能器的等效参数；其中，目标扫频区间为第一半功率点和第二半功率点之间的频段。

可以理解，控制电路与驱动信号生成电路的具体实现可依据实际情况确定，本申请对此不作具体限制。在其中一个实施例中，控制电路可包括采集模块及控制模块，其中，采集模块用于对第一反馈电参数和第二反馈电参数进行采集。控制模块用于根据按照上述任一方法实施例所述的方法，根据第一反馈电参数进行导纳圆拟合，及根据第二反馈电参数确定第一半功率点和第二半功率点。

在一个示例中，如图10所示，驱动信号生成电路可包括DDS、乘法器和功放模块，采样模块可包括采样电阻、有效值采集单元和锁相单元，控制模块包括MCU和上位机。进一步地，可采用DSP和FPGA作为MCU，其中DSP型号为TMS320F28377D，其可通过USB通讯与上位机连接。FPGA型号为EP4CE10F17C8，可以控制DDS直接合成满足上位机预设的频率、大小的驱动电压，为超声波换能器提供准确的正弦驱动信号。

具体而言，图10示出的装置可按照以下过程工作：

(1)上位机设置初始扫频区间以及扫频驱动电压并发送给底层驱动硬件，以使底层驱动硬件按照预设驱动频率以及驱动电压输出驱动信号，以驱动超声波换能器。其中，底层驱动硬件为DSP与FPGA。具体而言，

(2)底层驱动硬件捕获超声波换能器两端的相位、电流、电压等数据，并反馈至上位机，并计算其导纳虚部值。进一步地，相位捕获由FPGA依据电压、电流过零检测完成；超声波换能器两端的电压、电流通过分压电路(如采样电阻)以及有效值采集单元中的有效值转化芯片，转化为直流量。DSP通过12位ADC采集，并进行一次均值滤波及一次中值滤波后，作为目标电压有效值及目标电流有效值。导纳虚部值可依据以下公式计算得到：

(3)上位机根据导纳虚部值进行极值搜索，控制第一步长以10％的速率不断扩大，最大为初始扫频区间的10％，搜索到的极大值和极小值对应两个半功率点，并将两个半功率点对对应的频率取均值，作为串联谐振频率。具体而言，半功率点搜索算法通过搜索导纳虚部值的极大值点以及极小值点，从而间接获取扫频区间内的半功率点，简化了传统搜索导纳实部最大值的方法，并可通过如下公式计算串联谐振频率：

其中，f_s为串联谐振频率，f₁为第一半功率点，f₂为第二半功率点。

(4))以两个半功率点之间的电压、电流以及相位作为基础数据，计算超声波换能器在半功率点区间内的导纳实部值与导纳虚部值，并传输至上位机。进一步地，可在半功率点区间内使用频率间隔为1Hz的驱动电压进行驱动，获取超声波换能器在半功率点区间内的电压、电流以及相位等数据。

(5)上位机根据接收到导纳实部值以及导纳虚部值进行导纳圆的拟合，计算出导纳圆的圆心、半径等数据，由此推算出超声换能器的等效电路模型参数，从而进一步获取其阻抗特性、相位特性等关键特性，作为后续驱动的依据。进一步地，可使用最小二拟合算法进行导纳圆拟合，并按照如下公式计算超声波换能器的等效参数：

在一个实施例中，如图11所示，提供了一种超声波换能器的等效参数测量装置，所述装置包括：

半功率点获取模块，用于获取初始扫频区间，并在初始扫频区间内以第一步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点；其中，第一步长为递增步长；

第一反馈电参数集合获取模块，用于在目标扫频区间内以第二步长对超声波换能器进行扫频，以获取超声波换能器的第一反馈电参数集合；目标扫频区间为第一半功率点和第二半功率点之间的频段；

等效参数获取模块，用于根据第一反馈电参数集合得到超声波换能器的等效参数。

上述超声波换能器的等效参数测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，还提供了一种控制器，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种超声波换能器的等效参数测量方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一反馈电参数集合包括所述超声波换能器在各目标扫频频点下的第一反馈电参数，各所述目标扫频频点为根据所述目标扫频区间和所述第二步长确定的扫频频点；

根据所述第一反馈电参数集合得到所述超声波换能器的等效参数的步骤，包括：

对于每一所述目标扫频频点，根据所述超声波换能器在该目标扫频频点下的所述第一反馈电参数，分别确定所述超声波换能器在该目标扫频频点下的导纳虚部值和导纳实部值；

根据各所述目标扫频频点对应的所述导纳虚部值和所述导纳实部值进行导纳圆拟合，并基于拟合得到的导纳圆参数确定所述等效参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导纳圆参数包括导纳圆的圆心纵坐标和所述导纳圆的半径，所述等效参数包括静态电容值、动态电容值、动态电感值和动态电阻值；

基于拟合得到的导纳圆参数确定所述等效参数的步骤，包括：

根据所述第一半功率点和所述第二半功率点，确定所述超声波换能器的串联谐振频率；

基于以下表达式分别确定所述静态电容值、所述动态电容值、所述动态电感值和所述动态电阻值：

其中，R₁为所述动态电阻值，C₀为所述静态电容值，L₁为所述动态电感值，C₁为所述动态电容值，r为所述半径，y为所述圆心纵坐标，f_s为所述串联谐振频率，f₂为所述第二半功率点，f₁为所述第一半功率点。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二步长为固定步长。

5.根据权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于，对各所述目标扫频频点对应的所述导纳虚部值和所述导纳实部值进行导纳圆拟合的步骤，包括：

采用最小二乘拟合算法处理各所述目标扫频频点对应的所述导纳虚部值和所述导纳实部值，以进行导纳圆拟合。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述初始扫频区间内以第一步长对所述超声波换能器进行扫频，以获取所述超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点的步骤，包括：

根据所述初始扫频区间及所述第一步长，确定各初始扫频频点；

基于各所述初始扫频频点对所述超声波换能器进行扫频，并获取所述超声波换能器在各所述初始扫频频点下的导纳虚部值；

将各所述导纳虚部值中的极小值所对应的初始扫频频点确定为第一目标频率，并将各所述导纳虚部值中的极大值所对应的初始扫频频点确定为第二目标频率；

将所述第一目标频率和所述第二目标频率中的较小值确定为所述第一半功率点，并将所述第一目标频率和所述第二目标频率中的较大值确定为所述第二半功率点。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于各所述初始扫频频点对所述超声波换能器进行扫频，并获取所述超声波换能器在各所述初始扫频频点下的导纳虚部值的步骤，包括：

基于各所述初始扫频频点对所述超声波换能器进行扫频，并采集所述超声波换能器在各所述初始扫频频点下的第二反馈电参数；所述第二反馈电参数包括所述超声波换能器在对应的初始扫频频点下的初始电压有效值、初始电流有效值和相位；

对于每一所述初始扫频频点，对所述初始电压有效值进行滤波，以得到目标电压有效值，并对所述初始电流有效值进行滤波，以得到目标电流有效值；根据以下公式确定所述超声波换能器在该初始扫频频点下的所述导纳虚部值：

其中，G_img为所述导纳虚部值，I_rms为所述目标电流有效值，U_rms为所述目标电压有效值，θ为所述相位。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，根据所述初始扫频区间及所述第一步长，确定各初始扫频频点的步骤，包括：

将所述初始扫频区间的第一阈值频率确认为当前的初始扫频频点；

按照预设比例递增所述第一步长，并根据递增后的第一步长与当前的初始扫频频点确定下一初始扫频频点；

以所述下一初始扫频频点作为当前的初始扫频频点，进入按照预设比例递增所述第一步长，并根据递增后的第一步长与当前的初始扫频频点确定下一初始扫频频点的步骤，直至下一初始扫频频点超出所述初始扫频区间，或者获取得到所述第一半功率点和所述第二半功率点。

9.根据权利要求1至4、6、7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取扫频驱动电压；所述扫频驱动电压为基于所述超声波换能器的实际驱动电压确定；

在所述初始扫频区间内以第一步长对所述超声波换能器进行扫频的步骤，包括：

基于所述扫频驱动电压，在所述初始扫频区间内以第一步长对所述超声波换能器进行扫频；

在目标扫频区间内以第二步长对所述超声波换能器进行扫频的步骤，包括：

基于所述扫频驱动电压，在目标扫频区间内以第二步长对所述超声波换能器进行扫频。

10.一种超声波换能器的等效参数测量装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的驱动信号生成电路和控制电路，所述驱动信号生成电路和所述控制电路均用于连接超声波换能器；

所述驱动信号生成电路用于根据接收到的频率控制信号和幅度控制信号，向所述超声波换能器输出对应的驱动信号；

所述控制电路用于获取初始扫频区间，并根据所述初始扫频区间和第一步长，向所述驱动信号生成电路输出对应的频率控制信号和幅度控制信号，以在所述初始扫频区间内以所述第一步长对所述超声波换能器进行扫频，并获取所述超声波换能器的第一半功率点和第二半功率点；其中，所述第一步长为递增步长；

所述控制电路还用于根据目标扫频区间和第二步长，向所述驱动信号生成电路输出对应的频率控制信号和幅度控制信号，以在目标扫频区间内以第二步长对所述超声波换能器进行扫频，并获取所述超声波换能器的第一反馈电参数集合；根据所述第一反馈电参数集合得到所述超声波换能器的等效参数；其中，所述目标扫频区间为所述第一半功率点和所述第二半功率点之间的频段。