CN115318605B - 变频超声换能器自动匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声换能器领域，提出了变频超声换能器自动匹配方法。该方法通过获取频率‑调频电感值，获取频率与调频电感的关系式，根据相应频率获得调频电感数值；再利用二进制无级调控数字电感实现调频电感值的任意调整；最后，为实现降低变频超声换能器的等效阻抗呈纯电阻性，串联一匹配电感，该匹配电感具体数值由静态电容、动态电容、动态电阻和超声换能器的动态电感决定。该发明使得超声换能器在各工况下改变其固有频率，实现谐振工作，提高工作效率；通过匹配电感避免了逆变电源和压电超声换能器的不必要的温升。

Description

变频超声换能器自动匹配方法

技术领域

本发明涉及超声换能器领域，尤其涉及变频超声换能器自动匹配方法。

背景技术

目前，超声波换能器在使用过程中需要对负载进行阻抗匹配调节，使负载呈阻性，以保证电功率有效的输出，一般采用电感进行匹配，但在使用过程中自身谐振频率也发生变化，导致谐振频率偏移。现有超声换能器一般采用频率追踪等技术虽然在一定程度上解决了频率偏移问题，但无法改变匹配电感感量，导致追踪范围较窄，极易导致频率失锁。为了解决这个问题。虽然出现了通过电机调节电感磁芯间隙改变电感量等技术，但这种技术无法迅速改变电感量，有一定的延时，使效果大打折扣。

一般非工作状态下的超声换能器的谐振频率固定、无法调节匹配电感的值，且在工作时，在应对不同工况时，换能器机械特性发生变化，其固有的谐振频率因此发生改变，现有的超声换能器控制电路无法根据其已经改变的机械谐振频率进行电感的匹配操作，因此导致超声换能器不能处于谐振状态下工作，效率变低。

发明内容

压电超声换能器有较大静态电容，它的存在会影响逆变电源的输出，影响电功率转换为机械振动的效率，造成逆变电源和压电超声换能器的不必要的温升。严重时甚至会烧毁逆变电源的主功率单元。为了使逆变电源的输出功率最大化，必须在压电超声换能器前并联或串联一个相反阻抗的器件，对于压电超声换能器这类的容性负载，则需并联或串联一个电感来调节。本次发明的目的就是提出一种变频超声换能器自动匹配方法，实现自动匹配动态可调电感，对电感实现更快速、更敏捷地调节。

本发明的技术方案：一种变频超声换能器自动匹配方法，通过建立频率-调频电感查找表，利用多项式拟合函数，获得频率所对应的调频电感值，根据二进制数字可调电感达到所需调频电感值；为降低变频超声换能器的有功电阻阻值，使得变频超声换能器的等效阻抗呈纯电阻性，另串联一匹配电感。

所述获得频率所对应的调频电感值的具体步骤如下：

步骤一、建立频率-调频电感查找表；

根据阻抗分析仪获取超声换能器的频率、静态电容、动态电容、动态电阻和动态电感，获得频率与调频电感的数据，建立频率-调频电感查找表；

步骤二、建立频率与调频电感的拟合函数；

通过多项式拟合获得频率与调频电感的拟合函数；

y＝p₀xⁿ+p₁x^n-1+p₂x^n-2+...+p_n

其中，y为频率；x为调频电感；p为多项式系数；

根据拟合函数通过相应的频率获得调频电感数值。

所述二进制数字可调电感采用串联电感。

所述二进制数字可调电感通过二级制无级调控方式，采用七组电磁继电器进行控制七组不同电感值的组合电路的启闭，实现电感调控范围为0-127mH，供电电压5v。

所述七组不同电感值分别为1mH、2mH、4mH、8mH、16mH、32mH、64mH。

所述电磁继电器通过STM32系统板的7路GPIO口控制；当GPIO引脚处为高电平时，继电器接通，实现对电感的叠加。

所述超声换能器串联谐振时的等效阻抗为：

J为虚数；

谐振角频率为：

串联的匹配电感值为：

串联匹配电感后的系统等效阻抗为：

其中，C₀为静态电容；C₁为动态电容；R₁为动态电阻；L₁为超声换能器的动态电感。

由此可以看出，串联匹配电感使得超声换能器的等效输入阻抗呈纯电阻性，且有功电阻阻值减小，因此串联电感起到了阻抗匹配的作用。

超声换能器作为超声波发生器的负载，其在串联谐振时对外呈现容性阻抗，容性负载会产生无功功率，使得超声波发生器的输出功率因数降低。因此超声波发生器与超声换能器之间的调谐匹配非常重要，其匹配效果直接影响超声波发生器的工作。

由电路知识可知，主要利用并联或串联感性负载的方式来对容性负载进行补偿。超声换能器可等效为相应电路等效模型，等效电路图如图1所示，在谐振频率的谐振状态下，等效电路图如图2所示，只存有动态电阻与静态电容。

串联电感匹配不仅有滤波功能，还可以使有功电阻降低，提高驱动能力，而并联电感的功能较串联电感相比有些不足，因此，故选择串联电感进行匹配。当选择合适的串联电感值后，整体的电路会抵消掉静态电容，使得电路呈现纯阻性。

超声换能器在实际工作时，内部电感在静态方式下的数值是恒定不变的。而当超声换能器发生温度过高或负载特性突变的情况，其自身阻抗参数会发生改变，从而导致谐振频率出现漂移，此时如果只在静态情况下进行匹配，超声波电源系统长时间工作会出现频率失谐现象。为解决上述问题，引入二进制数字式可调电感，当超声换能器自身参数发生变化时，系统能够实时对电感值进行调节，从而让超声换能器继续保持谐振状态，提高驱动电源的工作效率，从而完成系统的动态匹配过程。

完成电路的动态匹配需要满足通过频率来计算调频电感所需要的调节量，来实时调整匹配电路中的数字电感量，从而使超声换能器在电路谐振状态下达到更高的机械谐振状态。通过自动匹配调频电感，以此来达到机械谐振的目的。

超声换能器采用动态数字可调电感的方式如图3所示，第一列为电感，分别由下一列的继电器进行控制；电感从左至右分别为1mH、2mH、4mH、8mH、16mH、32mH、64mH。继电器从左至右分别为GPIO、GPIO2、GPIO3、GPIO4、GPIO5、GPIO6、GPIO7。

本发明的有益效果，针对在复杂工况条件下工作的超声换能器存在的因固有谐振频率改变而导致工作效率降低的问题，提出了一种变频超声换能器自动匹配方法，通过频率-调频电感查找表，采用多项式拟合来进行数据的处理操作，利用二进制数字可调电感，实现无级调控，迅速进行动态匹配调频电感，提高了超声换能器的工作效率。同时，串联匹配电感使得超声换能器的等效输入阻抗呈纯电阻性，避免了逆变电源和压电超声换能器的不必要的温升。

附图说明

图1为超声换能器的等效电路图；

图2为谐振状态下的等效电路图；

图3为动态数字可调电感示意图。

具体实施方式

根据阻抗分析仪获取超声换能器的频率、静态电容、动态电容、动态电阻和动态电感，获得频率与调频电感的数据，建立频率-调频电感查找表，如下表1所示；

表1频率与调频电感对应表

通过多项式拟合来得到频率跟调频电感的拟合函数：

y＝p₀xⁿ+p₁x^n-1+p₂x^n-2+...+p_n(其中p为多项式拟合的系数)

通过拟合后的函数能够通过相应的频率快速地找到所需要的调频电感的数值。

当调频电感进行相应改变后，变频超声换能器的等效电路的阻值相应变化，为减小有功电阻阻值，串联一匹配电感；

串联的匹配电感值为：

串联匹配电感后的系统等效阻抗为：

根据公式获得应匹配电感值，从而使得变频超声换能器的等效阻抗呈纯电阻性。

Claims (6)

1.一种变频超声换能器自动匹配方法，其特征在于，该变频超声换能器自动匹配方法通过建立频率-调频电感查找表，利用多项式拟合函数，获得频率所对应的调频电感值，根据二进制数字可调电感达到所需调频电感值；为降低变频超声换能器的有功电阻阻值，使得变频超声换能器的等效阻抗呈纯电阻性，另串联一匹配电感；

所述获得频率所对应的调频电感值的具体步骤如下：

步骤一、建立频率-调频电感查找表；

根据阻抗分析仪获取超声换能器的频率、静态电容、动态电容、动态电阻和动态电感，获得频率与调频电感的数据，建立频率-调频电感查找表；

步骤二、建立频率与调频电感的拟合函数；

通过多项式拟合获得频率与调频电感的拟合函数；

y＝p₀xⁿ+p₁x^n-1+p₂x^n-2+...+p_n

其中，y为频率；x为调频电感；p为多项式系数；

根据拟合函数通过相应的频率获得调频电感数值。

2.根据权利要求1所述的变频超声换能器自动匹配方法，其特征在于，所述二进制数字可调电感采用串联电感。

3.根据权利要求2所述的变频超声换能器自动匹配方法，其特征在于，所述二进制数字可调电感通过二级制无级调控方式，采用七组电磁继电器进行控制七组不同电感值的组合电路的启闭，实现电感调控范围为0-127mH。

4.根据权利要求3所述的变频超声换能器自动匹配方法，其特征在于，所述七组不同电感值分别为1mH、2mH、4mH、8mH、16mH、32mH、64mH。

5.根据权利要求3所述的变频超声换能器自动匹配方法，其特征在于，所述电磁继电器通过STM32系统板的7路GPIO口控制；当GPIO引脚处为高电平时，继电器接通，实现对电感的叠加。

6.根据权利要求1所述的变频超声换能器自动匹配方法，其特征在于，所述串联的匹配电感为：

串联匹配电感后的系统等效阻抗为：

其中，C₀为静态电容；C₁为动态电容；R₁为动态电阻；L₁为超声换能器的动态电感。