CN117240131A - 一种基于压电换能器参数的动态t型匹配方法及系统 - Google Patents
一种基于压电换能器参数的动态t型匹配方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117240131A CN117240131A CN202311194486.2A CN202311194486A CN117240131A CN 117240131 A CN117240131 A CN 117240131A CN 202311194486 A CN202311194486 A CN 202311194486A CN 117240131 A CN117240131 A CN 117240131A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- matching
- dynamic
- transducer
- parameters
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 29
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 12
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 9
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 4
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 101000983970 Conus catus Alpha-conotoxin CIB Proteins 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明属于信息技术服务技术领域，公开了一种基于压电换能器参数的动态T型匹配方法及系统，通过采样动态T型匹配电路前后的电压电流信号，计算得到换能器端的阻抗模、相位差和交流电压的频率以及超声电源端的相位差，首先判断超声电源端的相位差是否在规定值范围内，若相位差在范围内，即完成匹配；反之，在当前频率的小范围区间内，通过多次调节电压信号的频率，获取多组换能器的阻抗模、相位差和频率。本发明通过计算换能器的等效参数进行匹配，可以使匹配元件的值更加精确；同时使用上位机进行数据拟合的方法，与其他方法相比，动态匹配的成本会降低，也提高了换能器的寿命和超声能量的传输效率。
Description
技术领域
本发明属于信息技术服务技术领域，尤其涉及一种基于压电换能器参数的动态T型匹配方法及系统。
背景技术
目前，超声技术发展越来越好，已经涉及电气、机械、化工、医学等领域。超声电源电路则是将标准的50Hz或60Hz输入电压转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号的电路。匹配电路在超声电源电路中极为重要，匹配电路主要有两个作用：其一是把换能器的阻抗值变换成发生器(超声电源)所需要的阻抗值，通常称之为变阻匹配；其二为调谐作用，即利用感性与案件来消除振子的容性阻抗，称其为调谐匹配。
现在市面上的动态匹配方法多采用遗传算法、粒子群算法、神经网络算法和Q值法。遗传算法、粒子群算法和神经网络算法这些智能算法在理论上可以获得较好的匹配，但建模较为复杂，所需的迭代时间长，计算量大，往往需要专门的数字处理器，增加了系统的开发成本；基于Q值进行匹配利用T型网络器件的解空间截面确定Q，再通过Q值法计算网络参数，这种方法计算的匹配元件值有较大波动，并且匹配效果不如理想的仿真情况。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：遗传算法、粒子群算法和神经网络算法建模较为复杂，所需的迭代时间长，计算量大；基于Q值进行匹配利用T型网络器件的解空间截面确定Q的计算方法计算的匹配元件值有较大波动，并且匹配效果不如理想的仿真情况。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于压电换能器参数的动态T型匹配方法及系统，提出对动态匹配方法进行优化，通过数据拟合获得换能器的等效串联电路的参数，可以达到实时匹配，成本较低，通过换能器等效电路的参数进行匹配也会更加精确，提高超声电源的传输效率。
本发明是这样实现的，一种基于压电换能器参数的动态T型匹配方法，所述方法包括以下步骤：
S101，在换能器两端与超声电源两端分别设置采样电路，采样获得电压电流信号；
S102，电压电流信号经由信号处理电路与微机得到换能器端的相位差、阻抗模和频率，超声电源端的相位差；
S103，当超声电源端的相位差未超出预设值时直接完成匹配；
S104，当超声电源端的相位差超出预设值后，微机系统通过多次调节电压的频率来获取多组换能器的相位差阻抗模Z和频率ω，下位机将多组换能器的相位差/>阻抗模Z和频率ω传输到上位机内，上位机进行数据拟合得到换能器的串联等效电路参数并传输出下位机，即动态电感Lm，动态电容Cm，动态电阻Rm与静态电容C0；
S105，下位机在得到上位机传输到的值后，首先计算动态电感与动态电容的谐振频率，判断当前频率是否为谐振频率，若是，无需操作直接进入下一步；若否，利用微机系统改变电路中的频率后再进行下一步的流程；
S106，通过换能器的等效电路参数值计算出在谐振状态下T型匹配电路的参数值，由此计算并调节各端口输出的电平高低；
S107，再次识别超声电源端的相位差，若超出预设值，对T型电路进行重新匹配完成本次匹配，反之完成匹配。
进一步，上位机进行数据拟合的方法包括以下步骤：
S201、下位机将将换能器的相位差阻抗模Z和频率ω传输到上位机内；
S202、上位机对换能器的四个参数进行猜测，即动态电感Lm，动态电容Cm，动态电阻Rm与静态电容C0；
S203、将多组猜测值代入R(ω)与X(ω)的公式中，其公式如下；
其中：R—阻抗Z的实部；X—阻抗Z的虚部；
S204、计算得到每个猜测值的误差，将所有实验点的误差做平方和得到总误差值；
S205、在所有猜测值内选择误差值最小的一组猜测值，并将其作为换能器的等效串联电路参数并传输到下位机内即可完成数据拟合。
进一步，匹配阶段首先要将频率调整到动态电感Lm和动态电容Cm谐振频率，谐振频率ωs的计算公式如下：
在谐振状态下可由公式计算得到匹配元件L1、C1和L2的目标值，L1、L2为匹配电路中的匹配电感，C1为匹配电路中的匹配电容，其公式如下：
上述公式中的Rr为超声电源内部的等效电阻，Rm为压电换能器的串联等效电路中的动态电阻，C0为压电换能器的串联等效电路中的静态电容。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于压电换能器参数的动态T型匹配方法的基于压电换能器参数的动态T型匹配系统，基于压电换能器参数的动态T型匹配系统包括：
控制系统，由上位机与下位机组成，通过拟合出换能器等效电路的元件参数以获得匹配电容和匹配电感的值，并由此利用微机对不同引脚输出高低电平来控制匹配电路；
匹配电路，为包括继电器，匹配电容，匹配电感，控制系统的引脚与继电器相连，继电器与电容并联，与电感并联，每个电容之间串联，每个电感之间串联。
进一步，匹配电路基于T型匹配电路进行改进，匹配电路实现数字化，匹配元件采用二进制数字电感阵列和二进制数字电容阵列。
进一步，匹配电感为多个电感串联，每个电感的值为上一个电感值的二倍(即二进制数字电感阵列)，每个电感分别与继电器并联，电感值的范围为0到L1·(2^n-1)，步长为L1(共有n个电感串联)。
进一步，匹配电容为多个电容串联，每个电容的值为上一个电容值的二倍，因此每个电容的值的倒数为上一个电容倒数的1/2(即二进制数字电容阵列)，每个电容分别与继电器并联。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一，现有技术在解决动态匹配尚有较多方式，例如遗传算法、粒子群算法、神经网络算法，这些方式的建模较为复杂，所需的迭代时间长，计算量大，往往需要专门的数字处理器，增加了系统的开发成本，需要进行大量的计算。也有采用模糊算法进行动态匹配，这种方式无法得到具体的匹配电路的参数，增加了后期调节的复杂程度。
T型匹配电路的匹配方式相比于其他匹配电路会更加复杂，但匹配效果会更好。目前少有进行T型电路的动态匹配，现有文献中的动态T型匹配方法为Q值法，其计算方法复杂，且计算的匹配元件值有较大波动。
针对上述情况，本发明提出一个新的匹配方法——上位机通过数据拟合来计算换能器的数据，下位机负责调整频率为谐振频率，利用已有公式计算并调节匹配元件的参数。
这种方式的计算与Q值法比较使用上位机进行数据拟合出换能器的等效电路参数，减少了控制系统(单片机)的占用资源，提高了控制系统(单片机)的效率；使用数据拟合的方法对于动态T型匹配电路会更加直接，对数据的处理也会更加准确。本发明提出对动态匹配方法进行优化，通过数据拟合获得换能器的等效串联电路的参数，可以达到实时匹配，成本较低，通过换能器等效电路的参数进行匹配也会更加精确，提高超声电源的传输效率。
本发明可以保证超声波电源中匹配电路的稳定性。在超声波电源运行时，换能器无法达到匹配时，准确的采样参数、换能器数据、匹配电路数据等可以更方便的定位匹配电路中的问题，进行快速调试。
本发明可以提高T型电路的匹配速度。其主要是利用单片机计算换能器的等效电路参数会影响到单片机的运行速度，本发明中将大量的数据计算从下位机(单片机)移动到上位机内，不会过多占用单片机的资源，从而提高了电路的匹配速度。
本发明通过计算换能器的等效参数进行匹配，可以使匹配元件的值更加精确；同时使用上位机进行数据拟合的方法，与其他方法相比，动态匹配的成本会降低，也提高了换能器的寿命和超声能量的传输效率。
第二，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：T型匹配电路的匹配方式相比于其他匹配电路会更加复杂，但匹配效果会更好。目前国内外少有针对T型电路进行动态匹配的文献。现有文献中的动态T型匹配方法为Q值法，其计算方法复杂，且计算的匹配元件值有较大波动。本发明的提出的动态T型匹配方法计算方法简单，通过采样得到多组数据(频率，阻抗和相位差)进行数据拟合，计算出换能器的等效电路参数，可以让匹配电路的后期调试更加轻松。将频率调节到谐振频率后再利用公式计算出T型匹配元件参数值并对其进行调节，这增加了T型电路动态匹配的可靠性。
第三，每个步骤的具体的显著的技术进步：
步骤S101：在换能器两端与超声电源两端分别设置采样电路，采样获得电压电流信号。这一步骤的显著技术进步在于，它允许实时采集关于系统状态的关键数据，为后续的动态匹配提供了可能。
步骤S102：电压电流信号经由信号处理电路与微机得到换能器端的相位差、阻抗模和频率，超声电源端的相位差。这里的技术进步在于，通过信号处理和微机计算技术，可以从采样到的数据中提取出更为复杂的参数(如相位差、阻抗模和频率)，为后续的匹配步骤提供了关键的输入。
步骤S103和S104：当超声电源端的相位差未超出预设值时直接完成匹配；当超声电源端的相位差超出预设值后，微机系统通过多次调节电压的频率来获取多组换能器的相位差，阻抗模和频率。这些步骤的显著进步在于，它们使系统能够根据实际的运行情况，动态地调整匹配策略，以便在不同的条件下都能实现最佳的匹配效果。
步骤S105：下位机在得到上位机传输到的值后，首先计算动态电感与动态电容的谐振频率，判断当前频率是否为谐振频率。这一步的进步在于，它为实现动态的匹配策略提供了实际的操作手段，即通过调整电感和电容的谐振频率，以达到最佳的匹配效果。
步骤S106：通过换能器的等效电路参数值计算出在谐振状态下T型匹配电路的参数值，由此计算并调节各端口输出的电平高低。这一步的进步在于，它实现了对匹配电路参数的精确计算和调整，从而进一步提高了匹配的准确性和效率。
步骤S107：再次识别超声电源端的相位差，若超出预设值，对T型电路进行重新匹配完成本次匹配，反之完成匹配。这一步的进步在于，它实现了匹配过程的动态监测和反馈控制，确保了系统可以在各种运行条件下都能保持最佳的匹配效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的匹配电路的电路图；
图2是本发明实施例提供的动态T型匹配方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的上位机进行数据拟合的流程图；
图4是本发明实施例提供的二进制电感阵列的示意图；
图5是本发明实施例提供的二进制电容阵列的示意图；
图6是本发明实施例提供的动态T型匹配电路的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的采样位置图；
图8是本发明实施例提供的电压采样完成后的经过比例放大电路图；
图9是本发明实施例提供的电流采样完成后的经过差分放大电路计算出电流图；
图10是本发明实施例提供的相位差检测电路图；
图11是本发明实施例提供的外围电路图；
图12是本发明实施例提供的数据拟合效果图；
图13是本发明实施例提供的仿真图；
图14是本发明实施例提供的程序运行时继电器开关变化仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于压电换能器参数的动态T型匹配方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法包括以下步骤：
S101，在换能器两端与超声电源两端分别设置采样电路，采样获得电压电流信号；
S102，电压电流信号经由信号处理电路与微机得到换能器端的相位差、阻抗模和频率，超声电源端的相位差；
S103，当超声电源端的相位差未超出预设值时直接完成匹配；
S104，当超声电源端的相位差超出预设值后，微机系统通过多次调节电压的频率来获取多组换能器的相位差阻抗模Z和频率ω，下位机将多组换能器的相位差/>阻抗模Z和频率ω传输到上位机内，上位机进行数据拟合得到换能器的串联等效电路参数并传输出下位机，即动态电感Lm，动态电容Cm，动态电阻Rm与静态电容C0；
S105，下位机在得到上位机传输到的值后，首先计算动态电感与动态电容的谐振频率，判断当前频率是否为谐振频率，若是，无需操作直接进入下一步；若否，利用微机系统改变电路中的频率后再进行下一步的流程；
S106，通过换能器的等效电路参数值计算出在谐振状态下T型匹配电路的参数值，由此计算并调节各端口输出的电平高低；
S107，再次识别超声电源端的相位差，若超出预设值，对T型电路进行重新匹配完成本次匹配，反之完成匹配。
上位机进行数据拟合的方法包括以下步骤：
S201、下位机将将换能器的相位差阻抗模Z和频率ω传输到上位机内；
S202、上位机对换能器的四个参数进行猜测，即动态电感Lm，动态电容Cm，动态电阻Rm与静态电容C0；
S203、将多组猜测值代入R(ω)与X(ω)的公式中，其公式如下；
其中：R—阻抗Z的实部；X—阻抗Z的虚部；
S204、计算得到每个猜测值的误差，将所有实验点的误差做平方和得到总误差值；
S205、在所有猜测值内选择误差值最小的一组猜测值，并将其作为换能器的等效串联电路参数并传输到下位机内即可完成数据拟合。
如图1所示，匹配电路分为匹配电感模块1、匹配电感模块2与匹配电容模块，匹配电感模块中多个不同感值的电感串联，每个电感与继电器并联，继电器的开关由微机系统输出高低电平决定，当输出高电平时，继电器的开关闭合，电流流经继电器，不流经电感；匹配电容模块同理。匹配电感模块的电感值为所有电流流经的电感的值之和，匹配电容模块的容值为所有电流流经的电容的值的倒数之和的倒数。
如图2所示，采样电路后需接入信号处理电路。采样电路获得超声电源端与换能器端的电压信号和电流信号，通过差分放大电路、比例放大电路后得到放大后的电压电流信号，进行有效值转换后进入微机用于计算阻抗模；同时也进行方波转换与相位差检测后进入微机用于计算相位差。
如图2所示，动态T型匹配方法通过一组相位差、阻抗模和频率无法计算得到换能器的等效电路参数，因此需要检测多组相位差、阻抗模和频率的值，换能器的等效电路的动态参数不随频率变化而变化，但频率瞬间调整过大会影响系统的稳定，因此多次取值采用的方法为通过在当前频率的小范围内不断调整频率来获取多组相位差、阻抗模、频率的值。
如图2所示，匹配阶段首先要将频率调整到动态电感Lm和动态电容Cm谐振频率，上述的谐振频率ωs的计算公式如下：
如图2所示，在谐振状态下可由公式计算得到匹配元件的目标值，L1、L2为匹配电路中的匹配电感，C1为匹配电路中的匹配电容，所述关于L1、L2和C1如下：
可以理解的是，上述公式中的Rr为超声电源内部的等效电阻，Rm为压电换能器的串联等效电路中的动态电阻值，C0为压电换能器的串联等效电路中的静态电容值。
如图3所示，数据拟合时将多组猜测值代入R(ω)与X(ω)的公式中，并计算其误差。所述的R(ω)与X(ω)公式如下：
如图4所示，微机判断匹配电感对应每个端口输出电平高低的方法如下：
(1)当计算出电感值L后，L除以匹配元件中值最大的电感值，即L/(2^(n-1)*L1)，当得到0时，对应端口输出高电平，得到1时，输出低电平。
(2)L对(2^(n-1)*L1)取余后的值除以第n-1个电感值，当得到0时，对应端口输出高电平，得到1时，输出低电平。
(3)重复上述取余后相除前一个电感值的步骤直到第一个电感值。
如图5所示，微机判断匹配电容对应每个端口输出电平高低的方法如下：
(1)当计算出电容值C对其进行取倒数后，1/C除以匹配元件中值最大的电容值的倒数，即(C1·2^(n-1))/C，当得到0时，对应端口输出高电平，得到1时，输出低电平。
(2)1/C对1/(C1·2^(n-1))取余后的值除以第n-1个电容值的倒数，当得到0时，对应端口输出高电平，得到1时，输出低电平。
(3)重复上述取余后相除前一个电容值的步骤直到第一个电容值。
如图6所示，本实例中，微机在调节高低电平结束后，再次识别换能器的值，若超声电源端的相位差小于设定值时，完成本次匹配；反之重新进行匹配，直到换能器处于谐振状态。
综上所述，本发明包括对换能器的等效电路的参数进行数据处理，进而得到匹配元件的值，并对微机不同端口输出高低电平以控制匹配电路，继电器的开关受微机的输出电平影响，继电器连接匹配电容、匹配电感，使得匹配电容模块、匹配电感模块达到目标值从而实现阻抗自动匹配。
下面结合实施例进行具体说明：
本发明的应用实施例基于某具体超声换能器进行，取其中的一组数据进行试验，其参数为Rm＝52.1545Ω；Cm＝32.1e-12F；Lm＝1965.8e-3H；C0＝17.979e-9F。
本应用实施例主要分为三部分：
1.采样电路的设计
2.python的数据拟合、计算机与单片机的串口发送与接受数据；
3.单片机计算并调节匹配电路的参数值。
关于本应用实施例的采样电路设计，其具体描述如下：
要达到换能器的谐振状态，采样电路需要采集到阻抗模和相位差的值。采样位置如图7所示，在换能器两端和匹配电路前分别进行电压电流采样，本发明采用电阻法采样。
电压采样时，选用两个阻值分别为1MΩ和1kΩ的电阻进行分压，并联时电阻值足够大可以减少采样电路对匹配电路的影响，U1，U2为原电路电压信号的1/1000。
电流采样时选用一个1mΩ的电阻，采样电阻两侧的电压信号，流经电阻的电流＝电压差/电阻。
电压采样完成后，经过比例放大电路如图8所示，将采样到的电压信号连接到运算放大器的“+”输入上，“-”输入接地，本比例放大电路的电路增益为(R_2+R_3)/R_2＝5。按输出电压最大为320V计算，采样得到的U1最大为0.32V，过小的电压在AD采样时会产生更大的误差，则经过比例放大电路后最大为1.6V，此时超声波的输出电压为比例放大电路输出电压U1-out的200倍。
电流采样完成后，经过差分放大电路计算出电流值，如图9所示，将采样到的两组电压信号连接到运算放大器的正负输入上，本差分放大电路的电路增益为R_17/R_15(R_17+R_15)/(R_16+R_22)＝5，由此可得差分放大电路的输出电压U＝R_17/R_15(R_17+R_15)/(R_16+R_22)(U3-U4)＝5(U3-U4)，而U3-U4＝I·1/1000,因此U与真实匹配电路的电流关系为I＝200*U，输出电压为真实匹配电路电流的1/200。
为了获取到电路的相位差，需要设计相位差检测电路。如图10所示，电压信号、电流信号均经过过零比较器，将正弦信号转换为方波信号，随后经过两次反相器对方波信号进行整型。将整形后的两组方波信号送入D触发器(74LS74)，其输出可判断出电压超前还是滞后于电流，这决定了匹配元件参数的调整方向。同时也将整形后的两组方波信号送入异或门(74HC86)得到电压信号和电流信号的相位差，异或门输出方波的占空比即为相位差的大小，这决定了匹配元件参数调整的大小。
为了获取到换能器的阻抗模，需要将电压信号、电流信号转换为直流信号，方便STM32进行AD转换，然后进行下一步的计算得到阻抗模。本部分可以直接选用AD637芯片，AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算复杂波形的真均方根值。其带宽允许测量200mV均方根、频率最高达600kHz的输入信号以及1V均方根以上、频率最高达8MHz的输入信号。其外围电路如图11所示。
关于本应用实施例的python的数据拟合、计算机与单片机的串口发送与接受数据，其具体描述如下：
单片机与计算机通过串口连接，本发明实施例也验证了单片机与计算机之间的串口传输，单片机输出数据顺序为start-w值-R值-X值-end，计算机处于持续接收数据的状态中，在接收到start后，开始寻找end，接收到end后代表一组数据接收完成，将其放入数组中，准备进行数据拟合。每十秒接收到的所有数据进行一次数据拟合。
将仿真采样得到的数据放入python内进行数据拟合后，并编写专门程序验证其准确性。数据拟合效果如下图所示：在对大量换能器的参数进行研究后，可以得到换能器等效电路的参数值变化在10倍以内，因此在计算换能器等效电路的参数值时可以先给定参数范围再计算，可以提高其计算速度。
在得到换能器的等效电路参数后，计算机分别发送四个数字，单片机内含有for循环和if语句，将数据接收后按顺序放入一个数组内，确认数据接受数量为4个后，停止接收程序。
关于本应用实施例中的单片机计算并调节匹配电路的参数值，其具体描述如下：
使用仿真软件proteus进行仿真，单片机内程序逻辑主要为以下：
在接收到换能器的等效电路参数值后，根据其先调节谐振频率，需要利用换能器输出正弦波与三角波，此处频率要求过大，单片机难以满足，采用单片机控制AD9833信号发生器进行。
再根据换能器参数计算匹配电路的参数值、调节各个I/O口的输出电平(高电平设置为5V，低电平设置为0V)，以此来控制继电器的开关，进而完成改变匹配电路内匹配参数值。
本发明的应用实施例提供了一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行基于压电换能器参数的动态T型匹配方法的步骤。
本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行基于压电换能器参数的动态T型匹配方法的步骤。
本发明的应用实施例提供了一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现基于压电换能器参数的动态T型匹配系统。
本发明的应用实施例基于某具体超声换能器进行，取其中的一组数据进行试验，其参数为Rm＝52.1545Ω；Cm＝32.1e-12F；Lm＝1965.8e-3H；C0＝17.979e-9F。
本应用实施例可得到的明显优势有以下：
1.python的数据拟合、计算机与单片机的串口发送与接受数据；
2.单片机计算并调节匹配电路的参数值。
关于本应用实施例的python的数据拟合、计算机与单片机的串口发送与接受数据，其具体描述如下：
单片机与计算机通过串口连接，本发明实施例也验证了单片机与计算机之间的串口传输，单片机输出数据顺序为start-w值-R值-X值-end，计算机处于持续接收数据的状态中，在接收到start后，开始寻找end，接收到end后代表一组数据接收完成，将其放入数组中，准备进行数据拟合。每十秒接收到的所有数据进行一次数据拟合。
将仿真采样得到的数据放入python内进行数据拟合后，并编写专门程序验证其准确性。数据拟合效果如图12所示。
其中，实线为由采样数据得到的一条光滑曲线，虚线为数据拟合的函数，由此可看出，数据拟合的效果良好。
在对大量换能器的参数进行研究后，可以得到换能器等效电路的参数值变化在10倍以内，因此在计算换能器等效电路的参数值时可以先给定参数范围再计算，可以提高其计算速度。本发明实施例中，python计算出的换能器等效电路参数值如下：Rm＝50.367Ω；Cm＝29.4e-12F；Lm＝1961.6e-3H；C0＝17.981e-9F。其与换能器的等效电路参数无太大差异，可以证明其准确性。
在得到换能器的等效电路参数后，计算机分别发送四个数字，单片机内含有for循环和if语句，将数据接收后按顺序放入一个数组内，确认数据接受数量为4个后，停止接收程序。
关于本应用实施例中的单片机计算并调节匹配电路的参数值，其具体描述如下：
使用仿真软件proteus进行仿真，单片机根据换能器参数计算匹配电路的参数值、调节各个I/O口的输出电平(高电平设置为5V，低电平设置为0V)，以此来控制继电器的开关，进而完成改变匹配电路内匹配参数值。其仿真图如图13所示。
如上述计算可得，L1＝48uH；C1＝192nF；L2＝518uH。当程序开始运行时，继电器的开关会随之变化，其仿真效果如图14所示。
经过计算，其结果与计算结果差异不大，可以证明其准确性。
实施例一：
1.在一个用于超声清洗的压电换能器两端与超声电源两端设置采样电路，采样获得电压电流信号。
2.电压电流信号经由信号处理电路与微机得到换能器端的相位差、阻抗模和频率，超声电源端的相位差。
3.当超声电源端的相位差未超出预设值时直接完成匹配。
4.当超声电源端的相位差超出预设值后，微机系统通过多次调节电压的频率来获取多组换能器的相位差，阻抗模和频率，并进行数据拟合得到换能器的串联等效电路参数。
5.通过计算并调节各端口输出的电平高低，以达到在谐振状态下T型匹配电路的参数值，完成本次匹配。
实施例二：
1.在一个用于超声成像的压电换能器两端与超声电源两端设置采样电路，采样获得电压电流信号。
2.电压电流信号经由信号处理电路与微机得到换能器端的相位差、阻抗模和频率，超声电源端的相位差。
3.当超声电源端的相位差未超出预设值时直接完成匹配。
4.当超声电源端的相位差超出预设值后，微机系统通过多次调节电压的频率来获取多组换能器的相位差，阻抗模和频率，并进行数据拟合得到换能器的串联等效电路参数。
5.通过计算并调节各端口输出的电平高低，以达到在谐振状态下T型匹配电路的参数值，完成本次匹配。
实施例三：
1.在一个用于超声切割的压电换能器两端与超声电源两端设置采样电路，采样获得电压电流信号。
2.电压电流信号经由信号处理电路与微机得到换能器端的相位差、阻抗模和频率，超声电源端的相位差。
3.当超声电源端的相位差未超出预设值时直接完成匹配。
4.当超声电源端的相位差超出预设值后，微机系统通过多次调节电压的频率来获取多组换能器的相位差，阻抗模和频率，并进行数据拟合得到换能器的串联等效电路参数。
5.通过计算并调节各端口输出的电平高低，以达到在谐振状态下T型匹配电路的参数值，完成本次匹配。
在以上三个实施例中，虽然用途不同(超声清洗、超声成像、超声切割)，但都可以采用该动态T型匹配方法，显示了该方法的广泛适用性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于压电换能器参数的动态T型匹配方法，其特征在于，通过在换能器和超声电源端设置采样电路来获取电压电流信号，进而得到换能器端和超声电源端的相关参数，而且当超声电源端的相位差超出预设值后，能够通过微机系统动态调整电压频率，获取并利用多组换能器的参数，进行数据拟合得到换能器的等效电路参数，然后根据这些参数计算出在谐振状态下T型匹配电路的参数值。
2.如权利要求2所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，在换能器两端与超声电源两端分别设置采样电路，采样获得电压电流信号；
S102，电压电流信号经由信号处理电路与微机得到换能器端的相位差、阻抗模和频率，超声电源端的相位差；
S103，当超声电源端的相位差未超出预设值时直接完成匹配；
S104，当超声电源端的相位差超出预设值后，微机系统通过多次调节电压的频率来获取多组换能器的相位差阻抗模Z和频率ω，下位机将多组换能器的相位差/>阻抗模Z和频率ω传输到上位机内，上位机进行数据拟合得到换能器的串联等效电路参数并传输出下位机，即动态电感Lm，动态电容Cm，动态电阻Rm与静态电容C0；
S105，下位机在得到上位机传输到的值后，首先计算动态电感与动态电容的谐振频率，判断当前频率是否为谐振频率，若是，无需操作直接进入下一步；若否，利用微机系统改变电路中的频率后再进行下一步的流程；
S106，通过换能器的等效电路参数值计算出在谐振状态下T型匹配电路的参数值，由此计算并调节各端口输出的电平高低；
S107，再次识别超声电源端的相位差，若超出预设值，对T型电路进行重新匹配完成本次匹配，反之完成匹配。
3.如权利要求2所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法，其特征在于，上位机进行数据拟合的方法包括以下步骤：
S201、下位机将将换能器的相位差阻抗模Z和频率ω传输到上位机内；
S202、上位机对换能器的四个参数进行猜测，即动态电感Lm，动态电容Cm，动态电阻Rm与静态电容C0；
S203、将多组猜测值代入R(ω)与X(ω)的公式中，其公式如下；
其中：R—阻抗Z的实部；X—阻抗Z的虚部；
S204、计算得到每个猜测值的误差，将所有实验点的误差做平方和得到总误差值；
S205、在所有猜测值内选择误差值最小的一组猜测值，并将其作为换能器的等效串联电路参数并传输到下位机内即可完成数据拟合。
4.如权利要求2所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法，其特征在于，匹配阶段首先要将频率调整到动态电感Lm和动态电容Cm谐振频率，谐振频率ωs的计算公式如下：
在谐振状态下可由公式计算得到匹配元件L1、C1和L2的目标值，L1、L2为匹配电路中的匹配电感，C1为匹配电路中的匹配电容，其公式如下：
上述公式中的Rr为超声电源内部的等效电阻，Rm为压电换能器的串联等效电路中的动态电阻，C0为压电换能器的串联等效电路中的静态电容。
5.一种应用如权利要求1～4任意一项所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法的基于压电换能器参数的动态T型匹配系统，其特征在于，基于压电换能器参数的动态T型匹配系统包括：
控制系统，由上位机与下位机组成，通过拟合出换能器等效电路的元件参数以获得匹配电容和匹配电感的值，并由此利用微机对不同引脚输出高低电平来控制匹配电路；
匹配电路，为包括继电器，匹配电容，匹配电感，控制系统的引脚与继电器相连，继电器与电容并联，与电感并联，每个电容之间串联，每个电感之间串联。
6.如权利要求5所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配系统，其特征在于，匹配电路基于T型匹配电路进行改进，匹配电路实现数字化，匹配元件采用二进制数字电感阵列和二进制数字电容阵列；
匹配电感为多个电感串联，每个电感的值为上一个电感值的二倍，每个电感分别与继电器并联，电感值的范围为0到L1·(2^n-1)，步长为L1。
7.如权利要求5所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配系统，其特征在于，匹配电容为多个电容串联，每个电容的值为上一个电容值的二倍，因此每个电容的值的倒数为上一个电容倒数的1/2，每个电容分别与继电器并联。
8.一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～4任意一项所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～4任意一项所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配方法的步骤。
10.一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现如权利要求5～7任意一项所述的基于压电换能器参数的动态T型匹配系统。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311194486.2A CN117240131A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 一种基于压电换能器参数的动态t型匹配方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311194486.2A CN117240131A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 一种基于压电换能器参数的动态t型匹配方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117240131A true CN117240131A (zh) | 2023-12-15 |
Family
ID=89094297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311194486.2A Pending CN117240131A (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 一种基于压电换能器参数的动态t型匹配方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117240131A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117506109A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-02-06 | 广东工程职业技术学院 | 一种提高数字式超声波焊接电源焊接功率及稳定性的方法 |
-
2023
- 2023-09-15 CN CN202311194486.2A patent/CN117240131A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117506109A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-02-06 | 广东工程职业技术学院 | 一种提高数字式超声波焊接电源焊接功率及稳定性的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107490737B (zh) | 一种无线充电系统负载和互感估计方法 | |
| CN104734370B (zh) | 感应式电源供应器的供电模块及其电压测量方法 | |
| CN117240131A (zh) | 一种基于压电换能器参数的动态t型匹配方法及系统 | |
| CN100353169C (zh) | 测试电子元件的方法及其仪器 | |
| CN109061314A (zh) | 一种检测逆变器的滤波电容容值的方法及装置 | |
| CN114362553B (zh) | 一种射频电源的功率采集电路及方法 | |
| CN114264882B (zh) | 超声波换能器的等效参数测量方法、装置和控制器 | |
| CN111308232B (zh) | 用于大功率变流模块电流回路杂散参数的测取系统及方法 | |
| CN108196122A (zh) | 一种波形相位识别方法、装置、系统、计算机和存储介质 | |
| CN108512474B (zh) | 电机电流调整方法及电机电流调整装置 | |
| CN116054581B (zh) | 一种基于分数阶电容的双有源桥变换器分数阶建模方法 | |
| CN112886850B (zh) | 一种换能器驱动系统及方法 | |
| CN103439646A (zh) | 一种模拟电路测试矢量生成方法 | |
| CN107482786A (zh) | 一种无线充电系统负载估计方法 | |
| CN114460369A (zh) | 超声波产品负载特性显示电路、方法、设备及存储介质 | |
| CN113934137B (zh) | 一种超声波电源谐振频率跟踪方法及系统 | |
| CN115166339A (zh) | 一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法 | |
| CN110007166B (zh) | 一种变频器能效的快速测量方法 | |
| CN107727931B (zh) | 基于组合控制器的超声电源相位差检测装置和方法 | |
| CN109782074B (zh) | 一种低频正弦波快速响应全参数估计方法及装置 | |
| CN111999563B (zh) | 一种多级联直流变换器阻抗在线测量方法 | |
| CN113824495B (zh) | 一种计算Q-Factor的电路、方法、装置及电子设备 | |
| Bono-Nuez et al. | Applications of machine learning in induction cooking | |
| CN117748594B (zh) | 新能源并网逆变器的灰箱阻抗辨识方法、系统及介质 | |
| RU2770299C1 (ru) | Способ определения параметров трехэлементного резонансного двухполюсника и измерительная цепь для его осуществления |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |