CN201226589Y - 一种超声压电换能器自动阻抗匹配器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声压电换能器自动阻抗匹配器，其包括工作电源(1)、超声电源(6)、可与超声压电换能器(7)相连的匹配电路(2)，其特征在于还包括有取样电路(3)、信号检测与处理电路(4)、控制单元(5)，所述工作电源(1)的输出端分别与信号检测与处理电路(4)、控制单元(5)相连，所述取样电路(3)的输入端与超声电源(6)相连，其输出端分别与匹配电路(2)、信号检测与处理电路(4)的输入端相连，所述信号检测与处理电路(4)的输出端与控制单元(5)的输入端相连，所述控制单元(5)的输出端与匹配电路(2)的输入端相连。本实用新型能够同时满足调谐和变阻的要求，且结构简单、体积小，匹配精度高。

Description

一种超声压电换能器自动阻抗匹配器

技术领域

本实用新型涉及一种超声压电换能器自动阻抗匹配器。

背景技术

在超声波医疗设备的设计中常常会遇到超声压电换能器阻抗匹配的问题，解决的方法是设计一个专门的匹配电路对压电换能器的阻抗进行匹配，此匹配电路的优劣将直接影响压电换能器获得的功率及设备的安全运行。由于压电换能器的阻抗特性对温度变化及工作环境比较敏感，这就使得匹配电路的设计变得十分复杂。

图5所示为现有技术中超声压电换能器的匹配原理图。其中Z_i为换能器的输入阻抗，可表示为Z_i＝R_i+jX_i。Z_C为换能器经过匹配后，换能器与匹配电路整体对外呈现的输入阻抗，可表示为：Z_C＝R_C+jX_C。Z_O为超声电源的输出阻抗，其值一般比较小且呈纯阻型。匹配电路主要实现调谐和变阻的目的，即R_C＝Z(Z为传输电缆的特性阻抗，一般为50Ω)且X_C＝0。

目前常用的对超声压电换能器的匹配方法分为静态匹配和动态匹配两种。静态匹配是用变压器、电感和电容等元器件对一定工作频率下压电换能器的电抗部分进行补偿，达到调谐的目的。这种方法电路简单，易于实现，但不能适应压电换能器在工作过程中阻抗的实时变化，使换能器在失谐状态下工作，影响输出功率及整机的安全性。动态匹配有频率跟踪和实时调节匹配元件两种方法。前者适用于超声波电源输出频率变化的场合，它采用负反馈技术，通过检测工作过程中电路的某些参数(电流、功率等)相应调整超声波电源的输出频率，电路比较复杂；后者适用于工作频率固定的场合，也是检测工作过程中电路的某些参数来相应调节匹配元件以达到动态匹配的目的。这两种方法都能使设备始终工作在谐振状态下，即X_C＝0，但是不能保证R_C＝Z，反射功率较大，换能器的超声转换效率低且两种方法的匹配精度都比较低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中匹配电路存在的上述不足，提供一种能够同时满足调谐和变阻的要求，且结构简单、体积小，匹配精度高的超声压电换能器自动阻抗匹配器。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是该超声压电换能器自动阻抗匹配器包括工作电源、超声电源、可与超声压电换能器相连的匹配电路，还包括有取样电路、信号检测与处理电路、控制单元，所述工作电源的输出端分别与信号检测与处理电路、控制单元相连，所述取样电路的输入端与超声电源相连，其输出端分别与匹配电路、信号检测与处理电路的输入端相连，所述信号检测与处理电路的输出端与控制单元的输入端相连，所述控制单元的输出端与匹配电路的输入端相连，取样电路用于提取匹配电路以及超声压电换能器两端的电压和流过匹配电路以及超声压电换能器的总电流，并将上述电压和电流信号送入信号检测与处理电路，信号检测与处理电路通过检测与处理上述电压和电流信号得到电压和电流信号的有效值、相位差及相位关系，控制单元再根据所得到的电压和电流信号的有效值、相位差及相位关系来调节匹配电路。

所述取样电路可包括取样电阻R7、电流互感器T1和电压互感器T2，电流互感器T1的原边与超声电源以及匹配电路的输入端串联，其副边与取样电阻R7相连，用于检测流经匹配电路和超声压电换能器的总电流信号；电压互感器T2的原边与匹配电路以及超声压电换能器并联，其副边与有源滤波电路输入端相连，用于检测匹配电路和超声压电换能器两端的电压信号。

所述匹配电路可包括电容C3和可调电感L1，可以根据检测获得的电路参数调节自身的阻抗，以实现对超声压电换能器阻抗的自动匹配。

所述信号检测与处理电路可包括有源滤波电路、有效值检测电路、波形转换电路、相位差检测电路、相位判断电路和A/D转换电路，有源滤波电路的输入端与所述取样电路的输出端相连，其输出端分别与波形转换电路以及有效值检测电路的输入端相连，波形转换电路的输出端分别与相位差检测电路和相位判断电路的输入端相连，有效值检测电路以及相位差检测电路的输出端分别与A/D转换电路的输入端相连，A/D转换电路以及相位判断电路的输出端分别与控制单元的输入端相连。有源滤波电路对取样电路中提取的电压及电流信号进行滤波及放大处理后，分别送至有效值检测电路和波形转换电路，在有效值检测电路中分别检测出电压及电流信号的有效值，在波形转换电路将正弦波形式的电压和电流信号转换为方波信号，波形转换电路的输出信号再经过相位差检测电路和相位判断电路，得到电压及电流信号的相位差及相位关系，再将电压及电流信号的有效值和相位差信号分别送入A/D转换电路进行A/D转换，最后将转换得到的值连同相位判断信号一起送入控制单元。

其中，所述有源滤波电路包括两块高速放大芯片及两个R-C带通滤波网络，组成两路通道，分别处理电压和电流信号。

所述有效值检测电路可包括两块高速真有效值/直流转换芯片，分别检测电压和电流信号的有效值。

所述波形转换电路可采用一个高速过零比较器。

所述相位差检测电路可包括一个异或门和一个高速真有效值/直流转换芯片。

所述相位判断电路可采用一个触发器。

所述A/D转换电路可采用一个A/D转换芯片。

所述控制单元可包括控制电路和由控制电路控制的电机，所述控制电路的输入端与信号检测与处理电路的输出端相连，控制电路可根据电压及电流信号的有效值计算得出当前匹配电路与超声压电换能器总的阻抗值，再通过相位差和相位关系信号(电压和电流信号相位的超前与滞后关系即为相位关系)来确定超声压电换能器所需要的阻抗匹配值，发出相应指令控制电机的转速及转向，对匹配电路中的匹配元件进行调节，以实现对超声压电换能器阻抗进行自动匹配的功能。所述控制电路可采用单片机，所述电机可采用步进电机。

工作电源为本实用新型超声压电换能器自动阻抗匹配器中的各个元件提供工作电压，所述工作电源采用可提供正负两路工作电压的电源，以适应不同的元件需要。

采用上述方式对超声压电换能器进行阻抗的自动阻抗匹配器，是针对工作过程中换能器阻抗特性参数的动态变换进行自动匹配，属于动态匹配的一种。这种匹配器的优点在于：相对于现有技术中的静态匹配，对工作过程中超声压电换能器变化的阻抗特性能进行自动的匹配，解决了静态匹配电路中不能实时匹配的问题；相对于现有的动态匹配的频率跟踪技术，本实用新型匹配器只是对匹配电路自身进行调节，并不改变超声电源的输出频率，因此其电路更简单；相对于匹配电路的自身调节技术，本实用新型实时检测了电路中的一系列电学参数，并根据这些参数相应的调节匹配元件，使其匹配精度更高。此外本实用新型在实现X_C＝0(即谐振)的同时还能保证R_C＝Z(即变阻)，也就是实现了以上两种技术都无法同时实现变阻和调谐的功能，且其结构简单、体积小，选用的都是比较通用的电子元件，易于实现。

附图说明

图1为本实用新型超声压电换能器自动阻抗匹配器的方框原理图

图2为图1中取样电路及匹配电路的电原理图

图3为图1中信号检测及处理电路的电原理图

图4为图1中工作电源电路的电原理图

图5为现有技术中超声压电换能器的匹配原理图

图中：1—工作电源  2—匹配电路  3—取样电路  4—信号检测与处理电路  41—有源滤波电路  42—有效值检测电路  43—波形转换电路  44—相位差检测电路  45—相位判断电路  46—A/D转换电路  5—控制单元  51—控制电路  52—电机  6—超声电源7—超声压电换能器  P1、P2—同轴电缆

具体实施方式

以下结合实施例和附图，对本实用新型作进一步详细描述。

下面实施例为本实用新型的非限定性实施例。

如图1所示，本实用新型超声压电换能器自动阻抗匹配器包括工作电源1、超声电源6、取样电路3、信号检测与处理电路4、控制单元5以及可与超声压电换能器7相连的匹配电路2，所述工作电源1的输出端分别与信号检测与处理电路4、控制单元5相连，所述取样电路2的输入端与超声电源6相连，其输出端分别与匹配电路2、信号检测与处理电路4的输入端相连，所述信号检测与处理电路4的输出端与控制单元5的输入端相连，所述控制单元5的输出端与匹配电路2的输入端相连。

图2所示为本实用新型超声压电换能器自动阻抗匹配器的匹配电路2和取样电路3。取样电路3包括电流互感器T1、取样电阻R7以及电压互感器T2。电流互感器T1的原边与超声电源6以及匹配电路2的输入端串联，其副边与取样电阻R7相连，电流互感器T1及取样电阻R7用于检测流经匹配电路2和超声压电换能器7的总电流信号；电压互感器T2的原边与匹配电路2以及超声压电换能器7并联，其副边与信号检测与处理电路4中的有源滤波电路41的输入端相连，用于检测匹配电路2和超声压电换能器7两端的电压信号，此电流和电压信号分别输出到信号检测与处理电路4中的有源滤波电路41。匹配网络2包括电容C3和可调电感L1。同轴电缆P1连接电流互感器T1和超声电源6，同轴电缆P2连接匹配电路2和超声压电换能器7。

图3所示为本实用新型超声压电换能器自动阻抗匹配器的信号检测及处理电路4。该电路包括有源滤波电路41、有效值检测电路42、波形转换电路43、相位差检测电路44、相位判断电路45及A/D转换电路46，用于对取样电路3获得的电压及电流信号进行处理，分别获得它们的有效值、相位差及两信号之间相位关系(超前或滞后关系)并将其送入控制单元5。

有源滤波电路41包括两路，一路由电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3以及高速放大芯片U1组成，另一路由电容C2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、高速放大芯片U2组成，分别对取样电路3中获得的电压和电流信号进行放大和滤波处理。经有源滤波电路41处理后的电压和电流信号分两路分别送入有效值检测电路42和波形转换电路43。本实施例中，高速放大芯片U1、U2都采用lm6181。

有效值检测电路42由两块高速真有效值/直流转换芯片U3、U4构成两路通道，分别得到电压信号的有效值Vo1和电流信号的有效值Vo2。经有效值检测电路42处理后的信号被送入A/D转换电路46。本实施例中，高速真有效值/直流转换芯片U3、U4都采用AD637。

波形转换电路43采用一块高速过零比较器U5来实现，将正弦波形式的电压和电流信号转化为方波形式。经波形转换电路43处理后的信号分两路分别送入相位差检测电路44和相位判断电路45。本实施例中，高速过零比较器U5采用MAX963。

相位差检测电路44由一个异或门U6A和一个高速真有效值/直流转换芯片U8构成，通过异或门U6A得到电压和电流信号的相位差，再通过高速真有效值/直流转换芯片U8得到相位差信号Vo3。经相位差检测电路44处理后的信号送入A/D转换电路46。本实施例中，异或门U6A采用74HC86，高速真有效值/直流转换芯片U8采用AD637。

相位判断电路45由一个D触发器U7A实现，判断输入的电压和电流信号的相位关系以及输出相位关系信号。经相位判断电路45处理后的信号送入控制单元5。本实施例中，D触发器U7A采用74HC74。

A/D转换电路46由一个A/D转换芯片U9实现，将有效值检测电路42输出的电压信号的有效值Vo1和电流信号的有效值Vo2及由相位差检测电路44输出的相位差信号Vo3进行A/D转换，其输出信号分别为Vo4、Vo5和Vo6。经A/D转换电路46处理后的信号Vo4、Vo5和Vo6分时输出到控制单元5。本实施例中，A/D转换芯片U9采用ADC0809。

控制单元5包括控制电路51和电机52，用于对匹配电路2进行控制，以调节匹配电路2的阻抗值，实现对超声压电换能器7的阻抗匹配。

控制电路51由单片机及相应外围电路组成，由A/D转换电路46输出的信号Vo4、Vo5、Vo6以及由相位判断电路45输出的相位关系信号被送入控制电路51中的单片机，单片机根据电压有效值信号Vo4和电流有效值信号Vo3计算阻抗值，并连同相位差号Vo6和相位关系信号来确定超声压电换能器7所需要的阻抗匹配值，进一步根据此值确定匹配电路2应调节的阻抗值和调节方向，并根据此值控制电机52的转向和转速。本实施例中，单片机采用AT89C52。

电机52可采用步进电机，其输出端连接到匹配电路2中的可调电感L1上，根据单片机的控制指令对匹配电路2中的可调电感L1进行调节，以调节整个匹配电路2的阻抗，从而实现对超声压电换能器7的自动阻抗匹配。

图4所示为本实用新型超声压电换能器自动阻抗匹配器的工作电源1。该工作电源电路可产生正负5伏的电压，为不同的元件提供工作电压。工频交流电压经过整流桥D1后，得到正负两路信号，一路经过电容C4、电容C5后送入稳压芯片U10，稳压芯片U10的输出信号经过电容C6、电容C7后得到正5伏电压；另一路经过电容C8、电容C9后送入稳压芯片U11，稳压芯片U11的输出信号经过电容C10、电容C11得到负5伏电压。此正负5伏的电源分别加到信号检测与处理电路4中的高速放大芯片U1、U2，高速真有效值/直流转换芯片U3、U4、U8，高速过零比较器U5，异或门U6A，D触发器U7A以及A/D转换器U9和控制电路51中单片机的电源引脚。

Claims (13)

1.一种超声压电换能器自动阻抗匹配器，包括工作电源(1)、超声电源(6)、可与超声压电换能器(7)相连的匹配电路(2)，其特征在于还包括有取样电路(3)、信号检测与处理电路(4)、控制单元(5)，所述工作电源(1)的输出端分别与信号检测与处理电路(4)、控制单元(5)相连，所述取样电路(3)的输入端与超声电源(6)相连，其输出端分别与匹配电路(2)、信号检测与处理电路(4)的输入端相连，所述信号检测与处理电路(4)的输出端与控制单元(5)的输入端相连，所述控制单元(5)的输出端与匹配电路(2)的输入端相连，取样电路用于提取匹配电路以及超声压电换能器两端的电压和流过匹配电路以及超声压电换能器的总电流，并将上述电压和电流信号送入信号检测与处理电路，信号检测与处理电路通过检测与处理上述电压和电流信号得到电压和电流信号的有效值、相位差及相位关系，控制单元再根据所得到的电压和电流信号的有效值、相位差及相位关系来调节匹配电路。

2.根据权利要求1所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述取样电路(3)包括取样电阻R7、电流互感器T1和电压互感器T2，电流互感器T1的原边与超声电源以及匹配电路的输入端串联，其副边与取样电阻R7相连，用于检测流经匹配电路和超声压电换能器的总电流信号；电压互感器T2的原边与匹配电路以及超声压电换能器并联，其副边与有源滤波电路输入端相连，用于检测匹配电路和超声压电换能器两端的电压信号。

3.根据权利要求1所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述匹配电路(2)包括电容C3和可调电感L1。

4.根据权利要求1所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述信号检测与处理电路(4)包括有源滤波电路(41)、有效值检测电路(42)、波形转换电路(43)、相位差检测电路(44)、相位判断电路(45)和A/D转换电路(46)，有源滤波电路(41)的输入端与所述取样电路(3)的输出端相连，其输出端分别与波形转换电路(43)以及有效值检测电路(42)的输入端相连，波形转换电路(43)的输出端分别与相位差检测电路(44)和相位判断电路(45)的输入端相连，有效值检测电路(42)以及相位差检测电路(44)的输出端分别与A/D转换电路(46)的输入端相连，A/D转换电路(46)以及相位判断电路(45)的输出端分别与控制单元(5)的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述有源滤波电路(41)包括两块高速放大芯片及两个R-C带通滤波网络，组成两路通道，分别处理电压和电流信号。

6.根据权利要求4所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述有效值检测电路(42)包括两块高速真有效值/直流转换芯片，分别检测电压和电流信号的有效值。

7.根据权利要求4所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述波形转换电路(43)采用一个高速过零比较器。

8.根据权利要求4所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述相位差检测电路(44)包括一个异或门和一个高速真有效值/直流转换芯片。

9.根据权利要求4所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述相位判断电路(45)采用一个触发器。

10.根据权利要求4所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述A/D转换电路(46)采用一个A/D转换芯片。

11.根据权利要求1所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述控制单元(5)包括控制电路(51)和由控制电路控制的电机(52)，所述控制电路的输入端与信号检测与处理电路的输出端相连。

12.根据权利要求11所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述控制电路(51)采用单片机，电机(52)采用步进电机。

13.根据权利要求1—12之一所述的超声压电换能器自动阻抗匹配器，其特征在于所述工作电源(1)采用可提供正负两路工作电压的电源。

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