CN202356278U - 自动扫频智能化超声波发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了自动扫频智能化超声波发生器，其包括整流滤波电路、设有第一功率开关管的半桥式逆变器、阻抗匹配电路、超声换能器、振荡与驱动电路、频率自动控制反馈回路、电压检测控制电路和串行通讯接口；该自动扫频智能化超声波发生器通过设置频率自动控制反馈回路实现了自动跟踪超声换能器自身的机械谐振频率的功能；通过设置电压检测控制电路实现了预置输出功率和实现恒定功率输出的功能；通过设置串行通讯接口，实现可利用上位机对超声波发生器的工作频率和输出功率进行控制的功能。

Description

自动扫频智能化超声波发生器

技术领域

本实用新型涉及超声波发生器技术领域，尤其涉及用于美容目的的自动扫频智能化超声波发生器。

背景技术

超声波技术的应用大致可以分为两类：其中需要较大功率或相当大功率的超声波，利用超声波反射、折射、聚束及定向等特性实现物体或物体变化的功率应用称为功率超声，另一类利用超声波采集信息，获得信息应用，称为检测超声。

特别是功率超声，其应用十分广泛。从超声清洗，超声焊接到超声加工，超声医疗等，取得良好的社会效益和经济效益。

但是，如果将功率超声应用于以美容为目的的设备中，就要求其超声波发生器必须要具有以下四个显著的特点：

(1)输出功率可预置并具恒功率输出，通过输出功率的可预置实现超声波输出剂量的控制；应用时，由于超声波治疗头（即超声换能器）即在皮肤表面不断移动，超声波治疗头与皮肤接触力度及接触面耦合介质粘稠度不断改变，当这些外在因素改变时，仍能保证超声波发生器的输出功率不变，实现预置功率下的恒功率输出。

(2)具有频率自适应功能，能随着超声换能器自身机械谐振频率的变化自动调整输出频率，保证超声换能器以最大工作效率工作。

(3)工艺简单、适应性强，用较少的部件，就能适应各种不同的超声波治疗头，有利于降低成本，实现批量生产。

(4)模块化，能作为一种通用件，通过简单的接口关系，就可以直接被使用于各种以美容为目的的仪器设备中，从而降低产品的研发成本，提高产品的研发速度和降低研发成本。

图1为应用于超声清洗、超声焊接及超声加工中的他激式传统超声波发生器的电路结构图，传统超声波发生器的电路其主要包括与220伏市电依次连接的整流滤波电路，桥式逆变器，阻抗匹配电路和超声换能器，以及一振荡及驱动电路和一通过振荡及驱动电路与桥式逆变器相连的调频电位器。整流滤波电路向桥式逆变器输出310V直流电，振荡及驱动电路则向桥式逆变器中的功率开关管输出控制信号，使桥式逆变器工作。桥式逆变器经阻抗匹配电路连接到超声换能器，从而由超声换能器将电能量转换为超声波。从图中可以看出，传统超声波发生器是采用调频电位器来实现人工频率调节，并且还可以通过一个负载指示百分表来监控整个超声波发生器的工作状态。

图1所示传统超声波发生器的电路结构，使用时，由于外在因素的影响，采用人工方法不能及时跟踪到超声换能器自身的机械谐振频率，从而使得整个超声波发生器的工作频率极不稳定，而且，只能手动跟踪而无法实现自动频率跟踪。同时，传统的超声波发生器还存在输出功率无法预置输出功率和实现恒定功率输出。而且，传统超声波发生器的非模块化设计，无法实现利用上位机对其工作频率和输出功率进行控制的功能，因此增加了二次开发的成本，同时也无法直接应用于以美容为目的的仪器设备上。               

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供不但可以自动跟踪超声换能器自身的机械谐振频率，而且可以预置输出功率和实现恒定功率输出，同时电路结构还模块化，还可利用上位机对其工作频率和输出功率进行控制的自动扫频智能化超声波发生器。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案内容具体如下：

自动扫频智能化超声波发生器，包括整流滤波电路、设有第一功率开关管的半桥式逆变器、阻抗匹配电路、超声换能器和振荡与驱动电路；220伏市电、整流滤波电路、半桥式逆变器、阻抗匹配电路和超声换能器依次电性相连；所述振荡与驱动电路的输出端电性连接所述第一功率开关管；另外，为了实现自动跟踪超声换能器自身的机械谐振频率的功能，本实用新型的自动扫频智能化超声波发生器还包括一频率自动控制反馈回路；所述频率自动控制反馈回路的输入端电性连接阻抗匹配电路和超声换能器间的连接节点，输出端电性连接振荡与驱动电路的输入端。

具体地，所述频率自动控制反馈回路包括电流检测电路、频率调节电路、以及设有频率跟踪信号输出端和电流检测输入端的微处理器；所述频率跟踪信号输出端通过频率调节电路电性连接振荡与驱动电路的输入端；所述电流检测电路的输入端电性连接阻抗匹配电路和超声换能器间的连接节点，输出端电性连接所述电流检测输入端。

为了可以预置输出功率和实现恒定功率输出，本实用新型的自动扫频智能化超声波发生器还包括一电压检测控制电路；所述电压检测控制电路包括电压检测电路、设有电压信号反馈端的调压控制与驱动电路和设有第二功率开关管的直流斩波调压或稳压电路；所述整流滤波电路通过所述直流斩波调压或稳压电路电性连接半桥式逆变器；所述微处理器还设有电压预置信号输出端；所述电压预置信号输出端通过调压控制与驱动电路电性连接所述第二功率开关管；电压检测电路的输入端电性连接直流斩波调压或稳压电路与半桥式逆变器间的连接节点，输出端电性连接所述电压信号反馈端。

为了可以设定微处理器的参数，实现对本实用新型的超声波发生器的工作频率和输出功率进行控制，所述微处理器还设有通讯端；所述通讯端可通过一串行通讯接口电性连接一上位机。

具体地，所述半桥式逆变器为双电容式半桥逆变器。

具体地，所述第一功率开关管为绝缘栅双极型功率开关管。

与现有技术相比，本实用新型产生了如下有益效果：

本实用新型的自动扫频智能化超声波发生器通过设置频率自动控制反馈回路实现了自动跟踪超声换能器自身的机械谐振频率的功能；通过设置电压检测控制电路实现了预置输出功率和实现恒定功率输出的功能；通过设置串行通讯接口，实现可利用上位机对超声波发生器的工作频率和输出功率进行控制的功能。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

附图说明

图1为应用于超声清洗、超声焊接及超声加工中的他激式传统超声波发生器的电路结构图；

图2为本实用新型的自动扫频智能化超声波发生器较优选实施例的电路结构图；

图3为本实用新型的超声换能器的电流-频率特性曲线图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型的自动扫频智能化超声波发生器，包括整流滤波电路、设有第一功率开关管的半桥式逆变器、阻抗匹配电路、超声换能器和振荡与驱动电路；220伏市电、整流滤波电路、半桥式逆变器、阻抗匹配电路和超声换能器依次电性相连；所述振荡与驱动电路的输出端电性连接所述第一功率开关管；另外，为了实现自动跟踪超声换能器自身的机械谐振频率的功能，本实用新型的自动扫频智能化超声波发生器还包括一频率自动控制反馈回路；所述频率自动控制反馈回路的输入端电性连接阻抗匹配电路和超声换能器间的连接节点，输出端电性连接振荡与驱动电路的输入端。

具体地，所述频率自动控制反馈回路包括电流检测电路、频率调节电路、以及设有频率跟踪信号输出端和电流检测输入端的微处理器；所述频率跟踪信号输出端通过频率调节电路电性连接振荡与驱动电路的输入端；所述电流检测电路的输入端电性连接阻抗匹配电路和超声换能器间的连接节点，输出端电性连接所述电流检测输入端。

具体地，所述半桥式逆变器为双电容式半桥逆变器。

具体地，所述第一功率开关管为绝缘栅双极型功率开关管。

其中，实现了自动跟踪超声换能器自身的机械谐振频率的功能的具体工作原理为：本实施例中，采用微处理器，电流检测电路，频率调节电路和振荡及驱动电路配合双电容式半桥逆变器对超声换能器的工作电流以及超声换能器振动系统的振幅、频率随负载的变化情况进行测量和分析，进而找出超声换能器工作电流的振幅与超声波发生器的频率之间的一一对应的单调关系。当超声换能器处于谐振状态时，其工作电流的振幅最大，即此时超声换能器的工作电流也最大。也就是说，只要电流检测电路搜索到超声换能器的最大工作电流，也就找到了谐振频率点。因此，本实施例通过微处理器采用变频搜索的方式，使得超声换能器的工作电流总是保持最大值，从而保证超声换能器总是工作在谐振状态。具体实现过程为：首先利用电流检测电路对超声换能器的工作电流进行在线采样、辨识，通过A/D转换之后，微处理器进行计算，根据检测到的电流值计算出频率改变量，之后将这个频率信号经频率调节电路进行同步处理，发出两路频率相同、相位相差180度并且带有死区的PWM信号，再通过振荡与驱动电路驱动双电容式半桥逆变器的绝缘栅双极型功率开关管，从而达到双电容式半桥逆变器的工作频率与超声换能器自身的机械谐振频率一致的目的，实现自动跟踪超声换能器自身的机械谐振频率的功能。

由于超声换能器的性能一致性较差，其精确数学模型的建立比较困难，本实施例中只需选择频率作为主控制参数，控制频率自动控制反馈回路的输出变量为频率变量Δf（其中，Δf=fo- fs，fo为双电容式半桥逆变器的实际工作频率，fs为超声换能器自身的机械谐振频率），输入变量为电流变量ΔI（其中，ΔI=Io-Is，Io为超声换能器的实际工作电流，Is为超声换能器的最大工作电流）或ei（其中，ei=ΔI/Δf，）。

图3为超声换能器的电流—频率特性曲线图，由图3可知，谐振点在(f= fs,I=Is)。假设开始时设定双电容式半桥逆变器的工作频率fo在谐振点左边，即比谐振频率小，那么增加工作频率，而且由于此时工作频率fo距离谐振频率较远，所以频率变量Δf取值较大，因此电流能够迅速增加，随着电流向谐振点处的最大工作电流靠近，Δf逐渐减少，当电流达到最大值时Δf =0；当工作频率fo继续增加，工作电流Io又会由最大值变小，形成图3中的波动过程；而ei起初为—较大的正值，随着工作频率fo增加而线性减少，到谐振点时为零，之后变为负值，到达规定的切换值时，工作频率fo立即以同一速度反向变化。由于工作频率fo减少，所以电流变量又增加，ei逐渐由负变回正值，输出再次逐渐增加到最大值。

另外，为了可以预置输出功率和实现恒定功率输出，本实用新型的自动扫频智能化超声波发生器还包括一电压检测控制电路；所述电压检测控制电路包括电压检测电路、设有电压信号反馈端的调压控制与驱动电路和设有第二功率开关管的直流斩波调压或稳压电路；所述整流滤波电路通过所述直流斩波调压或稳压电路电性连接半桥式逆变器；所述微处理器还设有电压预置信号输出端；所述电压预置信号输出端通过调压控制与驱动电路电性连接所述第二功率开关管；电压检测电路的输入端电性连接直流斩波调压或稳压电路与半桥式逆变器间的连接节点，输出端电性连接所述电压信号反馈端。

本实施例的电压检测控制电路通过PWM控制直流斩波调压或稳压电路来实现输出功率预置和恒定，具体是利用微处理器接受上位机的功率预置值并将其转换为模拟量传送给调压控制与驱动电路，然后再利用调压控制与驱动电路通过电压检测电路取得的直流斩波调压或稳压电路输出电压的反馈值与该模拟量进行比较，产生PWM的占空比来控制直流斩波调压或稳压电路的第二功率开关管以实现直流斩波调压或稳压电路输出电压调节和恒定，最终实现恒定功率输出。

同时，自动跟踪超声换能器机械谐振频率的软件部分是安装在所述微处理器中，并采用模块化程序设计技术，根据功能要求，将软件部分分成以下几个模块：系统初始模块，信号采集及归一化模块，模拟推理模块，控制量清晰化模块，上位机通讯模块以及输出电压预置模块。通过串行通讯接口就可以直接通过上位机去设定所述微处理器的参数，实现利用上位机对超声波发生器的工作频率和输出功率进行控制的功能。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，作出其他各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.自动扫频智能化超声波发生器，包括整流滤波电路、设有第一功率开关管的半桥式逆变器、阻抗匹配电路、超声换能器和振荡与驱动电路；220伏市电、整流滤波电路、半桥式逆变器、阻抗匹配电路和超声换能器依次电性相连；所述振荡与驱动电路的输出端电性连接所述第一功率开关管；其特征在于：还包括一频率自动控制反馈回路；所述频率自动控制反馈回路的输入端电性连接阻抗匹配电路和超声换能器间的连接节点，输出端电性连接振荡与驱动电路的输入端。

2.如权利要求1所述的自动扫频智能化超声波发生器，其特征在于：所述频率自动控制反馈回路包括电流检测电路、频率调节电路、以及设有频率跟踪信号输出端和电流检测输入端的微处理器；所述频率跟踪信号输出端通过频率调节电路电性连接振荡与驱动电路的输入端；所述电流检测电路的输入端电性连接阻抗匹配电路和超声换能器间的连接节点，输出端电性连接所述电流检测输入端。

3.如权利要求2所述的自动扫频智能化超声波发生器，其特征在于：还包括一电压检测控制电路；所述电压检测控制电路包括电压检测电路、设有电压信号反馈端的调压控制与驱动电路和设有第二功率开关管的直流斩波调压或稳压电路；所述整流滤波电路通过所述直流斩波调压或稳压电路电性连接半桥式逆变器；所述微处理器还设有电压预置信号输出端；所述电压预置信号输出端通过调压控制与驱动电路电性连接所述第二功率开关管；电压检测电路的输入端电性连接直流斩波调压或稳压电路与半桥式逆变器间的连接节点，输出端电性连接所述电压信号反馈端。

4.如权利要求3所述的自动扫频智能化超声波发生器，其特征在于：所述微处理器还设有通讯端；所述通讯端可通过一串行通讯接口电性连接一上位机。

5.如权利要求1-4任何一项所述的自动扫频智能化超声波发生器，其特征在于：所述半桥式逆变器为双电容式半桥逆变器。

6.如权利要求5所述的自动扫频智能化超声波发生器，其特征在于：所述第一功率开关管为绝缘栅双极型功率开关管。

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