[发明专利]一种超声换能器在线阻抗测量与动态匹配系统

说明书

本发明公开了一种超声换能器在线阻抗测量与动态匹配系统，属于超领域。为了克服现有技术中存在的匹配成本高、成功率差、电声转换效率低的问题，本发明提供一种超声换能器在线阻抗测量与动态匹配系统，包括信号发生器和超声换能器，信号发生器和超声换能器之间设有阻抗测量系统、阻抗匹配电路、单片机系统和驱动模块，阻抗测量系统包括电流探头、电压探头和与电流探头、电压探头均连接的计算机控制的采集系统，计算机控制的采集系统与单片机系统连接，单片机系统与驱动模块连接，驱动模块与阻抗匹配电路连接，本方案可针对处于工作状态的超声换能器进行阻抗测量和实时匹配，从而提高超声换能器的电声转换效率。

技术领域

本发明属于超声换能器的阻抗匹配技术领域，具体是涉及一种超声换能器在线阻抗测量与动态匹配系统。

背景技术

超声换能器是将输入的电功率转换成机械功率再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率的装置。超声换能器的电学端阻抗匹配是决定其电声转换效率重要因素之一。通常由信号源驱动超声换能器实现电-声转换，前者的输出阻抗及传输线的特性阻抗一般呈纯阻性而后者为电抗性元件，直接驱动会产生反射功率，使换能器温度升高，电-声转换效率降低，严重时甚至烧毁超声换能器，故需要对阻抗进行匹配。

信号源在产生超声激励时，理论上超声换能器将在信号源频率接近其压电晶片所设计的谐振频率时达到最高的电-声转换效率，但是如果超声换能器后部电学端没有进行合适的阻抗匹配，当其后部电学端的谐振频率与其压电晶片所设计的谐振频率不同时，将导致大部分能量被反射回信号源。因此，严重的阻抗失配不仅会影响超声换能器的性能，还可能导致功率放大单元的损坏。

阻抗匹配的前提是对超声换能器阻抗信息的测量与分析，传统的阻抗测量方法是采用阻抗分析仪、矢量网络分析仪等仪器离线测量出超声换能器的阻抗值后据此进行静态匹配，成本较高且对使用者的专业知识有一定要求，但超声换能器在长时间、大功率工作时，各类诸如非线性效应、温度升高或负载变化等原因都会引起其阻抗特性和谐振频率的变化，如果还用静态不变的参数进行匹配，必然导致不匹配。

现有技术中超声换能器的阻抗匹配主要是利用变压器、电容-电感、传输线等元件针对特定超声换能器在特定频率点实现静态阻抗匹配[压电与声光，1992(4)：(29-32)，该方法费时费力，且当超声换能器工作状态发生偏移时仍存在阻抗失配的风险，手动控制的阻抗匹配箱虽然可以满足多换能器多工作状态的匹配需求，但使用时也需要提前对换能器阻抗进行测量，实际进行的匹配仍为静态匹配。因此，有学者提出采用动态匹配的方式，使超声电源的输出频率动态地跟踪换能器谐振频率的变化。

现有技术中国专利申请“201610961738.3”公开了一种自动阻抗匹配的超声波电路驱动器及其自动动态匹配方法，其包括相互衔接的高速单片机模块、DDS信号生成模块、功率放大模块、阻抗动态匹配模块、信号采集与控制模块和保护电路模块；该发明阻抗动态匹配模块由一系列的电感器件组成，通过匹配算法控制阻抗动态匹配模块的电感，满足系统在电路结构上的谐振，使得电路系统能量的最大输出，达到超声驱动器与换能器的合理匹配。高速单片机模块可实现整个超声驱动器的数字控制，信号生成是采用DDS数字式方法实现正弦波信号的生成，功放放大模块可将驱动电压与电流信号提升到换能器所需要的功率，信号控制模块可实现频率自动跟踪等功能。但是该发明仅使用电感器件进行匹配，没有涉及L型电容-电感匹配电路，动态匹配效果不佳，匹配不精确，电声转换效率低；该发明仅可以作为驱动器使用，不涉及在其他信号源情况下驱动，具有一定局限性；该发明仅可进行阻抗匹配，没有涉及在线阻抗测量与阻抗信息输出，具有一定局限性。

发明内容

1.要解决的技术问题

为了克服现有技术中存在的匹配成本高、成功率差、电声转换效率低的问题，本发明提供一种超声换能器在线阻抗测量与动态匹配系统，该系统中阻抗测量系统和阻抗匹配电路可针对处于工作状态的超声换能器进行阻抗测量和实时匹配，从而提高超声换能器的电声转换效率。

2.技术方案