[實(shí)用新型]聲波換能器匹配裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320442286.X
• 申請日: 2013-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN203426030U
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 樊華;譚番瓊;鄭洪剛
• 申請（專利權(quán)）人: 西安思坦儀器股份有限公司
• 主分類號(hào): B06B1/06
• 分類號(hào): B06B1/06
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 姚敏杰

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于石油聲波測井領(lǐng)域，涉及一種用于聲波測井儀壓電陶瓷的聲波換能器匹配裝置。

背景技術(shù)

聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)的器件，廣泛用于超聲波加工、診斷、清洗、超聲探測等領(lǐng)域。聲波測井井下儀器在探測過程中需要將足夠大的聲波信號(hào)輻射到地層中，須用高壓大功率脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器，同時(shí)在信號(hào)源與換能器之間，還應(yīng)做到阻抗匹配。

以壓電陶瓷為基礎(chǔ)的壓電超聲換能器（以下簡稱換能器）近年來在功率超聲領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。換能器作為二端電--機(jī)轉(zhuǎn)換元件，在其諧振頻率附近呈容性，直接連接激勵(lì)脈沖會(huì)使系統(tǒng)功率因數(shù)下降，電源效率降低，應(yīng)用中應(yīng)串聯(lián)或并聯(lián)一感性元件（匹配電感）來抵消換能器的容性（靜態(tài)電容），即電端匹配。良好的電端匹配可以將激勵(lì)脈沖能量高效地傳遞給換能器。在分析電端匹配一般性原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了匹配電路的2個(gè)主要作用：①調(diào)諧；②變阻。鑒于目前匹配電感都是直接與換能器相串聯(lián)或并聯(lián)，并位于輸出變壓器次級(jí)一側(cè)，故可將其統(tǒng)稱為次級(jí)匹配法。在傳統(tǒng)的次級(jí)匹配中，即使匹配電感和換能器良好匹配（呈純阻性），功放電路的實(shí)際負(fù)載仍等效為變壓器初級(jí)感抗與次級(jí)回路初級(jí)反映阻抗的串聯(lián)，呈非純阻性，因而功率因數(shù)有待進(jìn)一步提高。

實(shí)用新型內(nèi)容

為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種可抑制高次諧波以及能夠減小功放管負(fù)擔(dān)的聲波換能器匹配裝置。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是：本實(shí)用新型提供了一種聲波換能器匹配裝置，其特殊之處在于：所述聲波換能器匹配裝置包括激勵(lì)脈沖、變壓器、負(fù)載以及負(fù)載補(bǔ)償裝置；所述變壓器包括變壓器原邊以及與變壓器原邊相適配的變壓器次邊；所述激勵(lì)脈沖與變壓器原邊相連；所述變壓器次邊與負(fù)載形成整體結(jié)構(gòu)；所述激勵(lì)脈沖通過負(fù)載補(bǔ)償裝置與變壓器原邊相連。

上述負(fù)載補(bǔ)償裝置包括電感以及第二開關(guān)；所述激勵(lì)脈沖包括正向輸入端以及負(fù)向輸入端；所述激勵(lì)脈沖的正向輸入端依次通過第二開關(guān)、電感以及變壓器原邊接入激勵(lì)脈沖負(fù)向輸入端。

上述負(fù)載補(bǔ)償裝置還包括第一開關(guān)以及第一電容；所述變壓器原邊與第一電容并聯(lián)后的一端通過第一開關(guān)接入激勵(lì)脈沖的正向輸入端，變壓器原邊與第一電容并聯(lián)后的另一端接入激勵(lì)脈沖的負(fù)向輸入端。

上述負(fù)載包括靜態(tài)電容以及第一電阻；所述靜態(tài)電容、第一電阻以及變壓器次邊依次并聯(lián)。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是：

本實(shí)用新型將輸出變壓器和換能器作為一整體負(fù)載，由串接在變壓器初級(jí)上的抗性元件對其進(jìn)行匹配。若整體負(fù)載在換能器的機(jī)械諧振頻率處呈感性，則匹配元件取為電容，反之采用電感。匹配元件串接入電路的目的是為了抑制高次諧波，減小功放管負(fù)擔(dān)。由于初級(jí)匹配法能利用輸出變壓器引入的感性成分參與至換能器電端匹配過程，因此系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)一步提高。通過本實(shí)用新型專利所述裝置測量可得變壓器與換能器這一整體負(fù)載在諧振頻率處呈容性，因此通過在變壓器的初級(jí)增加匹配電感可實(shí)現(xiàn)共軛匹配。

附圖說明

圖1a是現(xiàn)有技術(shù)中變壓器的次級(jí)串聯(lián)電感匹配下次級(jí)回路示意圖；

圖1b是現(xiàn)有技術(shù)中變壓器的次級(jí)并聯(lián)電感匹配下次級(jí)回路示意圖；

圖2是是換能器機(jī)械諧振頻率ωs處的換能器初級(jí)匹配示意圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型提供了一種聲波換能器匹配裝置，該裝置包括激勵(lì)脈沖、變壓器、負(fù)載以及負(fù)載補(bǔ)償裝置；變壓器包括變壓器原邊以及與變壓器原邊相適配的變壓器次邊；激勵(lì)脈沖與變壓器原邊相連；變壓器次邊與負(fù)載形成整體結(jié)構(gòu)；激勵(lì)脈沖通過負(fù)載補(bǔ)償裝置與變壓器原邊相連。

負(fù)載補(bǔ)償裝置包括電感以及第二開關(guān)；激勵(lì)脈沖包括正向輸入端以及負(fù)向輸入端；激勵(lì)脈沖的正向輸入端依次通過第二開關(guān)、電感以及變壓器原邊接入激勵(lì)脈沖負(fù)向輸入端。

負(fù)載補(bǔ)償裝置還包括第一開關(guān)以及第一電容；變壓器原邊與第一電容并聯(lián)后的一端通過第一開關(guān)接入激勵(lì)脈沖的正向輸入端，變壓器原邊與第一電容并聯(lián)后的另一端接入激勵(lì)脈沖的負(fù)向輸入端。

負(fù)載包括靜態(tài)電容以及第一電阻；靜態(tài)電容、第一電阻以及變壓器次邊依次并聯(lián)。

采用實(shí)用新型所提供的聲波換能器匹配裝置在進(jìn)行換能匹配時(shí)，首先根據(jù)公知常識(shí)計(jì)算靜態(tài)電容與變壓器次邊所形成整體負(fù)載的阻抗，其次將該阻抗的電抗值與數(shù)值0進(jìn)行比較，若大于零，則在變壓器原邊并聯(lián)第一電容；若小于零，則在變壓器原邊串聯(lián)電感。

本實(shí)用新型的理論基礎(chǔ)是：將輸出變壓器、匹配電感和換能器看作激勵(lì)脈沖的整體負(fù)載，并設(shè)Zs和Zp經(jīng)良好匹配已達(dá)到純阻性，則該整體負(fù)載的輸入阻抗Zin_s和Zin_p為：