[發明專利]超聲換能器機械諧振頻率的快速追蹤裝置和方法

有效

• 申請號: 201910147405.0
• 申請日: 2019-02-27
• 公開（公告）號: CN109932052B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 王金棟;段發階;蔣佳佳;彭呈祥
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種超聲換能器機械諧振頻率的快速追蹤裝置，其特征是，由壓電超聲換能器、電壓傳感器、電流傳感器、匹配電感、D類功率放大器、任意波形發生器DDS、微處理器、檢相電路、峰值檢測電路、放大濾波電路組成，其運行過程如下：微處理器控制DDS輸出正弦驅動信號，經D類功率放大器放大后去驅動經匹配電感匹配后的壓電超聲換能器；同時，電流傳感器采集流過壓電超聲換能器的電流，電壓傳感器采集壓電超聲換能器兩端的電壓；兩路采樣信號經過濾波放大電路濾除噪聲和諧波、放大；濾波放大的信號分別經過檢相電路和峰值檢測電路，得到電壓、電流之間的相位差和它們的峰值；相位差和峰值信號被微處理器采樣得到，計算出換能器此時的復導納大小，并判斷換能器的諧振狀態，以一定的頻率間隔Δω，采樣三次，得到三組包含驅動頻率、復導納的數據，從而解調出換能器的機械諧振頻率；在諧振頻率附近，壓電式超聲換能器的等效電路為第一電阻、第一電容和第一電感串接在一起，一個電阻和一個電容并接后再與串接的第一電阻、第一電容和第一電感并接，其復導納Y為：

Y＝G+Bj＝1/R₀+jωC₀+1/[R₁+j(ωL₁-1/ωC₁)]

＝{1/R₀+ω²C₁²R₁/[(1-ω²L₁C₁)²+ω²C₁²R₁²]}+j{ωC₀+(1-ω²L₁C₁)ωC₁/[(1-ω²L₁C₁)²+ω²C₁²R₁²]} (1)

其中ω驅動頻率，G是電導，B是電納，G和B分別為：

換能器兩端的電壓u和流過換能器的電流i之間的關系如下：

i＝u·Y＝u·|Y|∠θ (4)

則電壓峰值I、電流峰值U、相位差θ與導納|Y|的關系為：

其中，R₀、C₀分別為所述并接的一個電阻和一個電容的阻值、容值，L₁、C₁、R₁分別為第一電感、第一電容和第一電阻的感值、容值、阻值，由式(5)、(6)和(7)計算出換能器此時的導納，電導和電納。

2.一種超聲換能器機械諧振頻率的快速追蹤方法，其特征是，首先，設置初始驅動角頻率ω₀，微處理器控制任意波形發生器DDS產生角頻率ω₀驅動信號，經D類功率放大器放大成高壓功率信號，驅動經調諧匹配電匹配后的壓電超聲換能器，電流傳感器采集得到流過壓電超聲換能器實時的電流信號i，電壓傳感器采集得到壓電超聲換能器實時的電壓信號u，信號i、u再經過放大濾波電路進行信號放大并濾除噪聲和諧波，放大濾波后的電壓電流信號分別通過檢相電路和峰值檢測電路，得到電壓和電流的峰值U、I，以及之間的相位角θ；解調出換能器的機械諧振頻率；在諧振頻率附近，壓電式超聲換能器的等效電路為第一電阻、第一電容和第一電感串接在一起，一個電阻和一個電容并接后再與串接的第一電阻、第一電容和第一電感并接，R₀、C₀分別為所述并接的一個電阻和一個電容的阻值、容值，L₁、C₁、R₁分別為第一電感、第一電容和第一電阻的感值、容值、阻值，解調出換能器的機械諧振頻率具體過程：

1)以初始設定頻率ω₀為初始頻率驅動換能器，采樣得到點P₀(ω₀,G₀,B₀)；

2)以頻率ω₁＝ω₀-Δω、ω₂＝ω₀+Δω驅動換能器，得到采樣點P₁(ω₁,G₁,B₁)、P₂(ω₂,G₂,B₂),Δω為頻率步長；

3)對采樣點進行校正，得到同一換能器導納圓上三點P₀、P_1a、P_2a；

4)由圓上三點求出換能器導納圓圓心坐標(x,y)，并由圓心的坐標計算出R₁、C₀；

5)由公式計算C₁和L₁C₁的大小，進一步求出機械諧振頻率f_s，并以此頻率驅動換能器；換能器復導納Y為：

Y＝G+Bj＝1/R₀+jωC₀+1/[R₁+j(ωL₁-1/ωC₁)]

＝{1/R₀+ω²C₁²R₁/[(1-ω²L₁C₁)²+ω²C₁²R₁²]}+j{ωC₀+(1-ω²L₁C₁)ωC₁/[(1-ω²L₁C₁)²+ω²C₁²R₁²]}. (1)

其中ω驅動頻率，G是電導，B是電納，G和B分別為：

換能器兩端的電壓u和流過換能器的電流i之間的關系如下：

i＝u·Y＝u·|Y|∠θ (4)

則電壓峰值I、電流峰值U、相位差θ與導納|Y|的關系為：

由式(5)、(6)和(7)可以計算出換能器此時的導納，電導和電納；

換能器機械諧振頻率的快速追蹤方法如下：

由式(2)和(3)得到：

(G-1/R₀-1/2R₁)²+(B-ωC₀)²＝(1/2R₁)² (8)

式(8)顯示，換能器的導納變化近似用一個圓c₀表示，圓的圓心為：(1/R₀+1/2R₁,ωC₀)，R₀因為阻值較大而被忽略，因此圓心簡寫為：(1/2R₁,ωC₀)，由此可見導納圓的圓心并不是一個定值，其縱坐標會隨驅動頻率ω的改變而改變，從而導致導納圓實際在上下平移，以相同的頻率間隔，分別以頻率ω₀、ω₁、ω₂驅動換能器，其中ω₁＝ω₀-Δω、ω₂＝ω₀+Δω，采樣得到三組數據：(ω₀,G₀,B₀)、(ω₁,G₁,B₁)、(ω₂,G₂,B₂)，分別對應點P₀、P₁、P₂，分別在圓c₀、c₁、c₂上，由于導納圓的上下平移，要對P₁、P₂進行校正，才能得到與P₀在同一圓上P_1a、P_2a，易得P₀、P_1a、P_2a的坐標分別為：P₀:(G₀,B₀)、P_1a:(G₁,B₁-ΔωC₀)、P_2a:(G₂,B₂-ΔωC₀)，由圓上的三點則可以求出圓心坐標O(x,y)，由圓心的坐標(1/2R₁,ωC₀)得到：

R₁＝1/2x (9)

C₀＝y/ω₀ (10)

忽略R₀，由式(2)、(3)得:

式(12)為L₁和C₁之間的關系，代入采集的兩點P₁(ω₁,G₁,B₁)、P₂(ω₂,G₂,B₂)，得到：

解得：

則機械諧振頻率f_s為：

由式(16)計算出換能器的機械諧振頻率，并以此頻率驅動換能器。