[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

本發明涉及超聲技術領域，為快速追蹤換能器機械諧振頻率的裝置和方法。本發明超聲換能器機械諧振頻率的快速追蹤裝置，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，微處理器控制DDS輸出正弦驅動信號，經D類功率放大器驅動壓電超聲換能器；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；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，從而解調出換能器的機械諧振頻率。本發明主要應用于超聲探測場合。

技術領域

本發明涉及超聲技術領域，特別是一種超聲換能器機械諧振頻率的快速追蹤裝置和方法。

背景技術

壓電式超聲換能器以其低成本、小體積、高功率等優點而廣泛應用于超聲技術領域。其關鍵技術是對超聲換能器進行頻率跟蹤，以獲得更高的輸出效率。壓電超聲換能器本身存在多個特征頻率，有諧振頻率、反諧振頻率、串聯諧振頻率、并聯諧振頻率等，串聯諧振頻率是換能器的機械諧振頻率，具有最大的功率輸出和最小的發熱量，是最佳工作頻率。由于諧振頻率和串聯諧振頻率較近且容易追蹤，因此許多研究者以諧振頻率代替串聯諧振頻率進行驅動，但其并不是最佳工作頻率，超聲換能器大都有較高的品質因數，微量的頻率誤差便會大幅降低換能器輸出功率。此外由于生產、加工以及材料的不確定性，不同換能器的諧振頻率不同，并且溫度、剛度、負載等因素也會引起壓電換能器的頻率特性改變，實時跟蹤其串聯諧振頻率才能保證超聲系統的工作性能。

目前，頻率跟蹤系統大都是采用鎖相的方式實現，此種方式，首先使用調諧匹配電路換能器的諧振頻率和機械諧振頻率調整至同一個頻率上，然后使用PID控制、零相位檢測等方法將電壓、電流的相位差鎖定在零附近，以實現追蹤機械諧振頻率的目的。而這種方法存在諸多問題，首先，所采用的靜態匹配電路，僅在單一頻率點上生效，當換能器的參數因為環境等因素改變時，匹配電路將失效；其次，鎖相法還會出現反諧振頻率追蹤、失鎖等問題。有國內外學者提出采用動態匹配的方式進行調諧匹配，卻又使匹配系統變得復雜、實現困難，又增加了成本和體積。

此外，在頻率的追蹤方法上，有順序查找法、二分查找法、黃金分割查找法等方法。其中順序查找法使用最廣，卻又速度最慢，追蹤諧振頻率需要查找幾十次到上百次。相比較而言，二分法和黃金分割法等大大提高了頻率追蹤效率，但依舊需要十次左右的迭代。對于高精度、負載變化較快的超聲系統，真正的加工或接觸時間僅有幾十毫秒，要想保證加工的質量，需要更加快速的追蹤到換能器的機械諧振頻率。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明針對壓電式超聲換能器的特點，提出了一種快速追蹤換能器機械諧振頻率的裝置和方法。本發明采取的技術方案是，超聲換能器機械諧振頻率的快速追蹤裝置，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)]