压电换能器静态匹配电路的研究

第21卷第3期

纺织高校基础科学学报Vol.21,No.3 2008年9月BASIC SC IENCES JOURNAL OF TEXTILE UNIVERSITIES

Sept.,2008 文章编号:1006-8341(2008)03-0361-03

收稿日期:2008-03-21

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10674090)

通讯作者:林书玉(1963-),男,山东省莱州县人,陕西师范大学教授,博士生导师,主要从事换能器的研究.E -mail:sx s -

dsx s@

压电换能器静态匹配电路的研究

郭林伟1,2,林书玉1,许 龙1

(1.陕西师范大学应用声学所,陕西西安710062;2.榆林学院能源工程学院,陕西榆林719000)

摘要:为了研究压电换能器的工作安全性能,提高换能器的系统效率,根据压电换能器的工作原理,利用等效电路的方法,对换能器电端常见的几种静态匹配电路的阻抗、有功电阻和匹配电感进行分析与计算,即单个电感匹配、电感-电容匹配、改进的电感-电容匹配及T 型匹配,得出各种匹配电路的最佳匹配条件.结果表明,改进的电感-电容匹配电路是一种较理想的匹配电路.

关键词:压电换能器;有功电阻;匹配电感

中图分类号:T B 559 文献标识码:A

超声频电发生器能够提供一定频率及一定功率的超声频电能,要让此电能高效率的传输给换能器,必需在超声频电发生器与换能器之间设置匹配电路[1-2],且大功率超声设备能否高效而安全地工作,很大程度上取决匹配电路的设计.匹配电路主要有静态匹配和动态匹配2种,动态匹配一般用频率跟踪与功率跟踪技术[3-8]

;静态匹配是在超声频电发生器输出频率与换能器静态谐振频率相同的条件下,电端输出阻抗与换能器静态输入阻抗的匹配,它实用于要求换能器输出频率固定的应用场合,本文将对压电换能器电端常见几种电感-电容静态匹配电路进行分析,对于压电换能器的应用有极其重要的意义.1 匹配原理

超声波电发生器与换能器的电端匹配,一般要解决2个问题:调谐与变阻,以此来提高超声波电发生器与换能器间的功率与效率的传输[9-10].所谓调谐,即采用外加电抗性元件调节换能器的输入电抗,使输入相角趋近于零,以减少功率传输中的无功分量;变阻,即改变换能器的有功电阻,使之与超声波电发生器的输出阻抗相接近,以达到最佳功率传输.在一般情况下,采用输出变压器来达到阻抗变换的目的[11].本文利用电感和电容的串、并联组合来实现调谐与阻抗变换.

任何一压电式超声换能器,在其谐振频率附近均可用图1来等效.其中C 0为静态电容,它是在远低于谐振频率的频率上测出的换能器电容,是个真实的电学量.L 1、C 1和R 1分别是动态电感、动态电容和动态电阻,它们不是真正的电学量,而是从换能器的质量、机械顺性和损耗分别折算过来的等效参数.C 0所在的支路称作并联支路,L 1,C 1和R 1所在的支路则称作串联支路.由图1可求出换能器的阻抗为

Z =[R 1+j (X L 1-1/(X C 1))]/(j X C 0)R 1+j (X L 1-1/(X C 1))+1/(j X C 0)

=R +j X.(1)根据匹配原理,在机械谐振时,X =0,即X =X s =1/L 1C 1 (X s =2P f s ,f s 为串联谐振频率),串联支路中仅剩下电阻分量.可见此时的换能器为一容性负载,需要用一个电感元件来与之调谐,从而/低消0C 0产生的容抗分量.

2 静态匹配类型

2.1 电感匹配

单个电感匹配的有并联、串联.并联电感匹配一般很少采用,如图2所示,其中并联电感L P 满足L P =1/(X 2s C 0)时,便达到谐振.此时谐振部分相当于开路,等效电路中仅剩下有功电阻R 1,减少了无功损耗,增大功率的传输.对当今占主导地位的开关型电源而言,串联电感匹配如图3所示,可以有效地抑制电源输出方波中的谐波成分,减轻功放管的负担,从此意义上来讲,串联匹配明显优于并联匹配.当串入电感L ,系统角频率在串联谐振点X s 处时,其系统输入阻抗为

Z =R +j X =R 11+(X s C 0R 1)2+j X s L -

X s C 0R 211+(X s C 0R 1)2.(2)

其中有功电阻为

R =R 1/[1+(X s C 0R 1)2];

(3)串联电感为

L =C 0R 21/[1+(X s C 0R 1)2].(4)

图4 电感-电容匹配电路可以看出串联匹配后的有功电阻R 小于R 1,且串联匹配兼有变阻和

滤波的作用,电压也小于并联匹配时的激励电压,故此法更为常用.但一般

说来,超声系统谐振频率大于20kH z ,而静态电容仅为几千到几万皮法,故

R 与R 1相比,并没有减少多少,即串联单个电感的变阻效果并不明显,为

了进一步减小有功电阻,在上述匹配的基础上再并联一电容,等效电路原

理见图4.

2.2 电感-电容匹配

L 和C 为匹配电感及电容.在压电换能器谐振频率附近,X s =1/L 1C 1,系统阻抗为

Z =R 11+X 2s (C 0+C)2R 21+j X s L -X s (C 0+C)R 211+X 2s (C 0+C)2R 21

,(5)其中有功电阻为

R =R 1/[1+X 2s (C 0+C)2R 21],(6)

匹配电感为

L =(C 0+C)R 21/[1+X 2s (C 0+C)2R 21].

(7)图5 改进的电感电容匹配电路

此时,输入回路的电品质因数Q e =X s L /R.由式(6),(7)可

解出匹配电容、电感的大小分别为C =(R 1/R -1)1/2/(X s R 1)-

C 0,L =R 1R(C 0+C),通过改变L 、C 的值,可以实现理想匹配,

且有功电阻R 进一步减小,当L 、C 一定,则品质因数Q e =X s L/R

随即为定值.回路的频率特性及滤波特性确定,故它不适合动

态,要使它的实用性更广泛,需作改进.

2.3 改进的电感-电容匹配电路

在上述匹配电路的基础上,增加一个串联可变电容C d ,如图5所示.其系统阻抗为

Z

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