换能器的匹配
超声波发生器与换能器的匹配设计
时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
中国超声波论坛二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
超声波发生器与换能器的匹配设计
`超声波发生器与换能器的匹配设计选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：思忠一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：为等效负载上的基波幅度；式中，V AmV为电源电压；V为功放管饱和压降，故cescc因输出变压器，末级匹配回路及晶(为了保证系统有一定功率余量的系数。
51．4体管损耗电阻都有损耗，Po' 需要乘上一个约等于1．—；．5Po'为即输出功率Po1在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负从上式可知，。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约'载R L 为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，R能器负载L变压器次初级匝数比通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
时的初级电阻，则输出功率mP／为n O文档Word`，设直流电1000W举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为。
则'=1500W，功率应留有一定余量，则P=1.5P=1VV为220V，V OCESOCC 变压器初级的6.5Ω，则输出变压器次级／初级圈＝200Ω若换能器谐振时等效电阻RL 数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
超声波换能器的匹配设计
超声波换能器的匹配设计一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：式中，V Am为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初级的若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
换能器阻抗匹配计算
换能器阻抗匹配计算1.引言1.1 概述换能器是一种将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。
它在各种领域中被广泛应用，例如声学、电子、光学等。
换能器的基本原理是根据特定的物理原理，通过电信号或其他形式的输入驱动，将一种能量形式转化为另一种能量形式。
阻抗匹配是换能器设计中非常重要的一个方面。
换能器的阻抗匹配决定了其性能和效率。
阻抗匹配是指将发射端（或输入端）的阻抗与接收端（或输出端）的阻抗相匹配，使得信号能够最大程度地传输，减少信号的反射和损耗。
换能器的阻抗匹配需要考虑多种因素，如换能器的特性、工作频率、信号传输距离等。
一般来说，当信号源的阻抗与负载的阻抗不匹配时，会导致信号的反射和信号的损耗。
因此，为了获得最佳的信号传输效果，需要对换能器的阻抗进行合理的匹配。
本文将重点探讨换能器阻抗匹配的计算方法。
通过分析阻抗匹配的原理和依据，探讨如何计算换能器的阻抗匹配。
通过合理的阻抗匹配计算，可以获得更好的信号传输效果，提高换能器的性能。
接下来的章节将依次介绍换能器的基本原理、阻抗匹配的重要性以及本文的结论。
通过深入理解和掌握阻抗匹配的计算方法，读者可以更好地应用于实际工程设计中。
1.2 文章结构文章结构部分:本文分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，首先概述了本文要讨论的主题——换能器阻抗匹配计算，并介绍了文章的结构和目的。
接下来是正文部分，主要包括两个内容：换能器的基本原理和阻抗匹配的重要性。
在换能器的基本原理中，将详细解释换能器的定义、分类和工作原理，以帮助读者对换能器有更深入的理解。
而阻抗匹配的重要性部分，则会讨论为什么在使用换能器时需要进行阻抗匹配，以及不同阻抗匹配方法的优缺点。
这两个内容将帮助读者全面了解换能器及其阻抗匹配方面的知识。
最后是结论部分，总结了本文的主要观点和结论。
结论一将指出换能器阻抗匹配的重要性和实际应用。
结论二则提出了进一步研究和改进的方向，以期为换能器阻抗匹配计算提供更精确和高效的方法。
压电换能器阻抗匹配研究
"
式中 2 A 为铁心剩余磁感应强度， , % " 时2 （ " ）% 2 A 。 脉冲变压器在 " = , = , 3 时 - % .! 为定值， 故： （ ,） ’ 2 （ ,）) 2 A ’ .! , + /! 01 @ ， "2 确定了某个铁心及 并在 , % , 3 时达到最大值。反之， 脉冲参数后， 也可确定 /! ’ .! , 3 + "201 @ 。
图 !" 变压器匹配网络 #$%& !" ’()*+$,% ,-)./01 /2 )0(,32/04-0
+ + 根据设计要求取 .! % ;"" 2， , 3 % 1" #8， "2 % 0 % ! B "/ 4 B 0" B !" C 1 % )/ 4 B !" C 4 <) ， 1@ % "/ , @， "/ , ， 经过计算得 /! % D, ， 考虑到损耗等因素， 在实 际绕制过程中取 /! % !"" 圈。 确定 /! 之后根据设计要求算出变比为： *! ： *) % !： 0/ 66 ， 但考虑到损耗问题， 实际取 ! ： 6， 所以 /) % !"" B 6 % 6"" 圈。 )） 漏感、 分布电容和绕组电阻的测试 对于脉冲变压器， 绕组的漏感、 分布电容和绕组 电阻的存在有可能影响着输出脉冲的波形质量， 因 此要对变压器的分布参数进行详细计算或测量。 绕组的直流电阻可以用万用表直接测量， 这里 测得初、 次级电阻分别为 !/ 0 、 1/ ) !， 当窄脉冲流过 绕组时， 会产生集肤效应， 使阻值变大， 由于影响因 素很多， 难得准确的解， 可由经验公式估算： " ’（ 3 ! ( )/ !, 4 + ! ,3 ） 5E ， + + 这里 3 和 " 分别代表绕组的直流和脉冲作用期 间的电 阻， 单 位 为 !； 4 代 表 绕 组 的 线 径， 取 "/ )! <<； , 3 取 1" #8， 5 E 为临近效应系数， 取 !/ 1 ， 带入数 据计算得： " % !/ 0 3， 算得在脉冲作用期间变压器的 初、 次级绕组的阻值分别为 )/ 10 、 ,/ ;) !。将初级 绕组值带入式 （!） ， 可算出变压器的理想变比为 ! ： 0/ D ， 所以变压器的变比仍然取 ! ： 6。 漏感和分布电容的测量电路见图 ) ， 图中 @ 是 待测变压器， !、 ! 8A 为测试变压器分布参数时并联在
超声波发生器与换能器的匹配设计 (2)
超声波发生器与换能器的匹配设计时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
中国超声波论坛二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初级的6.5Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
压电超声换能器电端匹配电路研究
3 阻抗匹配的电路分析
换能器匹配电路还需进行阻抗匹配以保证电源的能量最大可能地传递给换能器. 本文将换能器和超 声频电源看成一个含源二端网络 ,通过电路分析得到在不同条件下的最佳的阻抗匹配条件. 3. 1 换能器等效含源二端网络
将超声频电源与换能器的连接电路等效为一个含源二端网络的等效电路图如图 5 所示. 超声频电源 由等效电压源 Us 和内阻 R s 组成 ,含源二端网络电源端等效阻抗 Zs = Rs + j Xs . 将换能器视为含源二端网 络的负载端 ,等效负载阻抗 Zl = Rl + j X l . 3. 2 最佳阻抗匹配条件
L′= 1/ [2πf s′) 2 C0′] ,
(2)
式中 f s′为频率漂移后的串联谐振频率 , C0′为频率漂移 、温度变化后的夹持电容. 由此可见 , 匹配电感
必须随换能器状态变化而调整电感大小. 通常的匹配电感是通过改变电感铁芯的气隙间距来实现电感大
小的改变 ,并且气隙间距与电感量值具有非线性关系 ,很难实现电感变化的自动控制.
换能器实际工作时 ,由于负载力 、温度 、湿度等随时变化 , 将导致换能器谐振频率发生漂移 , 换能器等 效电路不能再简化为图 1 ,匹配电感 L 也不再起到匹配电路应有的调谐匹配作用. 所以匹配电路要随着换 能器谐振频率漂移而改变匹配电感大小 ,实现动态调谐匹配才有意义. 能够实现动态调谐匹配的电路称为 动态匹配电路[9210] . 动态电路要满足两个条件 :一是频率跟踪 ,即确定换能器频率漂移的方向及大小. 二是 动态匹配电感 ,根据电路频率漂移带来的电压和电流的位相关系 , 即时调整匹配电感量 , 达到电压和电流 同相位 ,使换能器达到纯电阻状态.
徐春龙1 ,2 , 胡卓蕊2 , 田 华1
水声换能器功放与匹配电路的设计
Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 93【关键词】功放 匹配电路 阻抗 相位1 水声功放概述水声功放不论是在军事领域还是在民用领域，都发挥着极其重要的作用。
可广泛应用于水声系统测试、海洋资源探测、地形地貌扫描、渔业探测、航道规划以及码头垃圾清理等民用技术领域。
水声功放的最大作用就是可以将信号功率放大，驱动水声换能器将电信号转换为声信号，与此同时向水里面辐射出充足能量的声信号。
伴随科技的持续发展与进步，功放已经从一开始的电子管功放逐步发展到二代晶体管功放，接着发展到了场效应晶体管功放，最终发展到了数字功放，数字功放还被叫作D 类功率放大器。
在这之中，前面三个功放属于线性模拟功放，而后面一个功放属于数字开关功放。
2 D类功放的基本原理简单地说，所谓的D 类功放实际上还被称之为数字功率放大器，这种功放是由三个部分构成的，PWM 调制对比，输出滤波与功率放大。
好的D 类功率放大器效率能够达到百分之百，在现实运用过程中可达到90%的效率，而AB 类功放效率就相对比较低了。
（1）调制器，仅仅需采用一只运放组成比较器就能够做好。
（2）D 类功率放大器，是一个脉冲控制大电流开关放大器，将比较器输出的PWM 信号转换为大电流与高电压大功率PWM 信号。
（3）需将大功率PWM 波形里面的声音信息恢复，就需要采用低通滤波器。
可是，因为这个时候电流较大，RC 结构低通滤波器电阻会消耗能源，无法使用，需要运用LC 低通滤波器。
3 设计水声换能器匹配电路分析3.1 匹配方法通常而言，水声换能器谐振频率范畴以内，换能器等效模型可通过等效电路来展示：并联电路的构成是一个静态电容C2与串联支路。
其中串联支路就是通过一个动态电感L1、动态电阻RL 、动态电容C1所组和而成的。
倘若处在谐振频率的时候，动态电感与电容作用相互抵消，能够等效成一个动态电阻与静态水声换能器功放与匹配电路的设计文/王伟1 李锦华2电容并联构成。
超声波发生器与换能器的匹配设计
前言在市场经济的环境下，对产品质量要求越来越高。
为保证产品质量，许多企业在产品生产过程中，将采用清洗工艺来提高产品质量，为企业创造良好的经济效益。
当前在一些工业产品生产过程中，应用超声波清洗是一种洗净效果好，价格经济，有利于环保的清洗工艺。
超声波清洗机可以应用于清洗各式各样体形大小，形状复杂，清洁度要求高的许多工件。
例如可用于清洗钟表零件、照相机零件、油咀油泵、汽车发动机零件、精密轴承零件、齿轮、活塞环、铣刀、锯片、宝石、医用注射器及各种光学镜头等；还可以用于清洗印制板、半导体晶片及器件、显象管内的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插头座、焊片、电极引线等电子类产品。
一种物件的清洗可以根据其污垢的性质，采用机械物理力清洗的方法或化学力清洗的方法，还可以用各种组合方法来进行清洗。
若是用自来水或净水为清洗液的超声波清洗属物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗涤剂，则属于组合清洗，对不同的清洗对象选用不同的洗涤剂，更具有明显的清洗效果。
表0-1为几种清洗方法洗净效果比较。
表0-1 为两种清洗方法洗净效果比较。
图0-1 超声波清洗效果清洗作为一种古老而又新兴的活动和技术，正日益引起人们的兴趣和关注．清洗是一门技术，是一个新兴的多学科技术领域。
清洗行业量大而面广，无处不有，与人类社会生产，生活各方面息息相关．清洗技术的发展是人类文明的一个重要标志，清洗技术水平反映了一个人．一个民族、一个国家的文明进步程度和科学技术的发展水平。
今后．清洗技术的发展将更加迅速．普及．大批的大专院校．科研院所。
专业公司的科技人员将加入清洗技术研究开发队伍．一些现在存在的行业技术问题得到解决，行业总体技术水平大幅度提高．新技术．新产品大量涌现，各种新颖的清洗设备进入市场和人们的日常生活．人们将不再只是依靠经验来清洗．各种实用化的计算机软件将问世；行业分工更加专业、细致，行业标准和技术规范得到推广普及．行业管理规范有序．清洗行业的前景无限美好！第1章超声波清洗的原理与应用1.1 超声波清洗的原理把液体故人清洗槽内，给槽内作用超声波。
压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计
压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计1回顾一下阻抗的基本概念在直流电路里欧姆定律规定了器件的电阻等于器件两段的电压与流过器件的电流之比其中R的单位是欧姆V的单位是伏特I的单位是安培在交流电路里电阻的定义被扩展加入了随时间变化而变化的电压电流的相位关系阻抗Z代表交流等效电阻而且同样是电压与电流的比值在这里电压V(t)与电流I(t)都是时间的函数与电阻一样阻抗同样用欧姆作为单位不同之处是阻抗用复数来表示任意一个复数都可以用A+jB这样的形式来表示一个复数包含两个部分实部A和虚部jB根据定义1j−=这意味着j的平方的结果是12换能器等效电路在狭窄的谐振频率范围内压电陶瓷换能器的模型可以用以下等效电路来表示串连电感L和电容C是换能器固有的跟串连谐振频率有关这个串连谐振频率可以用等效电感L和电容C来表示在谐振频率下串连等效电容C的容抗X C 完全抵消掉串连等效电感的的感抗X L 从而换能器阻抗|Z|达到极小值R 在f r 附近换能器相当于一个效率达到极值的发射体并联等效电容C 0与L,C一起产生了另外一个谐振频率并联谐振频率f a 对于压电陶瓷换能器并联谐振频率通常比串连谐振频率高几KHz f a 可用下面的等式表示在这个并联谐振频率里换能器的阻抗达到最大值在这个频率附近换能器可以等效为一个效率最高的接收器值得注意的是总体并联等效电容包括整个系统中的传输电缆连接器回波检测电路以及发射电路的等效电容所以常常需要尝试改变并联谐振频率同样值得注意的是总体并联等效电容相当于一个交流负载不但减小接收信号的振幅而且需要发射电路提供更大的电流这个总体并联电容产生的影响在给定的频率范围内可以通过选取一个合适的串连电感或者并联电感来降低外部等效并联电容对换能器的串连谐振频率没有影响3 品质因数换能器的品质因数Q是一个衡量换能器储存能量特性与耗散能量特性之间的关系的量Q用谐振时储存在换能器里的能量来表示Q还可以用以下等式来描述Q还可以用换能器在谐振频率附近的频率响应来描述其中f是换能器的-3dB带宽中心频率f r 就是串连谐振频率从等式可看出换能器在固定的串连谐振频率下Q值越大其带宽就越小4 换能器两端的等效阻抗 通常需要得到在特定频率下换能器两段呈现的特性为了这个目的我们的等效电路可以更进一步简化在一个特定频率下除了谐振频率C和L之中会有一个起到主要作用因而换能器两端将呈现出容性或者感性这两种情况可以用下图表示其中Rs串连等效电阻Xs串连等效电抗注意Rs和Xs是跟频率密切相关的串连模型不便于计算调谐匹配电路因而我们通常把串联等效电路Figure3和Figure4转换为等同的并联等效电路Figure5和Figure6Rp和Xp的值由Rs和Xs经过下面的公式转换得到跟Rs和Xs一样Rp和Xp的值跟频率密切相关假设Xp是容性那么相应的并联等效电容的值是即使Xp是感性上面的等式依然适用只是此时计算出来的Cp是负值换能器的频率特性可以用以下单位来方便地描述阻抗值和阻抗角|Z|和不管是串连等效电阻和串连等效感抗Rs jXs并联等效电阻和并联等效容抗Rc jXc还是导纳和电纳G jB5测定换能器谐振电阻以下的步骤可以测量出换能器在谐振时的大致等效电阻R谐振时R Rs Rp尽管不是十分完美在实际应用中通过这个测量步骤可以获得足够高精度的结果注意以下事项a在这个测量中换能器工作在不平衡状态一端接地b如果在给定频率下换能器两端的电压幅值不足够高那么测量得到的结果更接近于|Z|而不是R当然了测量到的结果不包含相位特性感性或容性所需设备a正弦信号发生器b可变电阻或者50到5000欧姆的固定电阻c示波器d欧姆表测量步骤1按照Figure7连接好电路将电阻大约设置为1000欧姆如果是水声应用还需要把换能器浸入水中2调整正弦信号发生器的输出频率直到从示波器上看到的波形的幅值达到最小谐振时换能器等效阻抗达到最小值此时的频率就是谐振频率并且应该落在换能器的标称工作频率附近的几KHz范围内3断开换能器的一端并且把可调电阻调节为0欧姆测量开路时的信号电压4重新连接好换能器调节可调电阻直到测量到的信号电压变为开路时的信号电压的一半为止5小心取下可变电阻用欧姆表测量它的电阻6换能器在选定频率下的等效电阻就是可变电阻的阻值加上正弦信号发生器的输出电阻即内阻6压电陶瓷换能器的匹配设计在本章里将简单介绍压电陶瓷换能器与电源的大致匹配设计最佳的匹配将实现最大的发射功率并且得到最强的回波在普通应用环境里给一个换能器例如一个水深探测器馈送能量是相当简单的事情当然了如果懂得基本原理只要稍微作一些改动就可以使其适应特别的环境像大部分电抗负载一样压电陶瓷换能器可以呈现为一个串连等效电阻和电容这两个值都和频率有关根据经典转换理论串连电路可以转换为一个完全等效的并联电路如下图所示然而不幸的是转换后的参数同样跟频率密切相关解决这些参数中由频率带来的变数的方法是让其工作在所要求的频率下废话例如在水声接收应用里这个频率就是最佳接收频率在这个准确的频率下压电陶瓷换能器的等效电阻和等效电容可以用测量得到或者直接由换能器的制造厂商提供最简单的匹配方法是用一个合适大小的电感并联在换能器两端使其与换能器的并联等效电容发生谐振从而换能器呈现出的阻抗大小接近于并联电阻Rp如果合成负载的阻抗太高以至于不能直接跟电源匹配则可以把电感换成变压器以实现高阻抗到低阻抗的变换具体实现过程和经典的RF调谐匹配一样首先电感的品质因数Q值必须是合适大小的通常是57如果Q值过低可以增加一个电容C并且减小电感量直到换能器重新变成阻性I负载在这里为了跟电源得到匹配需要增加一组低阻抗的初级线圈初级线圈和次级线圈的匝数比就是初级阻抗和次级阻抗的平方根之比尽管如此提高匝数比是受到限制的对于普通的用铁氧体磁棒和铁氧体外壳缠绕的电感而言匝数比最大大约可以达到221想要达到更大的匝数比则需要换成环形磁芯这是因为环形磁芯的磁耦合系数要比其它现有类型的磁芯大就磁耦合系数而言罐形磁芯的性能介于环形磁芯和棒状磁芯之间在前面关于调谐匹配的讨论中前提都假设电感线圈是无损耗的至少相对于换能器的等效电阻而言是可以忽略不计的要检验这其中是否有问题必须试制计算出来的线圈的样品并通过测量获得它的参数如果拥有一台阻抗分析仪可以在线圈山串连一个经过计算得到的电容然后调整频率使支路的端口电流与端口电压同相位L和C谐振此时阻抗分析仪能直接显示等效电阻值如果没有阻抗分析仪可以用下图所示的方法来测量线圈的分布电阻Rp先调整频率使检测到的相位差为0L和C谐振此时测量到的电压幅值应达到最大值分别将频率调低和调高测量出比最大响应小3dB对应的两个频率值此时其中F L 是较低的频率F H 是较高的频率线圈的等效电阻为线圈的线圈的等效电阻应该被看作并联在换能器等效电阻上如下图所示此时匹配线圈与匹配电容必须根据最新测量到的结果进行重新计算同样地现在有效的输出功率需要重新考虑若线圈的等效电阻与换能器的等效电阻相等则只有一半的能量被换能器发射出去所以应该使线圈的等效电阻相对于换能器的等效电阻而言尽可能大如果线圈已经设计好并且已经安装到电路板上可以通过在线圈上并联一个与换能器并联等效电容大小相同的电容的方法来测量线圈的等效电阻然后改变并联在电感线圈上的负载电阻R L 并计算电源输出功率当工作在换能器的谐振频率时随着R L 的变化应该得到较宽的峰值功率响应如果得不到那么应该调整匝数比或者Q值这种调谐匹配方法的优点是a 所用的器件少成本低b 电缆的阻抗最高因为损耗最小c 如果要延长电缆只需要简单添加一些固定电容器另一个也许值得考虑的方法是利用换能器的串连等效值实现调谐在这个方案里需要在换能器上串连一个电感以抵消换能器串连等效模型中的容抗电感等效电阻将串连在换能器上这个方案的缺点是需要增加另外一个电感因为总串连电阻还是比半导体电源的输出电阻大的多而且负载电流需要流过电感等效电阻使损耗增加效率降低7具体设计例子假设有一个换能器需要工作在最佳接收状态工作频率是196.0KHz并且串连等效Rs和Xs已经测量得到151j239 C3398pF由于谐振时Xc XL 电感的感抗为334.4欧姆计算这个情况下的Q值计算出来的Q值太低所以必须添加电容让我们将带负载下的Q值设为6来计算现在C的数值是所以要添加的电容是C9204-24286776pF为了与晶体管电源匹配经过计算初级线圈阻抗为3.6欧姆匝数比为这个值过小以至于可能需要用到带棒状磁芯的可调线圈如果一个71.6微亨的线圈需要55匝那么初级线圈将需要4.5匝初级线圈应该尽可能紧密地缠绕在次级线圈上以得到最大的耦合系数Use the start of the secondary coil as the high impedance end.8传入换能器的功率如果已知换能器的并联等效电阻则功率可以用下面的等式直接计算E is RMS voltsR is the parallel resistance of t当然了可以通过用示波器观测电压峰峰值的方法测量负载上的电压如果传输信号是正弦波必须除以2.83转换为RMS电压如果在计算里没有用到并联等效电阻那么可能会用到串连等效电阻但是这样做会有一点棘手9 在接收模式下的调谐匹配系统需要考虑的问题 一旦发射电路的调谐匹配工作完成还需要针对接收电路考虑些什么问题呢如果接收部分电路的输入阻抗很高并且有很大的裕量那么就可以直接通过发射调谐匹配电路取得信号如果接收电路输入阻抗裕量不够大甚至过小那么就必须采用另外的方法才能充分发挥出换能器应有的性能来同样需要采取一些措施来防止发射电压对接收电路造成破坏如果变压器的耦合系数较大那么一个较小的Q 值是比较适合的逐步减小添加的电容的容量并增加次级的电感量以维持谐振保持初级电感量不变在极端情况下甚至不用外加电容光靠换能器自身的固有电容就可以实现谐振这样将需要更高的匝数比并且在耦合系数高的情况下还能增加输出电压需要注意的是当Q值小于或等于7时等式X L =X C 将不再成立在这样的条件下只有当有关于低Q值调谐匹配方面的应用笔记出现后才能细心地一步步地根据经验将系统调试成功10 平衡与不平衡 驱动换能器的方法是由回波探测器设计师们发明的不平衡系统往往使得电信号测量更简单和容易一个不平衡的配置需要一个容量更高的电容并联在换能器上平衡系统通常需要在输出变压器上增加第三个绕组以馈送不平衡信号给接收器当屏蔽层的泄漏都相同时平衡传输线的噪声要比不平衡传输线小Airmar 通常用带屏蔽层的双绞线连接压电陶瓷元件换能器的连接根据需要可以选用平衡传输线或者不平衡传输线11注这是为了方便自己计算有选择翻译的意译很不严谨读者最好自己看原文^_^原文出处Airmar 公司 原文标题Ultrasonic Air-Ranging Transducers and Application Notes 购买探头的时候带的。
超声波发生器与换能器的匹配设计
超声波发生器与换能器的匹配设计选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：陈思忠一、超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：式中，VAm为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初级的6.5Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
换能器双匹配层参数的计算
换 能器 声学 匹配 层 设计 的 主要 目的 是 ： 足换 能 器 和 辐 满
０ 引 言
匹配结构的声学匹配效果 。计算 得到 了辐射负载为 水时 ，
声能透射系数和粘接胶体 与匹配材 料参数 的变化关 系式 ， 得 出了最佳声匹配层 和粘接胶 层 的厚度 组合方式 ， 为实 际 匹配材料参数的选择和粘接加工提供指导。
１ 匹 配层 分 析
超声换能器是超声技 术应用 中的重要器 件 ， 医学 和 在
Ｐａ ａ ｅ ｅ ｓ ｃ ｌｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｃ ｕ ｔｃ ｌｍ ａ ｃ ｉ ｇ ｌ ｙ ｒ ｒ ｍ ｔ ｒ ａ ｃ ｌ ｔｏ ｆ ａ ｏ ｓｉａ ｔ ｈ ｎ ａ ｅ ｓ
ｏ ｌｒ ｓ ｎ ｃ ｔ ａ ｄ ｃ ｒ ｆｕ ｔ ａ ｏ ｉ ｒ ｎｓ ｕ ｅ ｓ
Ｌ ｕ Ｉ ｎ，ＨＥ Ｘｉ ｉｇ，Ｚ Ｊ ・ｎ ｐ ＨＡＮ ｅ ｇ ＨＵ ＹｉＩａ Ｇ Ｆ ｎ ，Ｚ — ＩＢ Ｔ （ｎｔｕｅｏ ｐｉ ｃｕｔ ｓＳ ａ ｎ ｉ ｏｍａ ｉｅｓｙ Ｘｉａ １０ ２ Ｃ ｉａ Ｉｓｔｔ ｆ ｉ Ａｐ ｌ ｄＡ ｏ ｓ ｃ ，ｈ ａｘ ｒ ０
传感器与微系统（ ｒ ｓｕ ｅ ａ ｄＭｉ ｏｙｔ ｅｈｏｏｉｓ Ｔａ ｄ ｃｒ ｎ ｃ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎｌｇ ） ｎ ｒ ｅ ｅ
２０ ０ ８年 第 ２ ７卷 第 ｌ ２期
换 能器 双 匹配 层 参数 的计 算
李 琚 ， 西平 ，张 贺 峰 ，朱 奕蔓
（ 西 师 范大 学 应 用 声 学 研 究 所 ， 西 西安 ７ ０ ６ ） 陕 陕 １０ ２
射时， 粘接胶层 和匹配层参数 的设计方案 ， 为实际匹配层的设计提供帮助。 关键词 ：匹配层 ； 粘接胶层 ； 特性 阻抗 ；厚度 ； 透射系数 中图分类号 ：０ ２ ． ４６２ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ － ７ ７ ２ ０ ）２ ００ － ３ ００ ９ ８ （ ０８ １ － １ ６ ０
超声波换能器的匹配设计
超声波换能器的匹配设计一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面,一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率,这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致,把换能器的阻抗变换成最佳负载,也即阻抗变换作用;二是通过匹配使发生器输出效率最高,这是由于换能器有静电抗的原因,造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差,从而使输出功率得不到期望的最大输出,使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大;在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在Ｄ类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rｌ＇上的输出功率表达式为：式中,VＡm为等效负载上的基波幅度;vcc为电源电压；ｖces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量（因输出变压器,末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，ｐo＇需要乘上一个约等于1．4—1。
5的系数。
即输出功率p ｏ为1.5Ｐo’；从上式可知,在电源电压给定之后,输出功率的大小取决于等效负载RＬ＇。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器,其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换.由高阻抗变换为低阻抗.一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n/m,则输出功率PO时的初级电阻举例:要求一发生器输出在换能器上的功率为１００0Ｗ，设直流电VCC为2２0V,VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1。
５PＯ’=15０0W。
则变压器初级的若换能器谐振时等效电阻RＬ=200Ω,则输出变压器次级/初级圈数比以上称谓阻抗变换,是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
厚度模压电超声换能器匹配层
厚度模压电超声换能器匹配层厚度模压电超声换能器是一种常用于医学影像和无损检测领域的传感器。
它的主要特点是具有良好的压电效应和较小的尺寸，能够将电能转化为超声波能量并传输到被测对象中。
为了提高其性能，常常在超声换能器的工作面上加上一层匹配层。
匹配层是一种用来提高超声换能器与被测对象之间能量传递效率的材料。
它的厚度通常为超声波波长的四分之一，这样可以使超声波在匹配层和被测对象之间的传播过程中尽可能地减少反射和折射损耗。
另外，匹配层的材料应具有与被测对象相近的声阻抗，以使超声波能够顺利地传播到被测对象中而不发生反射。
在选择匹配层材料时，需要考虑其声阻抗、机械性能、耐温性能等因素。
常见的匹配层材料有聚氨酯、聚醚醚酮等，它们具有较低的声阻抗和良好的机械性能，能够满足匹配层的要求。
匹配层的厚度对超声换能器的性能有着重要的影响。
如果匹配层过薄，超声波在匹配层和被测对象之间的传播会发生较大的反射和折射，降低能量传递效率。
而如果匹配层过厚，超声波的能量传递会受到阻碍，导致灵敏度下降。
因此，选择适当的匹配层厚度能够在一定程度上提高超声换能器的性能。
除了厚度外，匹配层的形状也对其性能有一定的影响。
常见的匹配层形状有平面形状和球面形状。
平面形状的匹配层适用于平面或近似平面的被测对象，能够提供均匀的声阻抗匹配。
而球面形状的匹配层适用于曲面或近似曲面的被测对象，能够提供更好的声阻抗匹配效果。
在使用厚度模压电超声换能器时，还需要注意匹配层的表面质量。
匹配层的表面应光滑平整，以减少超声波的散射和衍射，提高能量传递效率。
同时，为了保护匹配层免受外界环境的损害，常常在匹配层表面涂覆一层保护层。
厚度模压电超声换能器匹配层是一种重要的组成部分，它能够提高超声换能器的能量传递效率和性能。
在选择匹配层材料、厚度和形状时，需要考虑多个因素，并根据具体的应用需求进行优化设计。
通过合理选择和设计匹配层，可以提高超声换能器在医学影像和无损检测等领域的应用效果。