大功率超声换能器匹配技术研究_王露

用，系统能否正常 工 作，以 及 长 时 间 稳 定 地 工 作，很 是其在谐振 频 率 上 的 值。Ｃ０ 所 在 的 支 路 称 为 静 态
大程度上取决于匹配电路的设计。本文从分析大功 支路，Ｃ１、Ｌ１、Ｒ１所在的支路称为动态支路。
收 稿 日 期 ：２０１４－０５－２３ 作 者 简 介 ：王 露 （１９８５－），男 ，重 庆 璧 山 人 ，工 程 师 ，硕 士 ，主 要 从 事 声 学 器 件 、组 件 的 研 究 。
ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｎｄ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ．Ｗｅ ａｌｓｏ ａｄｖａｎｃｅ ａ ｎｅｗ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｏｎ－ｌｉｎｅ．ＡＤＳ ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｗｅ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ．
１ 换 能 器 频 率 特 性
如图 １ 所 示，压 电 超 声 换 能 器 在 其 谐 振 频 率 附 近可等效 为 图 中 虚 线 右 边 的 电 学 模 型 。 ［１］ 其 中 Ｃ０ 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，是一个 真 实 的 电 学 量。Ｃ１、Ｌ１、Ｒ１为 动 态 电 容 、动 态 电 感 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 特 性 和 损 耗 等 分 别 折算过来的 等 效 参 数，一 般 常 测 到 的 Ｃ１、Ｌ１、Ｒ１ 值
ｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｎｏｒｍａｌｌｙ ｈｉｇｈｌｙ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ
ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃ－ ｔｕａｌ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ａｎｄ ａｄｖａｎｃｅｓ ａ ｓｅｒｉｅｓ－ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｅ
（２６ｔｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｐｌａｙ ｔｈｅ ｒｏｌｅｓ ｏｆ ｌｉｇａｍｅｎｔ ｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ－
在大功率工作时，Ｃ０ 会随 着 换 能 器 温 度 的 升 高 而发生改变。针对 换 能 器 静 态 电 容 变 化 的 问 题，本
文 作 者 提 出 了 一 种 电 感 、电 容 串 、并 联 相 结 合 的 匹 配
电 路 形 式 ，如 图 ４ 所 示 。
图 ２ 换 能 器 阻 抗 圆
２ 换 能 器 匹 配 方 案
一个完整的大功率超声专用匹配电路需同时满 足变阻、调谐及滤 波 ３ 个 功 能。 变 阻 一 般 是 由 变 压
图 ４ 串 并 联 结 合 匹 配 电 路
对于 这 种 串 并 联 结 合 的 匹 配 电 路，系 统 的 总 导
纳为
Ｙ＝Ｒ２＋
Ｒ （ωＬ２
＋Ｘ）２ －
［ ］ ｊＲ２＋ω（Ｌω２Ｌ＋２＋ＸＸ）２＋ω１Ｌ３
图 ３ 串 联 电 感 匹 配 电 路
串 联 单 个 匹 配 电 感 后 ，系 统 的 阻 抗 为
（ ） Ｚ＝１＋（ωＲＳＣ１０Ｒ１）２＋ｊωＳＬ－１ω＋ＳωＣ２Ｓ０ＣＲ２０２１Ｒ２１
（６）
由 此 可 得 所 需 串 、联 匹 配 的 电 感 为
Ｌ＝１＋Ｃω０２ＳＲＣ２１２０Ｒ２１ 功率超声系统的等效阻抗为
在超声换能器和电源间加入匹配电路。
器 来 实 现 ，通 过 设 置 合 适 的 变 压 器 变 比 ，使 电 源 达 到 额定的输出而换能器获得足够的功率。传统的调谐 方 法 是 将 一 个 匹 配 电 感 Ｌ 与 换 能 器 串 联 （见 图 ３）［２］，使 Ｌ 的感抗 与 动 态 电 容Ｃ０ 的 容 抗 相 等，即 Ｌ 与换能器的并联等 效 电 容 产 生 并 联 谐 振，从 而 使 换 能器所呈现出的阻抗接近于动态电阻 Ｒ１。
（９）
式中 Ｒ 和 Ｘ 分别 为 超 声 换 能 器 的 电 阻 和 电 抗。Ｃ２
和 Ｃ３ 具有调谐和滤 波 的 作 用，根 据 实 际 经 验，一 般
２５６
压 电 与 声 光
２０１５ 年
取 Ｃ３＝Ｃ０，Ｃ２（Ｃ３＋Ｃ０）。Ｌ２、Ｃ２、Ｌ３、Ｃ３ 需满足：
２π
１
槡Ｌ２Ｃ２ຫໍສະໝຸດ ＝ ２π１槡Ｌ３（Ｃ０＋Ｃ３）≈ｆＳ
２（Ｃ０ ＋Ｃ１）Ｌ１］ω２ ＋ （Ｃ０ ＋Ｃ１）２｝
（２）
电抗分量
Ｘ＝ ｛Ｃ１（Ｃ１Ｌ１ω２ －１）－Ｃ０｛Ｃ１［Ｃ１Ｒ２１ ＋
Ｌ１（Ｃ１Ｌ１ω２ －２）］ω２ ＋１｝｝／｛Ｃ２０Ｃ２１Ｌ２１ω５ ＋
Ｃ０Ｃ１［Ｃ０Ｃ１Ｒ２１ －２（Ｃ０ ＋Ｃ１）Ｌ１］ω３ ＋ （Ｃ０ ＋
Ｃ１）２ω｝
（３）
式中ω 为角频率。
（中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 ４０００６０） 摘 要：在电源与超声换能器间，匹配电路起纽带和桥梁作用。大功率超声 系 统 能 否 正 常 工 作 ，取 决 于 匹 配 电 路的设计。该文从大功率超声换能器的阻抗特性和实 际 工 作 条 件 出 发，对 换 能 器 匹 配 技 术 进 行 了 研 究，提 出 了 一 种电容、电感串、并联结合的匹配电路，以及一 种 可 对 匹 配 电 感 值 进 行 在 线 调 节 的 新 型 电 路 结 构 。 经 过 ＡＤＳ 仿 真 和 实 际 工 作 验 证 ，大 功 率 超 声 换 能 器 在 这 种 匹 配 电 路 下 可 长 时 间 稳 定 地 工 作 ，且 调 试 上 更 方 便 快 捷 。
以 Ｒ 为 横 坐 标，ｘ 为 纵 坐 标，以 信 号 频 率 ｆ 为
自变量在平面内作 图，可 得 压 电 换 能 器 的 阻 抗 圆 如
图２所示。由图 可 看 出，换 能 器 在 ｆｓ、ｆｐ 时 都 会 表 现出一定的容性。若在换能器两端直接施加交变电
压，电源的功率因 素 很 小，效 率 很 低，所 以 一 般 都 需
第２期
王 露 等 ：大 功 率 超 声 换 能 器 匹 配 技 术 研 究
２５５
图 １ 大 功 率 超 声 系 统 组 成 结 构 框 图
由 电 路 理 论 可 知 ，压 电 换 能 器 的 电 端 阻 抗 为
Ｚ＝Ｒ＋ｊ Ｘ
（１）
其中电阻分量
Ｒ＝ （Ｃ２１Ｒ１）／｛Ｃ２０Ｃ２１Ｌ２１ω４ ＋Ｃ０Ｃ１［Ｃ０Ｃ１Ｒ２１ －
当串联角频率ωＳ＝１／槡Ｌ１Ｃ１ 时，动 态 支 路 发 生
串 联 谐 振 ，此 时 换 能 器 的 串 联 谐 振 频 率 为
ｆｓ＝１／（２π 槡Ｌ１Ｃ１）
（４）
Ｃ０、Ｃ１ 和 Ｌ１ 共 同 决 定 超 声 换 能 器 的 并 联 谐 振
频 率 ｆＰ，且
槡 ｆｐ＝２１π
Ｃ０＋Ｃ１ Ｃ０Ｃ１Ｌ１
（５）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｍａｔｃｈｉｎｇ
０ 引 言
超声系统一般由驱动电源和换能器两部分组 成。驱动电 源 能 提 供 一 定 频 率 和 功 率 的 超 声 频 电
率超声换能器的阻 抗 特 性 和 实 际 工 作 环 境 出 发，对 换能器匹配技术进 行 了 研 究，设 计 了 一 种 串 并 联 结 合 的 匹 配 电 路 ，且 可 对 匹 配 电 感 进 行 在 线 的 调 节 ，最
（７）
Ｚ＝１＋
Ｒ１ （ωＳＣ０Ｒ１）２
（８）
由 式 （８）可 看 出 ，串 联 匹 配 使 换 能 器 的 等 效 输 入
阻 抗 呈 纯 电 阻 性 ，阻 值 降 低 ，串 联 电 感 起 阻 抗 匹 配 作
用。但这是假定 Ｌ 为无损耗电感的前提来讨论的 结果，实际上 Ｌ 是 有 损 耗 的，这 直 接 影 响 并 联 谐 振 回 路 的 品 质 因 数 ，在 大 功 率 时 更 明 显 。
本文 所 述 大 功 率 超 声 系 统 实 际 工 作 时，电 压 高 达１ｋＶ，电 流 最 高 可 达 ２ Ａ，难 以 直 接 连 接 仪 表 进 行 在 线 调 试。 因 此，我 们 设 计 了 电 流、电 压 采 样 电 路，对电流、电压的 波 形 进 行 采 样，通 过 观 察 它 们 的 相 位 变 化 来 对 实 际 匹 配 效 果 进 行 检 测 ，如 图 ５ 所 示 。
（１０）
这种匹配电路降低换能 器 的 ｆＳ，升 高 换 能 器 的
ｆＰ，牺牲了一 定 的 Ｑ 值，增 加 了 整 个 系 统 的 工 作 带
宽 ，使 换 能 器 电 容 在 一 定 变 化 范 围 内 变 化 时 ，换 能 器
都可谐振工作。
３ 在 线 调 试 技 术
超声换能器的各个参数都是在小信号下测得， 而在实际的使用环 境 中，换 能 器 电 端 的 激 励 电 压 和 激 励 电 流 都 比 小 信 号 下 大 ，由 于 电 场 强 度 高 ，振 动 幅 度 大 ，内 温 升 高 和 媒 质 空 化 等 原 因 ，其 阻 抗 特 性 相 比 小信号测试会发 生 一 定 变 化。 因 此，理 论 计 算 出 来 的匹配电路并不一定适用于实际工作环境。我们需 在大信号条件下对 换 能 器 的 各 个 参 数 进 行 提 取，根 据参数对匹配电感、变 压 器 及 匹 配 电 容 的 值 进 行 适 当 修 改 ，从 而 得 到 最 佳 的 匹 配 电 路 。