压电换能器匹配电路的设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ｄ ｅ ｉｎ ｆＰｉｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ａ ｄｕｃ ｒＭ ａ ｃ ｉ ｉｃ ｔ ｓｇ ｏ ｅ ｏ ｌｃ ｒｃ Ｔｒ ｎｓ ｅ ｔ ｈ ｎｇ ｃ ｒ ｕｉ
ＪＡＮＧ Ｋｕ ｌ Ｉ ｎｉ ｎ
（ Ｅ ＣＮ ． ｅｅｒｈＩｓｔ ｅＢ ｉｎ １０ １ ， ｈｎ ） Ｃ Ｔ ｏ３Ｒ ｓａｃ ｔｕ ， ｅｉｇ ００ ５ Ｃ ｉａ ｎ ｉｔ ｊ
２ 压 电换 能器 的电 匹配 原理
压 电换 能器是一种机 电转换元件 ， 电学和机 它有 械 两种端 口。在 机械 端是 通过 声学 匹 配元件 与 声学 负载相连 ， 而在 电端 则 是 通过 匹 配 电路 与超 声 源相 连 。声学 匹配 的好坏决 定 换能 器 的技术 特性 及 应用
【 ｂｔ ｃ】ｈ ｅ ｅ ｃｉｔｎｄｃｒｃｃｉｍ ｔ ｉ ｉ ｉｅｍｔ ｉ ｅ ｅｓ ｅ ｅｔ ｅ ｏ ｅ ａ ｍｔ ｓ ｒ Ａ ｓ ａｔＴ ｅ ｉ ｏｌ ｔ ａｓ ｅ ｒ ｔ ａ ｈ ｇ ｒ ｃ ｌ， ａ ｈ ｇｈ ａ ｒ ｎ ｍｔ ｄ ｆ ｒ ｅ ｒａ ｒ ｐ ｚ ｅ ｒ ｒ ｕ ｓ ｉｕ ｃ ｎ ｐ ｎ ｐ ｃ ｃ ｎ ｔ ｍ ｕ ｍ ｈ ｏｔ ｐ ａ ｅ ｅ ｈ
【 要】 摘 介绍 了压 电换能器 的电匹配原理 以及 匹配参数 的测定方 法。重 点介 绍 了 电陶瓷换能器与 Ｄ类功率放 压
大器之间的匹配 电路的设计及 匹配变压器的设计计算。
【 关键词 】 电换能器 ； 压 电匹配； 最大功率匹配 ； 数字音 频功率放大器
【 中图分类号】Ｔ ５ ２ Ｂ ５ 【 文献标识码】 Ａ
为一个 纯 电阻值 ， 以使信 号器把最大功率传 输到 负载
上 ， 通常称 为 调谐 ； ２ 把 换 能器 的高 阻抗 变 至 这也 （）
信 号源的低阻抗 ；３ 设 计合 理 的匹配 网络 能有效 地 （） 滤 除谐振 频率 以外 的谐 波信号分量 ， 于提高发 射 有利
设备效 率 。 电端匹配包括发射 电路与发射换能器之 间的匹配 和接收 电路与接收换能器之间 的匹配 。如果换能器距
高效而安全 工作 ， 是一个非常重要 的技术环节 。具体
ｍａｃ ｎ ｒｎｓｏ ｍｅ ｅｓｇ ａｃ ａｉｎ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｅ ｔｈｉｇ ｔａ ｆｒ ｒｄ ｉｎ ｃ ｌｕｌｔｏ ａ ｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ｍｐｈ ｔｃ ｌｙ． ａｉ ａｌ
【 ｅ ｏｄ 】ｉ ｏｌ ｔ ａｓ ｃ ；ｅｔｃ ａ ｈ ｇｍｘ ｕ ｏｅ ｍ ｔ ｉ ； ｇａ ａｄ ｏｅ ａ ｐｆｒ Ｋ ｙ ｒｓｐ ｚ ｅ ｒ ｔ ｎ ｕｅ ｅ ｃｉ ｍｔ ｉ ； ａｉ ｍ ｐｗｒ ａ ｈ ｇｄ ｉｌｕｉｐｗｒ ｍ ｌ ｅ ｗ ｅ ｅ ｃｉ ｒ ｄ ｌ ｒ ｃ ｎ ｃ ｍ ｃ ｎ ｉｔ ｏ ｉ ｉ
一 器件与电路 １ 面
６＠凹
文章 编 号 ：０ ２ ８ ８ （０ ２ ０ — ０ ６ ０ １０ — ６４ ２ １ ）９ ０ ２ － ４
压 电换能器匹配 电路 的设 计
蒋锟 林
・用 计 实设 ・
（ 国电 子科 技 集 团公 司第 三研 究所 ， 京 中 北
１０ １ ） ００ ５
发射机较远 ， 信号必 须用 同轴 电缆 来传输 的话 ， 然 ， 显 只有使发射机的输 出阻抗与 电缆 的特 性 阻抗 匹配 ， 同 时使换能器的辐射 阻抗 与 电缆 的特性 阻抗相 匹配 ， 才 有 可能使换能器获得最大 电功率 。为 了使换能器 与电
缆 和发射端匹配 ， 必须采用 阻抗变 换器 ， 常采用变压 通
能器 的发射功 率 ， 以提高整个发射 系统 的效率 。而最 佳的 阻抗 匹配可以提高超声波发 生器 的发射 能量 ， 使 信号源功率 最大 限度地 转换 为声 功率 。尤其 是超 声 波在大功率 发射的应用场合 ， 到换能器与发 生器 会遇 之 间的阻抗 匹配 ， 这在很大程度上 决定 了发射设 备 的
器来实现 。因为变压器 可视 为感性元 件 ， 它可 与换 能 器 中的容 ｆ分量形成谐 振 回路 ， 生 使其输 入相 角趋 近于
零， 以减小功率传输 中的损耗 ， 以获得最佳功率 匹配 。
点是机 电转 换效应高 ， 容易成 型及 造价低廉等 。
国内外许 多业 内人 士对换 能器 的阻抗 匹配技 术 进行 了不 同项 目应用方面 的研究 ¨ ］超 声换 能器 电 ， 匹配 的 目的是 使信 号源 的输 出功率尽 可能转 化 为换
１ 引 言
近年来 ， 超声技 术 的发展 极为 迅速 ， 应用 日益 广
泛， 不仅在一些传 统 的工业 技 术 中获得 广泛 的应 用 ， 而且随着科学技术 的发展 ， 超声波 和次声 波 已渗透 到 国防 、 生物 、 医疗 等方 面 发 挥着 独 特 而 巨 大 的作 用 。 超声换能器是一种 能量转换器件 ， 其技术 特性参数 包 括共振频率 、 频带 宽度 、 向性 、 指 阻抗特性 、 响特性 、 频
ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ Ｔ ｅ ｐ ｅ ｏ ｌｃｒｃｃ ｒ ｍｉ ａ ｓ ｕ ｅ ｎ ｌｓ ｏ ｅ ｍｐｉ ｅ ｉ ｕ ｔ ｅ ｗ ｅ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅｍａ ｃ ｎ ｅ ｎ ｒ ｕ ｅ ． ｈ ｉｚ ｅｅ ｔ ｅ ａ ｃ ｔ ｎ ｄ ｃ ｒａ ｄ Ｄ ｃ ａ ｓｐ ｗ ｒａ ｌ ｒｃｒ ｉ ｂ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ｉ ｎ ｏ ｔｈ ｄ ｔ ｏ ｉ ｒ ｉ ｆ ｃ ｈ ｈ ｈ
发射及接 收灵 敏度 等 。不 同用 途对其 参 数 的要求 也 不同， 但对发射 的超 声换 能器 ， 要求 有 大 的输 出功 率 和高 的能量 转换效率 ； 而对接 收用 的超声换能器 则要
求有宽 的频 带和 高的灵 敏度 等 。在 众 多 的超 声换 能 器类型 中 ， 电陶瓷换能器是应用 最广的一种 。其优 压
ＪＡＮＧ Ｋｕ ｌ Ｉ ｎｉ ｎ
（ Ｅ ＣＮ ． ｅｅｒｈＩｓｔ ｅＢ ｉｎ １０ １ ， ｈｎ ） Ｃ Ｔ ｏ３Ｒ ｓａｃ ｔｕ ， ｅｉｇ ００ ５ Ｃ ｉａ ｎ ｉｔ ｊ
２ 压 电换 能器 的电 匹配 原理
压 电换 能器是一种机 电转换元件 ， 电学和机 它有 械 两种端 口。在 机械 端是 通过 声学 匹 配元件 与 声学 负载相连 ， 而在 电端 则 是 通过 匹 配 电路 与超 声 源相 连 。声学 匹配 的好坏决 定 换能 器 的技术 特性 及 应用
【 ｂｔ ｃ】ｈ ｅ ｅ ｃｉｔｎｄｃｒｃｃｉｍ ｔ ｉ ｉ ｉｅｍｔ ｉ ｅ ｅｓ ｅ ｅｔ ｅ ｏ ｅ ａ ｍｔ ｓ ｒ Ａ ｓ ａｔＴ ｅ ｉ ｏｌ ｔ ａｓ ｅ ｒ ｔ ａ ｈ ｇ ｒ ｃ ｌ， ａ ｈ ｇｈ ａ ｒ ｎ ｍｔ ｄ ｆ ｒ ｅ ｒａ ｒ ｐ ｚ ｅ ｒ ｒ ｕ ｓ ｉｕ ｃ ｎ ｐ ｎ ｐ ｃ ｃ ｎ ｔ ｍ ｕ ｍ ｈ ｏｔ ｐ ａ ｅ ｅ ｈ
【 要】 摘 介绍 了压 电换能器 的电匹配原理 以及 匹配参数 的测定方 法。重 点介 绍 了 电陶瓷换能器与 Ｄ类功率放 压
大器之间的匹配 电路的设计及 匹配变压器的设计计算。
【 关键词 】 电换能器 ； 压 电匹配； 最大功率匹配 ； 数字音 频功率放大器
【 中图分类号】Ｔ ５ ２ Ｂ ５ 【 文献标识码】 Ａ
为一个 纯 电阻值 ， 以使信 号器把最大功率传 输到 负载
上 ， 通常称 为 调谐 ； ２ 把 换 能器 的高 阻抗 变 至 这也 （）
信 号源的低阻抗 ；３ 设 计合 理 的匹配 网络 能有效 地 （） 滤 除谐振 频率 以外 的谐 波信号分量 ， 于提高发 射 有利
设备效 率 。 电端匹配包括发射 电路与发射换能器之 间的匹配 和接收 电路与接收换能器之间 的匹配 。如果换能器距
高效而安全 工作 ， 是一个非常重要 的技术环节 。具体
ｍａｃ ｎ ｒｎｓｏ ｍｅ ｅｓｇ ａｃ ａｉｎ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｅ ｔｈｉｇ ｔａ ｆｒ ｒｄ ｉｎ ｃ ｌｕｌｔｏ ａ ｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ｍｐｈ ｔｃ ｌｙ． ａｉ ａｌ
【 ｅ ｏｄ 】ｉ ｏｌ ｔ ａｓ ｃ ；ｅｔｃ ａ ｈ ｇｍｘ ｕ ｏｅ ｍ ｔ ｉ ； ｇａ ａｄ ｏｅ ａ ｐｆｒ Ｋ ｙ ｒｓｐ ｚ ｅ ｒ ｔ ｎ ｕｅ ｅ ｃｉ ｍｔ ｉ ； ａｉ ｍ ｐｗｒ ａ ｈ ｇｄ ｉｌｕｉｐｗｒ ｍ ｌ ｅ ｗ ｅ ｅ ｃｉ ｒ ｄ ｌ ｒ ｃ ｎ ｃ ｍ ｃ ｎ ｉｔ ｏ ｉ ｉ
一 器件与电路 １ 面
６＠凹
文章 编 号 ：０ ２ ８ ８ （０ ２ ０ — ０ ６ ０ １０ — ６４ ２ １ ）９ ０ ２ － ４
压 电换能器匹配 电路 的设 计
蒋锟 林
・用 计 实设 ・
（ 国电 子科 技 集 团公 司第 三研 究所 ， 京 中 北
１０ １ ） ００ ５
发射机较远 ， 信号必 须用 同轴 电缆 来传输 的话 ， 然 ， 显 只有使发射机的输 出阻抗与 电缆 的特 性 阻抗 匹配 ， 同 时使换能器的辐射 阻抗 与 电缆 的特性 阻抗相 匹配 ， 才 有 可能使换能器获得最大 电功率 。为 了使换能器 与电
缆 和发射端匹配 ， 必须采用 阻抗变 换器 ， 常采用变压 通
能器 的发射功 率 ， 以提高整个发射 系统 的效率 。而最 佳的 阻抗 匹配可以提高超声波发 生器 的发射 能量 ， 使 信号源功率 最大 限度地 转换 为声 功率 。尤其 是超 声 波在大功率 发射的应用场合 ， 到换能器与发 生器 会遇 之 间的阻抗 匹配 ， 这在很大程度上 决定 了发射设 备 的
器来实现 。因为变压器 可视 为感性元 件 ， 它可 与换 能 器 中的容 ｆ分量形成谐 振 回路 ， 生 使其输 入相 角趋 近于
零， 以减小功率传输 中的损耗 ， 以获得最佳功率 匹配 。
点是机 电转 换效应高 ， 容易成 型及 造价低廉等 。
国内外许 多业 内人 士对换 能器 的阻抗 匹配技 术 进行 了不 同项 目应用方面 的研究 ¨ ］超 声换 能器 电 ， 匹配 的 目的是 使信 号源 的输 出功率尽 可能转 化 为换
１ 引 言
近年来 ， 超声技 术 的发展 极为 迅速 ， 应用 日益 广
泛， 不仅在一些传 统 的工业 技 术 中获得 广泛 的应 用 ， 而且随着科学技术 的发展 ， 超声波 和次声 波 已渗透 到 国防 、 生物 、 医疗 等方 面 发 挥着 独 特 而 巨 大 的作 用 。 超声换能器是一种 能量转换器件 ， 其技术 特性参数 包 括共振频率 、 频带 宽度 、 向性 、 指 阻抗特性 、 响特性 、 频
ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ Ｔ ｅ ｐ ｅ ｏ ｌｃｒｃｃ ｒ ｍｉ ａ ｓ ｕ ｅ ｎ ｌｓ ｏ ｅ ｍｐｉ ｅ ｉ ｕ ｔ ｅ ｗ ｅ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅｍａ ｃ ｎ ｅ ｎ ｒ ｕ ｅ ． ｈ ｉｚ ｅｅ ｔ ｅ ａ ｃ ｔ ｎ ｄ ｃ ｒａ ｄ Ｄ ｃ ａ ｓｐ ｗ ｒａ ｌ ｒｃｒ ｉ ｂ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ｉ ｎ ｏ ｔｈ ｄ ｔ ｏ ｉ ｒ ｉ ｆ ｃ ｈ ｈ ｈ
发射及接 收灵 敏度 等 。不 同用 途对其 参 数 的要求 也 不同， 但对发射 的超 声换 能器 ， 要求 有 大 的输 出功 率 和高 的能量 转换效率 ； 而对接 收用 的超声换能器 则要
求有宽 的频 带和 高的灵 敏度 等 。在 众 多 的超 声换 能 器类型 中 ， 电陶瓷换能器是应用 最广的一种 。其优 压