压电换能器驱动电路的设计
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换 器件 ，其 工 作效 率直 接影 响整 个 超声 波测 量 系统
的性 能 。而压 电换 能 器驱 动 电路 的设 计 ，涉及 阻抗 匹配 、脉 冲变 压 器 设 计 及 谐 振 变 压 器 的相 关 内 容 ，既要有 一定 的理论 基础 ，又 需要 实践 经 验 的一 门技 术 ，给广 大 的研 发 人员 的设 计 ，带来 一 定 的 困
种单 端激 励 的压 电换 能 器驱动 电路 ，利 用脉 冲变压 器进 行 阻抗 匹配 和 电压 调谐 ，具有 电路 形 式 简单 、易于
操作 的特 点 ，同时创 新性 地利 用 电压 谐 振 的 设 计 方 法 ，提 高 了压 电换 能 器 的 工作 效 率。通 过 工业 现 场 应 用 ，产品性 能指 标达 到设 计要 求 。
由于超声 波几 乎不 受光 线 、粉 尘 、烟雾 、电磁
干扰 和有 毒气 体 的影 响 ，可 以通 过 气体 、液体 和 固
体进行传播 ，所以 目 前在工业生产及其 民用领域 的 应用越来越广泛 ，例如超声测距 、超声波清洗以及 医疗 超声 检测 等 ，压 电换 能器作 为 声能 和 电能 的转
关键 词 ： 压 电换 能 器 ；脉 冲变压 器 ； 阻抗 匹配 ；电压 调谐
中图分 类号 ：Ｔ Ｂ ５ ５ ２
文献 标 志码 ：Ａ
文章 编 号 ：１ ６ ７ ３— ４ ９ ３ ９（ ２ ０ １ ５ ）０ １— ０ ０ ３ ９— ０ ４ 用他 激工作 方 式 ，换 能器 两端未 谐振 ，所 以工 作效 率低。
孥 秀 安
（ 丹 东东方测控 技 术股份 有 限公 司 电子 部 ， 辽宁 丹 东 １ １ ８ ０ ０ ２ ） 摘 要 ：压 电换 能 器驱动 电路 的设 计 ，是 整个 测量 系统 的设 计难 点 ，国 内通 常 采 用的 驱动 电路 ，工作
效率低 、测 量精度 不 能 满足设 计要 求 。文 章通过 对 一款 大功 率压 电换 能 器 的设 计 实践 ，独创 性地 设 计 报 （ 自然科 学版 ）
Ｔｏ ＝ ０． ４ ５ × ３ ３． ３ ＝ １ ５ Ｉ ｘ ｓ
第２ ２卷
（ ２ ） 变压 器变 比的确定 根据 设计 要 求 ，换 能器 发射 脉 冲 （ ３— ３ ０个 ）
时 的功率 Ｐ ＝３ ０ Ｗ ，变压 器效 率 ：７ ７ ＝ ８ ０ ％ ，电 源 电压 ｖ Ｄ ＝２ ４ Ｖ，场 效应 管 导 通 压 降 ： ｓ ＝１ Ｖ，尺 为次 级 负 载 ，Ｒ ：为次 级 反 馈 到初 级 的 等 效 阻抗 ，根据 换 能器参数 ，设计 取 ６ ０ ０ Ｑ。Ｎ 为变 压器 次级 与初 级 的 匝数 比 ，根据下 列 公式 ，一 个周
Ｖｏ １ ． ２２ Ｎ０． １
Ｍａ ｒ ．２ ０ １ ５
【 机械与电子工程】
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ４ １ ６ ８ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ － ４ ９ ３ ９ ． ２ ０ １ ５ ． ０ １ ． ０ ９
压 电 换 能 器 驱 动 电 路 的 设 计
的压 电换能 器进 行设 计具 有一 定 的指导 意 义 。
１ 驱 动 电路 的 设计原 理
难 。 目前 国 内压 电换 能 器 的驱动 电路 ，主要 采用 两 种 设计 方法 ：一 是 直接 驱动 ：采 用 固定频 率 ，通过 触 发 大 功 率 半 导 体 开 关 器 件 ，如 场 效 应 管 、可 控 硅 ，直 接驱 动压 电换 能 器工作 ，换能 器 由 电源 电压
第２ ２卷 第 １ 期
２ ０ １ ５年 ３月
辽 东学 院 学报 （自然 科 学版 ） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｌ ｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
文章 利用 Ａ Ｉ Ｒ ＭＡ Ｒ公 司 ＿ ４ 的一 款 大 功 率 压 电 换能器 （ Ａ Ｒ ３ ０ ） 驱动 电 路设 计 出 一种 单 端激 励 的 压 电换能 器驱 动 电路 。该驱 动 电路 ，利用 脉 冲变压 器 进 行 阻抗 匹配 ，同 时通过 调节 变压 器磁 芯气 隙进 行 电压调谐 ，可 以驱动 大功 率压 电换 能器 工作 ，能 显 著 提高压 电换 能 器 的电 一声转 换效 率 。该设计 采 用 电压 谐振 方法 ，可为 广大设 计 人员 提供 一种 实用 的 、操 作性 强 的设计 手段 ，对 不 同量程 和 发射频 率
人， 为 阻尼 电阻 ，Ｃ为 配谐 电容 （ 微调 ） ， 变压 器初 级供 电电源 。 为
配 ，如文献 ［ ３ ］电路 ；优点是可以驱动大功率器 件 ，缺 点是 难 以进行 阻抗 匹 配和 电压调 谐 ，由于采
收 稿 日期 ：２ ０ １ ４— ０ ７—１ ２
作者简介 ：李君安 （ １ ９ ６ ５ 一） ，男 ，辽 宁丹 东人 ，工程师 ，研究方 向：超声波信号处理 和电源设计 。
直接供电。如文献 ［ ２ ］ 电路 ；优点是 电路简单 ， 缺点是工作效率低 ，受到供电电压限制 ，无法驱动 大 功率 器件 。二 是推 挽 电路 驱动 ：采 用 固定频 率 的 双 极性 脉 冲 ，驱 动推 挽 变压器 工 作 ，推挽 变压 器次
级 与压 电换 能器 并联 ，采 用 电容 、电感 进 行 阻抗 匹
设计 采用 如 图 １ 所 示 的单 端脉 冲激 励 的设 计 电
路 ，脉冲信号是 由超声波发射模块产生的 ，脉冲频
率 和 占空 比是 可 调整 的 ，通 过 开关 型 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ，驱
动脉 冲变压器 工 作 ，变压 器 次 级 与 压 电振 子 并
联 ，两个 二 极 管 是 为 了 阻 止 接 收 的 回波 信 号 的 串
的性 能 。而压 电换 能 器驱 动 电路 的设 计 ，涉及 阻抗 匹配 、脉 冲变 压 器 设 计 及 谐 振 变 压 器 的相 关 内 容 ，既要有 一定 的理论 基础 ，又 需要 实践 经 验 的一 门技 术 ，给广 大 的研 发 人员 的设 计 ，带来 一 定 的 困
种单 端激 励 的压 电换 能 器驱动 电路 ，利 用脉 冲变压 器进 行 阻抗 匹配 和 电压 调谐 ，具有 电路 形 式 简单 、易于
操作 的特 点 ，同时创 新性 地利 用 电压 谐 振 的 设 计 方 法 ，提 高 了压 电换 能 器 的 工作 效 率。通 过 工业 现 场 应 用 ，产品性 能指 标达 到设 计要 求 。
由于超声 波几 乎不 受光 线 、粉 尘 、烟雾 、电磁
干扰 和有 毒气 体 的影 响 ，可 以通 过 气体 、液体 和 固
体进行传播 ，所以 目 前在工业生产及其 民用领域 的 应用越来越广泛 ，例如超声测距 、超声波清洗以及 医疗 超声 检测 等 ，压 电换 能器作 为 声能 和 电能 的转
关键 词 ： 压 电换 能 器 ；脉 冲变压 器 ； 阻抗 匹配 ；电压 调谐
中图分 类号 ：Ｔ Ｂ ５ ５ ２
文献 标 志码 ：Ａ
文章 编 号 ：１ ６ ７ ３— ４ ９ ３ ９（ ２ ０ １ ５ ）０ １— ０ ０ ３ ９— ０ ４ 用他 激工作 方 式 ，换 能器 两端未 谐振 ，所 以工 作效 率低。
孥 秀 安
（ 丹 东东方测控 技 术股份 有 限公 司 电子 部 ， 辽宁 丹 东 １ １ ８ ０ ０ ２ ） 摘 要 ：压 电换 能 器驱动 电路 的设 计 ，是 整个 测量 系统 的设 计难 点 ，国 内通 常 采 用的 驱动 电路 ，工作
效率低 、测 量精度 不 能 满足设 计要 求 。文 章通过 对 一款 大功 率压 电换 能 器 的设 计 实践 ，独创 性地 设 计 报 （ 自然科 学版 ）
Ｔｏ ＝ ０． ４ ５ × ３ ３． ３ ＝ １ ５ Ｉ ｘ ｓ
第２ ２卷
（ ２ ） 变压 器变 比的确定 根据 设计 要 求 ，换 能器 发射 脉 冲 （ ３— ３ ０个 ）
时 的功率 Ｐ ＝３ ０ Ｗ ，变压 器效 率 ：７ ７ ＝ ８ ０ ％ ，电 源 电压 ｖ Ｄ ＝２ ４ Ｖ，场 效应 管 导 通 压 降 ： ｓ ＝１ Ｖ，尺 为次 级 负 载 ，Ｒ ：为次 级 反 馈 到初 级 的 等 效 阻抗 ，根据 换 能器参数 ，设计 取 ６ ０ ０ Ｑ。Ｎ 为变 压器 次级 与初 级 的 匝数 比 ，根据下 列 公式 ，一 个周
Ｖｏ １ ． ２２ Ｎ０． １
Ｍａ ｒ ．２ ０ １ ５
【 机械与电子工程】
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ４ １ ６ ８ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ － ４ ９ ３ ９ ． ２ ０ １ ５ ． ０ １ ． ０ ９
压 电 换 能 器 驱 动 电 路 的 设 计
的压 电换能 器进 行设 计具 有一 定 的指导 意 义 。
１ 驱 动 电路 的 设计原 理
难 。 目前 国 内压 电换 能 器 的驱动 电路 ，主要 采用 两 种 设计 方法 ：一 是 直接 驱动 ：采 用 固定频 率 ，通过 触 发 大 功 率 半 导 体 开 关 器 件 ，如 场 效 应 管 、可 控 硅 ，直 接驱 动压 电换 能 器工作 ，换能 器 由 电源 电压
第２ ２卷 第 １ 期
２ ０ １ ５年 ３月
辽 东学 院 学报 （自然 科 学版 ） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｌ ｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
文章 利用 Ａ Ｉ Ｒ ＭＡ Ｒ公 司 ＿ ４ 的一 款 大 功 率 压 电 换能器 （ Ａ Ｒ ３ ０ ） 驱动 电 路设 计 出 一种 单 端激 励 的 压 电换能 器驱 动 电路 。该驱 动 电路 ，利用 脉 冲变压 器 进 行 阻抗 匹配 ，同 时通过 调节 变压 器磁 芯气 隙进 行 电压调谐 ，可 以驱动 大功 率压 电换 能器 工作 ，能 显 著 提高压 电换 能 器 的电 一声转 换效 率 。该设计 采 用 电压 谐振 方法 ，可为 广大设 计 人员 提供 一种 实用 的 、操 作性 强 的设计 手段 ，对 不 同量程 和 发射频 率
人， 为 阻尼 电阻 ，Ｃ为 配谐 电容 （ 微调 ） ， 变压 器初 级供 电电源 。 为
配 ，如文献 ［ ３ ］电路 ；优点是可以驱动大功率器 件 ，缺 点是 难 以进行 阻抗 匹 配和 电压调 谐 ，由于采
收 稿 日期 ：２ ０ １ ４— ０ ７—１ ２
作者简介 ：李君安 （ １ ９ ６ ５ 一） ，男 ，辽 宁丹 东人 ，工程师 ，研究方 向：超声波信号处理 和电源设计 。
直接供电。如文献 ［ ２ ］ 电路 ；优点是 电路简单 ， 缺点是工作效率低 ，受到供电电压限制 ，无法驱动 大 功率 器件 。二 是推 挽 电路 驱动 ：采 用 固定频 率 的 双 极性 脉 冲 ，驱 动推 挽 变压器 工 作 ，推挽 变压 器次
级 与压 电换 能器 并联 ，采 用 电容 、电感 进 行 阻抗 匹
设计 采用 如 图 １ 所 示 的单 端脉 冲激 励 的设 计 电
路 ，脉冲信号是 由超声波发射模块产生的 ，脉冲频
率 和 占空 比是 可 调整 的 ，通 过 开关 型 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ，驱
动脉 冲变压器 工 作 ，变压 器 次 级 与 压 电振 子 并
联 ，两个 二 极 管 是 为 了 阻 止 接 收 的 回波 信 号 的 串