超聲波發(fā)生器與換能器的匹配設計(20210325185134)

1、聲波發(fā)生器與換能器的匹配設計超聲波發(fā)生器與換能器的匹配設計選自近代超聲原理與應用 袁易全主編 作者：陳思忠、匹配概述 超聲波換能器與發(fā)生器匹配包括兩個方面，一是通過匹配使發(fā)生器向換 能器輸出額定的電功率，這是由于發(fā)生器需要一個最佳的負載才能輸出 額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負載，也即阻抗變換作用； 二是通過匹配使發(fā)生器輸出效率最高，這是由于換能器有靜電抗的原因, 造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定相位差，從而使輸出功率得不 到期望的最大輸出，使發(fā)生器輸出效率降低，因此在發(fā)生器輸出端并上 或串上一個相反的抗，使發(fā)生器負載為純電阻，也即調(diào)諧作用。由此可 見匹配的好壞直接影響著功率超聲源

2、的產(chǎn)生和效率。、阻抗匹配為了使功率放大器輸出額定功率最大；在電源電壓給定條件下主要取決 于負載阻抗。一般在D類開關型功放中其發(fā)生器變壓器初級等效負載 RI 上的輸出功率表達式為：式中，VAm為等效負載上的基波幅度;vcc為電源電壓；vces為功放管飽和壓降，故為了保證系統(tǒng)有一定功率余量（因輸出變壓器，末級匹配回路及晶體管損 耗電阻都有損耗，po需要乘上一個約等于1. 41. 5的系數(shù)。即輸出 功率po為1. 5Po;從上式可知，在電源電壓給定之后，輸出功率的大小取決于等效負載 RL。目前大多數(shù)功率超聲發(fā)生器的負載為壓電型換能器，其阻抗約為 幾十歐姆至幾百歐姆間，為了要達到要求的額定功率，因此需

3、要對換能 器負載RL進行阻抗變換。由高阻抗變換為低阻抗。一般常用的方法，通 過輸出變壓器的初次級線圈的匝數(shù)比進行變換。變壓器次初級匝數(shù)比為n/m則輸出功率PO時的初級電阻舉例：要求一發(fā)生器輸出在換能器上的功率為 1000W設直流電VCC為220V, VCES=10V功率應留有一定余量，則 PO=1.5PO=1500W則變壓 器初級的6.5 Q若換能器諧振時等效電阻RL= 200Q,則輸出變壓器次級/初級圈數(shù)比以上稱謂阻抗變換，是通過輸出變壓器實行的。輸出變壓器是超聲波發(fā)生器阻抗匹配、傳輸功率的重要部件，它的設計 與繞制工藝對發(fā)生器的工作安全是十分重要的。它不僅會以漏感、勵磁 電流等方式影響電路

4、的工作，其漏感還是形成輸出電壓尖峰的主要原因。 為此，在設計時，應選取具有高磁通密度B,高導磁率卩，高電阻率pc 和低矯頑力He的高飽和材料作鐵芯。一般在防止高頻變壓器的瞬態(tài)飽 和時，在設計時要注意如下幾點：1. 工作磁通密度B的選取鐵芯材料的磁感應增量 4B愈大，所需線圈匝數(shù)愈少，直流電阻 R也愈 小，從而線圈的銅損Pm也愈小。4B取得高時，傳輸?shù)拿}沖前沿就愈陡。 因此，在設計變壓器時，選取高磁通密度的材料作鐵芯，這對降低變壓 器的損耗、減小體積和重量都是很有利的。為了避免在穩(wěn)態(tài)或過渡過程 中發(fā)生飽和，一般選取工作磁通密度 BW Bs/ 3為宜，這里Bs為磁芯的 最大和磁通密度。2. 要保證

5、初級電感量足夠大一般要求變壓器初級阻抗應滿足下式關系：WLl 15RL，其中RL為次級負載所算到初級邊的等效電阻值，WLl為初級電感感抗，若初級電感量太小，勵磁電流將比較大，勵磁電流過大，變壓器的損耗將增加，溫 升隨之增高，從而降低Bs，使變壓器進入飽和的可能性增大。3. 要考慮“集膚效應”的影響在高頻工作時，流過導線的電流會產(chǎn)生“集膚效應”。這相當于減少了 導線有效截面積，增加了導線的電阻，從而引起導線的壓降增大，導致 變壓器溫度升高，結(jié)果增大了變壓器進入飽和的危險性，建議采用小直 徑的多股導線并繞的方法。三、調(diào)諧匹配由于壓電換能器有靜電容Co,磁致伸縮換能器有靜電感L0,在換能器諧 振狀態(tài)

6、時，換能器上的電壓VRL與電流IRL間存在著一相位角，其輸 出功率pg VRLIRLcos。由于的存在，輸出功率 達不到最大值。只有當 =0時，輸出功率達最大值。因此為了使換能器上電壓 VRL與電 流IRL同相( =0)，貝U必須在換能器上，并上或串上一個相抵消的抗。 對于壓電換能器而言，即并上或串上一 個電感L0即可，而磁致伸縮換 能器應并上或串上一個電容 Cd壓電換能器的阻抗或?qū)Ъ{等效電路如圖1. 52所示。在等效電路圖中式中R(f) ，X(f)為串聯(lián)電阻和電抗；R(f)，G(f)，B(f)為并聯(lián)電阻、 電導和電納。它們都是頻率 的函數(shù)。并聯(lián)調(diào)諧和串聯(lián)調(diào)諧電感量由下式 確定：下面我們比較一

7、下兩種調(diào)諧的差異圖1-53，1-54是一種換能器兩種調(diào)諧計算曲線，由計算表明，1由于換能器的串聯(lián)電抗比并聯(lián)電抗小，故有L串L并，2并聯(lián)調(diào)諧不改變換能器并聯(lián)電導響應， 而串聯(lián)調(diào)諧后電導響應呈雙峰， 導納圓圖為二個重疊的圓。3串聯(lián)調(diào)諧的有功阻比并聯(lián)調(diào)諧后有功阻小，即串聯(lián)調(diào)諧可獲得相對低 的輸入電阻。4從串、并聯(lián)調(diào)諧的輸入相角過零點情況看，作為寬帶特性并聯(lián)調(diào)諧優(yōu) 于串聯(lián)調(diào)諧。5目前在超聲功率中用串聯(lián)調(diào)諧較多，除上述串聯(lián)的特性外，還有當換 能器負載有短路現(xiàn)象時，因串聯(lián)調(diào)諧有電感串在發(fā)生器輸出回路中，不 會使功放負載造成完全短路。在實際匹配電路調(diào)節(jié)中，有時要稍調(diào)獲感 性負載為好，對功放電路有利，有的末極

8、功放發(fā)射極上串上一小電感可 能也有好處。前面也曾提到，作為電壓開關的D類功放，容性負載造成對高次諧波的短路作用，會給開關帶來危險。但也要注意感性負載會使 管子反峰電壓增加。四、關于匹配電感的設計匹配電感通常就是鐵蕊線圈的電感，其電感量可按下式計算。式中3為線圈匝數(shù)，Sc為鐵芯有效截面積(cm2) ； lc鐵芯平均磁路長度 (cm) ;e鐵芯有效磁導率，式中，卩鐵芯磁導率,lg鐵芯中非磁致間隙長度(cm)；因為lg/lc1 / ,故所以由此可見電感L與間隙lg近似成反比，調(diào)節(jié)lg間隙即可調(diào)節(jié)LQ設計電感有以下幾個步驟；(1) 按3 sc選鐵芯式中V為輸出電壓有效值(V) ; f為工作頻率(Hz) ; B為鐵芯磁感應強度。一般選MXS 2000E型磁芯較多，匝數(shù)計算如下；(2) 計算磁芯間隙lg(3) 確定導線考慮到咼次諧波和超聲頻率較咼，順計及咼頻電流的鄰近效應和集膚效 應的因素。當f10kHz時由鄰近效應引起的交流電阻 R喲為其直流電阻 Rd的210倍，銅耗pr也要比直流銅耗Pro增大同樣倍數(shù)。令增大倍 數(shù)為k，則:Pr=kPro因此，為維持電感線圈的正常升溫，電流密度必須按照常規(guī)允許值的1/ k-1來選擇。關于集膚效應，常用高頻電流的穿透深度