[发明专利]超声换能器机械谐振频率的快速追踪装置和方法

权利要求书

1.一种超声换能器机械谐振频率的快速追踪装置，其特征是，由压电超声换能器、电压传感器、电流传感器、匹配电感、D类功率放大器、任意波形发生器DDS、微处理器、检相电路、峰值检测电路、放大滤波电路组成，其运行过程如下：微处理器控制DDS输出正弦驱动信号，经D类功率放大器放大后去驱动经匹配电感匹配后的压电超声换能器；同时，电流传感器采集流过压电超声换能器的电流，电压传感器采集压电超声换能器两端的电压；两路采样信号经过滤波放大电路滤除噪声和谐波、放大；滤波放大的信号分别经过检相电路和峰值检测电路，得到电压、电流之间的相位差和它们的峰值；相位差和峰值信号被微处理器采样得到，计算出换能器此时的复导纳大小，并判断换能器的谐振状态，以一定的频率间隔Δω，采样三次，得到三组包含驱动频率、复导纳的数据，从而解调出换能器的机械谐振频率；在谐振频率附近，压电式超声换能器的等效电路为第一电阻、第一电容和第一电感串接在一起，一个电阻和一个电容并接后再与串接的第一电阻、第一电容和第一电感并接，其复导纳Y为：

Y＝G+Bj＝1/R₀+jωC₀+1/[R₁+j(ωL₁-1/ωC₁)]

＝{1/R₀+ω²C₁²R₁/[(1-ω²L₁C₁)²+ω²C₁²R₁²]}+j{ωC₀+(1-ω²L₁C₁)ωC₁/[(1-ω²L₁C₁)²+ω²C₁²R₁²]} (1)

其中ω驱动频率，G是电导，B是电纳，G和B分别为：

换能器两端的电压u和流过换能器的电流i之间的关系如下：

i＝u·Y＝u·|Y|∠θ (4)

则电压峰值I、电流峰值U、相位差θ与导纳|Y|的关系为：

其中，R₀、C₀分别为所述并接的一个电阻和一个电容的阻值、容值，L₁、C₁、R₁分别为第一电感、第一电容和第一电阻的感值、容值、阻值，由式(5)、(6)和(7)计算出换能器此时的导纳，电导和电纳。

2.一种超声换能器机械谐振频率的快速追踪方法，其特征是，首先，设置初始驱动角频率ω₀，微处理器控制任意波形发生器DDS产生角频率ω₀驱动信号，经D类功率放大器放大成高压功率信号，驱动经调谐匹配电匹配后的压电超声换能器，电流传感器采集得到流过压电超声换能器实时的电流信号i，电压传感器采集得到压电超声换能器实时的电压信号u，信号i、u再经过放大滤波电路进行信号放大并滤除噪声和谐波，放大滤波后的电压电流信号分别通过检相电路和峰值检测电路，得到电压和电流的峰值U、I，以及之间的相位角θ；解调出换能器的机械谐振频率；在谐振频率附近，压电式超声换能器的等效电路为第一电阻、第一电容和第一电感串接在一起，一个电阻和一个电容并接后再与串接的第一电阻、第一电容和第一电感并接，R₀、C₀分别为所述并接的一个电阻和一个电容的阻值、容值，L₁、C₁、R₁分别为第一电感、第一电容和第一电阻的感值、容值、阻值，解调出换能器的机械谐振频率具体过程：

1)以初始设定频率ω₀为初始频率驱动换能器，采样得到点P₀(ω₀,G₀,B₀)；

2)以频率ω₁＝ω₀-Δω、ω₂＝ω₀+Δω驱动换能器，得到采样点P₁(ω₁,G₁,B₁)、P₂(ω₂,G₂,B₂),Δω为频率步长；

3)对采样点进行校正，得到同一换能器导纳圆上三点P₀、P_1a、P_2a；

4)由圆上三点求出换能器导纳圆圆心坐标(x,y)，并由圆心的坐标计算出R₁、C₀；

5)由公式计算C₁和L₁C₁的大小，进一步求出机械谐振频率f_s，并以此频率驱动换能器；换能器复导纳Y为：

Y＝G+Bj＝1/R₀+jωC₀+1/[R₁+j(ωL₁-1/ωC₁)]

＝{1/R₀+ω²C₁²R₁/[(1-ω²L₁C₁)²+ω²C₁²R₁²]}+j{ωC₀+(1-ω²L₁C₁)ωC₁/[(1-ω²L₁C₁)²+ω²C₁²R₁²]}. (1)

其中ω驱动频率，G是电导，B是电纳，G和B分别为：

换能器两端的电压u和流过换能器的电流i之间的关系如下：

i＝u·Y＝u·|Y|∠θ (4)

则电压峰值I、电流峰值U、相位差θ与导纳|Y|的关系为：

由式(5)、(6)和(7)可以计算出换能器此时的导纳，电导和电纳；

换能器机械谐振频率的快速追踪方法如下：

由式(2)和(3)得到：

(G-1/R₀-1/2R₁)²+(B-ωC₀)²＝(1/2R₁)² (8)

式(8)显示，换能器的导纳变化近似用一个圆c₀表示，圆的圆心为：(1/R₀+1/2R₁,ωC₀)，R₀因为阻值较大而被忽略，因此圆心简写为：(1/2R₁,ωC₀)，由此可见导纳圆的圆心并不是一个定值，其纵坐标会随驱动频率ω的改变而改变，从而导致导纳圆实际在上下平移，以相同的频率间隔，分别以频率ω₀、ω₁、ω₂驱动换能器，其中ω₁＝ω₀-Δω、ω₂＝ω₀+Δω，采样得到三组数据：(ω₀,G₀,B₀)、(ω₁,G₁,B₁)、(ω₂,G₂,B₂)，分别对应点P₀、P₁、P₂，分别在圆c₀、c₁、c₂上，由于导纳圆的上下平移，要对P₁、P₂进行校正，才能得到与P₀在同一圆上P_1a、P_2a，易得P₀、P_1a、P_2a的坐标分别为：P₀:(G₀,B₀)、P_1a:(G₁,B₁-ΔωC₀)、P_2a:(G₂,B₂-ΔωC₀)，由圆上的三点则可以求出圆心坐标O(x,y)，由圆心的坐标(1/2R₁,ωC₀)得到：

R₁＝1/2x (9)

C₀＝y/ω₀ (10)

忽略R₀，由式(2)、(3)得:

式(12)为L₁和C₁之间的关系，代入采集的两点P₁(ω₁,G₁,B₁)、P₂(ω₂,G₂,B₂)，得到：

解得：

则机械谐振频率f_s为：

由式(16)计算出换能器的机械谐振频率，并以此频率驱动换能器。