[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

说明书

本发明涉及超声技术领域，为快速追踪换能器机械谐振频率的装置和方法。本发明超声换能器机械谐振频率的快速追踪装置，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，微处理器控制DDS输出正弦驱动信号，经D类功率放大器驱动压电超声换能器；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；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，从而解调出换能器的机械谐振频率。本发明主要应用于超声探测场合。

技术领域

本发明涉及超声技术领域，特别是一种超声换能器机械谐振频率的快速追踪装置和方法。

背景技术

压电式超声换能器以其低成本、小体积、高功率等优点而广泛应用于超声技术领域。其关键技术是对超声换能器进行频率跟踪，以获得更高的输出效率。压电超声换能器本身存在多个特征频率，有谐振频率、反谐振频率、串联谐振频率、并联谐振频率等，串联谐振频率是换能器的机械谐振频率，具有最大的功率输出和最小的发热量，是最佳工作频率。由于谐振频率和串联谐振频率较近且容易追踪，因此许多研究者以谐振频率代替串联谐振频率进行驱动，但其并不是最佳工作频率，超声换能器大都有较高的品质因数，微量的频率误差便会大幅降低换能器输出功率。此外由于生产、加工以及材料的不确定性，不同换能器的谐振频率不同，并且温度、刚度、负载等因素也会引起压电换能器的频率特性改变，实时跟踪其串联谐振频率才能保证超声系统的工作性能。

目前，频率跟踪系统大都是采用锁相的方式实现，此种方式，首先使用调谐匹配电路换能器的谐振频率和机械谐振频率调整至同一个频率上，然后使用PID控制、零相位检测等方法将电压、电流的相位差锁定在零附近，以实现追踪机械谐振频率的目的。而这种方法存在诸多问题，首先，所采用的静态匹配电路，仅在单一频率点上生效，当换能器的参数因为环境等因素改变时，匹配电路将失效；其次，锁相法还会出现反谐振频率追踪、失锁等问题。有国内外学者提出采用动态匹配的方式进行调谐匹配，却又使匹配系统变得复杂、实现困难，又增加了成本和体积。

此外，在频率的追踪方法上，有顺序查找法、二分查找法、黄金分割查找法等方法。其中顺序查找法使用最广，却又速度最慢，追踪谐振频率需要查找几十次到上百次。相比较而言，二分法和黄金分割法等大大提高了频率追踪效率，但依旧需要十次左右的迭代。对于高精度、负载变化较快的超声系统，真正的加工或接触时间仅有几十毫秒，要想保证加工的质量，需要更加快速的追踪到换能器的机械谐振频率。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明针对压电式超声换能器的特点，提出了一种快速追踪换能器机械谐振频率的装置和方法。本发明采取的技术方案是，超声换能器机械谐振频率的快速追踪装置，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)]