一种超声波换能器阻抗自动匹配的方法技术

本发明专利技术公开了一种超声波换能器阻抗自动匹配的方法，通过在超声波换能器中的超声波探头驱动电路中植入若干电容切换电路和电感切换电路，且电容切换电路包括电容元件以及半导体电容开关，电感切换电路包括电感元件以及半导体电感开关，利用半导体开关自动切换来改变接入的电容元件及电感元件的数量，进而改变谐振频率，使得超声波换能器的探头输出功率与超声波换能器中激励电源输入功率一致，进而达到阻抗匹配

【技术实现步骤摘要】
一种超声波换能器阻抗自动匹配的方法


[0001]本专利技术涉及电学领域，具体涉及一种自动阻抗匹配方法
。

技术介绍

[0002]随着科技的飞速发展，各领域的重大突破，超声波应用己经跨越大部分领域，不仅在国防工业领域
、
军工领域
、
医学领域及生活领域都占有举足轻重的地位，在经济体中的重要性也愈加明显
。
同时，超声波传感器被广泛用于桥梁水下地形测量及河道水深测量等领域
。
[0003]该领域中超声波传感器需配备一定长度的电缆为其供电
。
由于桥梁规模不同及河道所处环境不同，传感器配备的电缆长度均有所变化
。
而电缆长度的变化会改变电流阻力
、
传感器的接收电压，导致超声波传感器中的超声波换能器激励电源不稳定，进而降低其测量信号而引起水深及地形的误差
。
[0004]目前，解决这一问题的方式有两种
。
第一种方式为：传感器配备标准长度的电缆以保证电压稳定，但该方法也有弊端
。
一方面存在实际应用过程中电缆材料的浪费，另一方面电缆长度过短时需增加电缆长度而降低传感器实际接受电压，导致测量精度不高
。
第二种方式为：根据不同的应用场景增加电缆长度，同时修改电路，调节阻抗
。
但此种方式操作复杂，不利于产品标准化及规模化生产
。
[0005]超声振动系统主要由超声驱动电路
、
匹配电路
、
换能器和超声加工工具构成
。
其中，驱动电路主要包括信号产生电路
、
信号处理及功率放大等，是超声系统的能量来源；超声加工工具一般为手术的执行工具；超声换能器是主要的能量转换元件，将驱动电路产生的电能转化成加工设备所需要的能量，如机械能
、
热能等；匹配电路则是调高超声换能器的能量转换甚至是否工作的关键电路
。
[0006]阻抗匹配即超声换能器的阻抗等于超声波激励电源的内阻抗，即当超声波激励电源的频率和超声波探头的谐振频率一致时，电路的阻抗最小，发射的功率最大
。
超声波换能器的阻抗匹配反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系，当电路实现阻抗匹配时，电路的耦合状况最佳
、
输出功率最大，反之则产生反射功率，换能器获得的能量比较小，能量损耗比较大，容易烧坏线路，对电路产生损害，因此必须对驱动电路进行阻抗匹配
。
目前国内对于传感器的阻抗匹配通过串并联改变超声波探头的
Lr
或者
Cr
，一般采用继电器切换实现
。
由于继电器体积大，成本高，切换过程中还会有电磁干扰，会影响传感器的准确度
。
[0007]因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题
。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术所产生的问题，本专利技术提供了一种精度高
、
操作简单
、
成本低
、
灵活性高的超声波换能器自动阻抗匹配方法
。
[0009]为达到上述目的，本专利技术一种超声波换能器自动阻抗匹配方法可采用如下技术方案：
[0010]一种超声波换能器阻抗自动匹配的方法，包括以下步骤：
[0011]1)
连接超声波探头驱动电路形成超声波换能器，所述超声波探头驱动电路包括超声波激励电源
、
超声波探头，已知所述超声波探头的谐振频率点，且所述超声波激励电源输入频率不稳定；
[0012]2)
在所述超声波探头驱动电路中接入半导体旁路开关；所述半导体旁路开关控制电容模块与电感模块的工作状态，当半导体旁路开关闭合时，所述电容模块与电感模块不工作，当半导体旁路开关断开时，所述电容模块与电感模块工作；
[0013]3)
建立若干电容切换电路并接入超声波探头驱动电路形成电容模块，所述电容切换电路包括半导体电容开关
、
电容元件；建立若干电感切换电路并接入超声波探头驱动电路形成电感模块，所述电感切换电路包括半导体电感开关
、
电感元件；其中，所述半导体电容开关
、
半导体电感开关的状态包括闭合和断开；所述电感切换电路的半导体电感开关闭合时，超声波探头驱动电路中接入该电感切换电路的电感元件；半导体电感开关断开时，超声波探头驱动电路中不接入该电感切换电路的电感元件；电容切换电路的半导体电容开关闭合时，超声波探头驱动电路中接入该电容切换电路的电容元件；半导体电容开关断开时，超声波探头驱动电路中不接入该电容切换电路的电容元件；所述半导体电容开关改变接入的电容元件的数量
、
所述半导体电感开关改变接入的电感元件的数量；
[0014]4)
建立控制单元，所述控制单元比较比较所述超声波激励电源的输入频率与谐振频率点大小，改变电容模块中半导体电容开关
、
电感模块中半导体电感开关的状态进而改变超声波探头的谐振频率，直至谐振频率与所述谐振频率点一致，达到最佳阻抗匹配
。
[0015]进一步的，当所述谐振频率点高于超声波激励电源输入频率时，断开所述电容模块的全部半导体电容开关；当谐振频率点低于超声波激励电源输入频率时，断开所述电感模块的全部半导体电感开关
。
[0016]进一步的，在所述超声波驱动电路中接入电流检测模块，当超声波驱动电路中电流最大时，谐振频率与所述谐振频率点一致
。
[0017]进一步的，所述电容模块单独工作；所述电感模块单独工作；所述电容模块与电感模块同时工作
。
[0018]进一步的，所述若干电容切换电路并联；所述若干电感切换电路并联
。
[0019]进一步的，所述谐振频率随电感元件的减少而降低；随电容元件的减少而增大
。
[0020]进一步的，所述超声波探头包括一个电阻
、
一个电感元件和一个电容元件
。
[0021]进一步的，所述超声波激励电源产生正负两种方波信号
。
[0022]进一步的，所述半导体旁路开关
、
半导体电容开关
、
半导体电感开关设有设有两组
MOS
管，且对顶设置
。
[0023]进一步的，上电初始，所述半导体旁路开关
、
半导体电感开关
、
半导体电容开关为闭合状态
。
[0024]本专利技术具有如下有益效果：
[0025]1、
本专利技术在超声波驱动电路中接入电容模块和电感模块，且电容模块
、
电感模块与超声波驱动电路只需改变接入的电容元件和电感元件，即可实现超声波探头与超声波激励电源的阻抗匹配，操作简单；
[0026]2、
本专利技术所用的开关均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种超声波换能器阻抗自动匹配的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)
连接超声波探头驱动电路形成超声波换能器，所述超声波探头驱动电路包括超声波激励电源
、
超声波探头，已知所述超声波探头的谐振频率点，且所述超声波激励电源输入频率不稳定；
2)
在所述超声波探头驱动电路中接入半导体旁路开关；所述半导体旁路开关控制电容模块与电感模块的工作状态，当半导体旁路开关闭合时，所述电容模块与电感模块不工作，当半导体旁路开关断开时，所述电容模块与电感模块工作；
3)
建立若干电容切换电路并接入超声波探头驱动电路形成电容模块，所述电容切换电路包括半导体电容开关
、
电容元件；建立若干电感切换电路并接入超声波探头驱动电路形成电感模块，所述电感切换电路包括半导体电感开关
、
电感元件；所述半导体电容开关
、
半导体电感开关的状态包括闭合和断开；所述电感切换电路的半导体电感开关闭合时，超声波探头驱动电路中接入该电感切换电路的电感元件；半导体电感开关断开时，超声波探头驱动电路中不接入该电感切换电路的电感元件；电容切换电路的半导体电容开关闭合时，超声波探头驱动电路中接入该电容切换电路的电容元件；半导体电容开关断开时，超声波探头驱动电路中不接入该电容切换电路的电容元件；所述半导体电容开关改变接入的电容元件的数量
、
所述半导体电感开关改变接入的电感元件的数量；
4)
建立控制单元，所述控制单元比较所述超声波激励电源的输入频率与谐振频率点大小，改变电容模块中半导体电容开关
、
电感模块中半导体电感开关的状态进而改变超声波探头的谐振频率，直至谐振频率与所述谐振频率点一致，达到最佳阻抗匹配
。2.
根据权利要求1所述的超声波换能器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，陈红，林青炜，金鹏涛，金纪东，
申请(专利权)人：苏州忆水孪生信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：