【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及声学应用技术，具体领域为一种超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路。
技术介绍
1、近年来，超声技术的高速发展已经应用渗透到生活生产科研的各个角落，在医疗方面，医疗超声检测、超声治疗、超声成像等；在测量方面，水下测距、水下流速测量、水下声速测量等方面均具有广泛的应用。超声技术的发展离不开超声波换能器，超声波换能器是一种将电能转换为机械能的能量转换器件，在谐振频率附近等效成电阻和电容的串联，当超声波换能器和功率放大器达到谐振时，即功率放大器与超声波换能器达到阻抗匹配的状态，超声波换能器的有功功率最大，功率放大器的能量输出效率最高，当超声波换能器与功率放大器的阻抗没有达到匹配时，有功功率降低，无功功率转化为热量。失谐严重时，可能会烧坏超声波换能器和功率放大器。
2、对于超声波换能器的阻抗匹配，对于使用环境固定的场景来说，大多采用固定值电感或固定匝数比的变压器实现lc谐振匹配，当超声波换能器的使用环境多变时，超声波换能器的容值会发生较大变化，例如改变超声波换能器的水深、或者医疗超声探头以不同的力道按压在身体不同部位上，都会造成超声波换能器的阻抗发生变化，此时超声波换能器处于失谐状态，需要更改匹配网络的数值来使得超声波换能器重新达到匹配。国内一些学者也使用t型匹配网络和耦合振荡匹配模型实现阻抗匹配，目前已有的自适应阻抗匹配相关专利均使用切换匹配网络的方式使超声波换能器达到匹配，阻抗变化是不连续的，无法做到超声波换能器的线性匹配。
3、综上所述，目前超声波换能器的匹配方式较为固定，无法实现超声波换能器的自
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，能够实现超声波换能器在不同的水深和施压情况下实现自适应阻抗匹配，提升超声波换能器的有功功率。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，包括功率放大器、超声波换能器、检波电路、线性阻抗匹配器、电流电压取样电路、双路ad同步采样电路、mcu系统和伺服电机驱动系统，
3、所述功率放大器的输出端依次连接线性阻抗匹配器和电流电压取样电路后与超声波换能器连接，
4、所述检波电路的检测端与功率放大器的输出端连接，检波电路的输出端与mcu系统的输入端连接，
5、所述双路ad同步采样电路的输入端与电流电压取样电路的电流电压取样处连接，双路ad同步采样电路的输出端与mcu系统的输入端连接，
6、所述mcu系统的输出端与伺服电机驱动系统的输入端连接，伺服电机驱动系统的输出端与线性阻抗匹配器的控制端连接。
7、在其中一些实施例中，所述线性阻抗匹配器包括伺服电机、大功率空心电感、丝杠传动装置和铁氧体磁芯，伺服电机与丝杠传动装置的传动端连接，铁氧体磁芯安装在丝杠传动装置的移动端上，且铁氧体磁芯与大功率空心电感的中心空腔移动匹配。
8、在其中一些实施例中，所述检波电路为检波电阻，检波电阻串联在功率放大器的输出端与mcu系统的输入端之间。
9、在其中一些实施例中，所述电流电压取样电路为串联在线性阻抗匹配器的输出端上的取样电阻，双路ad同步采样电路的电压采样端与线性阻抗匹配器的输出端连接，双路ad同步采样电路的电流采样端与取样电阻两端连接。
10、在其中一些实施例中，所述双路ad同步采样电路的采样频率为声信号频率的100倍以上，采样位数为12位，输入电压范围为5vpp。
11、在其中一些实施例中，所述大功率空心电感的功率为超声波换能器最大输出功率的1.5倍以上。
12、在其中一些实施例中，所述mcu系统对伺服电机驱动系统控制信号输出的出发条件为，mcu系统计算双路ad同步采样电路采集的电压和电流相位差是否大于±5°。
13、在其中一些实施例中，mcu系统对伺服电机驱动系统控制信号输出实现方法为：
14、步骤1：将超声波换能器放置于水下或对其施加压力，功率放大器发出信号，检波电路将功率放大器的输出信号幅度大小传输到mcu系统，唤醒mcu系统开始进行双路ad同步采样；
15、步骤2：mcu系统根据采样的电压电流信号进行互相关计算，计算出电压与电流信号之间的相位差；
16、步骤3：mcu系统根据电压电流的相位差正负和数值大小，输出相应的控制参数到伺服电机驱动系统，通过伺服电机驱动系统驱动伺服电机转动；
17、步骤4：当相位差为正时，伺服电机反转，带动铁氧体磁芯往大功率空心电感外部移动，减小线性阻抗匹配器的电感值；当相位差为负时，伺服电机正转，带动铁氧体磁芯往大功率空心电感内部移动，增加线性阻抗匹配器的电感值。
18、在其中一些实施例中，所述线性阻抗匹配器的匹配范围与超声波换能器的等效阻抗相关，
19、根据超声波换能器在刚淹没水的等效电容进行谐振匹配，根据谐振频率点计算出线性阻抗匹配器的最小电感值，
20、线性阻抗匹配器的最大电感量由超声波换能器的最大工作水深或最大外施压时的等效电容决定。
21、在其中一些实施例中，所述线性阻抗匹配器的匹配电感大小其计算方式为：
22、由公式计算得出，
23、根据电感 l的值与磁芯的横截面积 ae成正比，而 ae的变化与丝杠下降的速度和时间成线性关系，则，整理后得；
24、式中 μ为大功率空心轴电感的磁导率、n为绕制匝数、 ae为磁芯的横截面积、le为磁路长度、 l为铁氧体磁芯的直径、 s为丝杠下降的速度、 t为时间。
25、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术打破了超声波换能器的原有定值匹配和匹配网络切换的方法，利用伺服电机对大功率可变电感器进行控制，实现超声波换能器在不同环境应力下的实时最佳阻抗匹配，可有效提高超声波换能器在不同水深及不同压力下的有功发射功率。
26、本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂，通过本申请的实施例对本申请进行详尽说明和了解。
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1.一种超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：包括功率放大器、超声波换能器、检波电路、线性阻抗匹配器、电流电压取样电路、双路AD同步采样电路、MCU系统和伺服电机驱动系统，
2.根据权利要求1所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述线性阻抗匹配器包括伺服电机、大功率空心电感、丝杠传动装置和铁氧体磁芯，伺服电机与丝杠传动装置的传动端连接，铁氧体磁芯安装在丝杠传动装置的移动端上，且铁氧体磁芯与大功率空心电感的中心空腔移动匹配。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述检波电路为检波电阻，检波电阻串联在功率放大器的输出端与MCU系统的输入端之间。
4.根据权利要求1所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述电流电压取样电路为串联在线性阻抗匹配器的输出端上的取样电阻，双路AD同步采样电路的电压采样端与线性阻抗匹配器的输出端连接，双路AD同步采样电路的电流采样端与取样电阻两端连接。
5.根据权利要求4所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述双路A
6.根据权利要求2所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述大功率空心电感的功率为超声波换能器最大输出功率的1.5倍以上。
7.根据权利要求2所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述MCU系统对伺服电机驱动系统控制信号输出的出发条件为，MCU系统计算双路AD同步采样电路采集的电压和电流相位差是否大于±5°。
8.根据权利要求7所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：MCU系统对伺服电机驱动系统控制信号输出实现方法为：
9.根据权利要求8所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述线性阻抗匹配器的匹配范围与超声波换能器的等效阻抗相关，
10.根据权利要求9所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述线性阻抗匹配器的匹配电感大小其计算方式为：
...【技术特征摘要】
1.一种超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：包括功率放大器、超声波换能器、检波电路、线性阻抗匹配器、电流电压取样电路、双路ad同步采样电路、mcu系统和伺服电机驱动系统，
2.根据权利要求1所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述线性阻抗匹配器包括伺服电机、大功率空心电感、丝杠传动装置和铁氧体磁芯，伺服电机与丝杠传动装置的传动端连接，铁氧体磁芯安装在丝杠传动装置的移动端上，且铁氧体磁芯与大功率空心电感的中心空腔移动匹配。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述检波电路为检波电阻，检波电阻串联在功率放大器的输出端与mcu系统的输入端之间。
4.根据权利要求1所述的超声波换能器自适应线性阻抗匹配电路，其特征在于：所述电流电压取样电路为串联在线性阻抗匹配器的输出端上的取样电阻，双路ad同步采样电路的电压采样端与线性阻抗匹配器的输出端连接，双路ad同步采样电路的电流采样端与取样电阻两端连接。
5.根据权利要求4所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：解鹏飞，张军，王一宇，王家恒，费腾，焦海波，
申请(专利权)人：杭州应用声学研究所中国船舶集团有限公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：
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