一种变频变幅超声换能器、其驱动电路及使用方法

1.本发明涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种变频变幅超声换能器、其驱动电路及使用方法。


背景技术：

2.超声换能器由于其结构简单、机电转化效率高等优点，被广泛采用，尤其适用于超声骨刀、超声洁牙机等医用场景。因其品质因数较高，一般可以达到几百甚至上千，超声换能器在其设计调试完毕后，其谐振频率随之确定。而超声换能器在其谐振频率附近工作时，工作效率最高。现有的超声换能器固有频率与其机械结构有关，如cn108654967a中非工作状态下的超声换能器的谐振频率固定、无法调节，固有谐振频率不可改变且使用开环控制，所以在应对不同工况工作时因固有频率无法改变的特性，其适应度较低，导致工作效率降低。在应对不同工况时，超声换能器机械特性发生变化，其固有的谐振频率因此发生改变。现有的超声换能器控制电路如“卢斌.超声波换能器谐振频率跟踪方法研究[d].重庆大学,2012.”中，无法根据其已经改变的机械谐振频率进行电信号频率的补偿和调节，因此导致超声换能器不能处于谐振状态下工作，效率变低。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于针对现有超声换能器的不足，提出一种变频变幅超声换能器、其驱动电路及使用方法。超声换能器的固有频率可以通过接入不同数值的电感进行调节改变，通过驱动电路使超声换能器的工作频率和工作振幅达到可控状态。本发明通过接入负载电感，对超声换能器的固有谐振频率进行调节，同时采用闭环电路控制，实现超声换能器固有谐振频率的调节以及工作时谐振频率的补偿。
[0004]
本发明的技术方案如下：一种变频变幅超声换能器，包括预应力螺栓1、后端盖2、压电晶堆3、电极片4、前端盖5和变幅杆6；后端盖2、压电晶堆3、前端盖5和变幅杆6依次通过一根预应力螺栓1连接；压电晶堆3为多片压电陶瓷片组成的夹心式结构，其分为激励晶堆和调频晶堆；每片压电陶瓷片两侧均连接电极片4，电极片4连接电路。所述压电陶瓷片设有4片，其中两片压电陶瓷片组成激励晶堆，另外两片压电陶瓷片组成调频晶堆。压电陶瓷晶堆在高频交流电的激励下，通过压电效应，将电能转化为高频振动的机械能。预应力螺栓1为变频变幅超声换能器提供一定程度的预紧力，保证压电陶瓷晶堆在工作过程中始终处于压缩状态，延长换能器的寿命。
[0005]
所述调频晶堆的压电陶瓷片的电极片4接入电感电路，用以调整变频变幅超声换能器的固有频率；激励晶堆的压电陶瓷片的电极片4接入激励电路，用于对变频变幅超声换能器进行激励及自动追频。
[0006]
为了提高换能器的向前辐射功率和前后振幅放大比，往往使用声阻抗较大的材料作为后端盖2，声阻抗较小的材料作为前端盖5。所述变幅杆6为压电变幅杆，其为阶梯型变幅杆；所述变幅杆6和前端盖5的材料为硬铝合金；所述后端盖2的材料为钢。前端盖5和后端
盖2的存在弥补了压电陶瓷原本机械性能差的缺点。
[0007]
所述压电陶瓷片的个数为奇数时，后端盖2、压电晶堆3和前端盖5连接处增设绝缘片；所述压电陶瓷片的个数为偶数时，后端盖2、压电晶堆3和前端盖5三者直接接触。
[0008]
一种用于接入变频变幅超声换能器的驱动电路，包括数字可调电感电路和激励电路；本驱动电路实现了对本发明中的变频变幅超声换能器进行变频、变幅、自动追频等功能。
[0009]
所述数字可调电感电路为由多组电磁继电器控制的电感电路，其连接调频晶堆，实现变频；电磁继电器由激励电路中的stm32系统板的多路信号控制；
[0010]
所述激励电路包括电源模块、stm32系统板、直流偏置模块、kdt带通滤波器、ad620放大器、ad8302相位检测器、opa189电压跟随器、采样电阻a、采样电阻b、电容、功率放大器、变压器线圈、显示屏幕、薄膜按钮；
[0011]
电源模块、stm32系统板、直流偏置模块、kdt带通滤波器、功率放大器和变压器线圈、变频变幅超声换能器的激励晶堆、采样电阻b和电容、opa189电压跟随器、ad620放大器和ad8302相位检测器依次连接；采样电阻a并联于变频变幅超声换能器的激励晶堆的两端，用于对电压信号进行采样；采样电阻b和电容用于对电流信号进行采样，且采样时对电流信号进行偏置；
[0012]
ad8302相位检测器连接至stm32系统板用以反馈信号，stm32系统板据此改变其驱动变频变幅超声换能器的正弦信号频率，达到追频效果；
[0013]
ad8302相位检测器用于对采样得到的电压信号和电流信号进行相位比较；
[0014]
stm32系统板连接至显示屏幕和薄膜按钮用于对驱动电路进行显示、控制，实现人机交互。
[0015]
基于stm32系统板设计嵌入式控制系统，实现对本发明所设计的变频变幅超声换能器驱动、交互功能。
[0016]
所述数字可调电感为二进制数字可调电感，其用于与调频晶堆连接改变变频变幅超声换能器的固有谐振频率；数字可调电感包括七组电磁继电器，用于控制各组不同电感值的组合电路的开关；电磁继电器由stm32系统板的高低电平信号进行控制；当给出高电平信号时，所在的电磁继电器接通，电感值叠加。
[0017]
一种用于接入变频变幅超声换能器的驱动电路使用方法，包括步骤如下：
[0018]
s1、接通电源模块电源后，所有模块通电，首先基于查表的方式，由stm32系统板输出定频定幅的正弦波信号，频率计算公式为：
[0019][0020]
f为stm32系统板输出的正弦波频率；f0为stm32系统板芯片主频；pre、per为自定参数；
[0021]
s2、经stm32系统板输出的初始正弦波信号依次经过直流偏置模块、kdt带通滤波器、功率放大器、变压器线圈后形成驱动变频变幅超声换能器工作的驱动信号；
[0022]
s3、对变频变幅超声换能器中的电压信号、电流信号进行采样；
[0023]
s4、对采样的电压信号、电流信号进行放大处理；
[0024]
s5、放大后的采样信号通过ad8302相位检测器，获得两信号的相位差并与ad8302
相位检测器的vphs引脚输出电压进行比较，获得相位差与vphs引脚输出电压的关系图；
[0025]
s6、stm32系统板读取vpshs引脚电压，通过程序调整输出频率，使变频变幅超声换能器在谐振频率附近工作，一般在谐振频率的上下50hz以内，以此达到追频效果。
[0026]
所述追频效果的具体实现如下；当ad8302相位检测器的vphs电压低于阈值一时，利用公式(1)对stm32系统板输出的初始信号进行频率叠加；当ad8302相位检测器的vphs电压低于阈值二时，利用公式(1)对stm32系统板输出的初始信号进行频率降低。
[0027]
本发明对变频变幅超声换能器采用等效电路法进行分析，以电路的形式表现超声换能器的机电特性。当变频变幅超声换能器工作在谐振频率附近时，对超声电源来说相当于连接了一个并联了c0电容的lcr电路，如图2所示，根据此条件建立变频变幅超声换能谐振的频率方程。
[0028]
变频变幅超声换能器前后空载时，结合串并联电路理论，可将变频变幅超声换能器的等效电路简化为图3所示。其中，z1＝ρ1c1s1，z2＝ρ2c
e2
s2；ρ代表材料密度；c代表材料中纵波声速；ce代表压电陶瓷晶堆的等效纵波声速；s代表材料截面积；k代表材料中纵波波数；p代表压电陶瓷的片数；l代表材料长度。对于z
x
，当接入的负载为电感时，z
x
由以下公式获得。
[0029][0030]
由公式可知，当变频变幅超声换能器接入电负载时，变频变幅超声换能器的谐振频率均呈现出随接入的负载电感数值增大而单调减小的趋势，且接入电感后调频范围在10khz以上。
[0031]
当调频晶堆外接负载电感时，其等效电路可以看做外接一定量的阻抗，从而引起变频变幅超声换能器固有谐振频率发生变化。因此，通过改变接入变频变幅超声换能器外接电感的数值值来改变变频变幅超声换能器的谐振频率。
[0032]
由于变频变幅超声换能器在加工过程中的应力集中现象，以及压电陶瓷片的个数，变幅杆的机械结构和预应力大小不同，都会影响变频变幅超声换能器的工作效率，而且变频变幅超声换能器的各部分需要处在一个良好的耦合状态下，否则会产生非轴向振动。因此，变频变幅超声换能器的机械结构必须进行订制加工，以确保元件的准确性和实验结果的可靠性。
[0033]
变频变幅超声换能器的工作模态为沿轴向谐振，同时将振动传递至变幅杆6末端；通过改变激励电路电压的大小来实现振幅的调节。
[0034]
因此，本发明设计的变频变幅超声换能器通过调频晶堆外接负载电感，可以对变频变幅超声换能器的谐振频率进行改变，以此达到预期的变频效果。
[0035]
本发明的有益效果：该发明具有工作频率可调、通用性好、工作效率高、工作状态直观等效果。所提出的变频变幅超声换能器可以改变超声换能器的固有频率以及对谐振频率进行补偿、追踪，提高了超声换能器的工作效率；针对在复杂工况条件下工作的超声换能器存在的因固有谐振频率改变而导致工作效率降低的问题，提出一种可以进行频率追踪的驱动电路实现对变频变幅超声换能器的固有频率进行调节。通过二进制数字可调电感，可以任意调节固有频率，非常灵活且很容易适应不同工况条件及工作任务。
附图说明
[0036]
图1为变频变幅超声换能器的结构示意图；
[0037]
图2为变频变幅超声换能器工作在谐振频率附近时的等效电路图；
[0038]
图3为变频变幅超声换能器前后空载时的等效电路图；
[0039]
图4为一种变频变幅超声换能器的有限元模型示意图；(a)为模型示意图；(b)为网格划分后的模型示意图；
[0040]
图5为谐振频率随电感值的变化曲线图；
[0041]
图6为采样电路示意图；
[0042]
图7用于接入变频变幅超声换能器的驱动电路使用方法的流程图；
[0043]
图8为相位差与vphs引脚输出电压的关系图；
[0044]
图9为数字可调电感接入调频晶堆的示意图。
[0045]
图中：1-预应力螺栓；2-后端盖；3-压电晶堆；4-电极片；5-前端盖；6-变幅杆。
具体实施方式
[0046]
将本发明中的变频变幅超声换能器的各部分材料属性参数输入至comsol中，最后将变频变幅超声换能器模型进行网格划分，得出如下有限元模型，如图4。
[0047]
考虑到实际应用中需要对变频变幅超声换能器进行夹持，所以进行理论节面有约束条件下有限元分析，设定特征频率搜索基准值为50k hz，所需特征频率数为6，计算可得理论节面有约束条件下变频变幅超声换能器的特征频率分析结果。
[0048]
对本发明设计的变频变幅超声换能器进行电感值-频率调试，得到如图5所示的结果。
[0049]
驱动电路部分包括数字可调电感电路和激励电路；所述数字可调电感电路为由多组电磁继电器控制的电感电路，其连接调频晶堆，实现变频；电磁继电器由激励电路中的stm32f407igt6系统板的多路信号控制；
[0050]
激励电路包括电源模块、stm32f407igt6系统板、直流偏置模块、kdt带通滤波器、ad620放大器、ad8302相位检测器、opa189电压跟随器、采样电阻a、采样电阻b、电容、功率放大器、变压器线圈、显示屏幕、薄膜按钮。
[0051]
电源模块将输入的市电220v转换为5v、
±
12v的电压，为stm32f407igt6系统板、直流偏置模块、kdt带通滤波器、ad620放大器、ad8302相位检测器、opa189电压跟随器提供电源；stm32f407igt6系统板用于产生驱动变频变幅超声换能器的正弦信号，同时接收ad8302相位检测器的反馈信号，以该信号为基准，改变电路中电信号的频率，对变频变幅超声换能器频率进行补偿。
[0052]
直流偏置模块用于对stm32f407igt6系统板产生的正弦信号进行初步滤波与信号放大；kdt带通滤波器用于对通过直流偏置模块后的信号进行二次滤波；采样电阻a用于对电路中电压信号进行采样；采样电阻b、电容用于对电路中电流信号进行采样；功率放大器、变压器线圈用于对通过kdt带通滤波器的信号进行功率放大和电压放大；opa189电压跟随器用于对所述采样电阻a两端信号进行电压跟随；ad620放大器用于对电流信号进行放大；ad8302相位检测器用于对电压信号和电流信号进行相位比较；显示屏幕、薄膜按钮用于对驱动电路进行显示、控制，实现人机交互。
[0053]
驱动电路的工作步骤如下：
[0054]
s1、接通电源模块电源后，所有模块通电，首先基于查表的方式，由程序控制tm32f407igt6系统板输出定频定幅的正弦波信号，频率计算公式为：
[0055][0056]
f为stm32f407igt6系统板输出的正弦波频率；f0为tm32f407igt6系统板芯片主频；pre、per为自定参数；
[0057]
s2、经tm32f407igt6系统板输出的初始正弦波信号依次经过直流偏置模块、kdt带通滤波器、功率放大器、变压器线圈后形成变频变幅驱动超声换能器工作的驱动信号；
[0058]
s3、对变频变幅超声换能器中的电压信号、电流信号进行采样，采样电路如图6所示；
[0059]
s4、对采样信号进行放大处理；
[0060]
s5、放大后的采样信号通过ad8302相位检测器，其信号相位差与ad8302相位检测器vphs引脚输出电压关系如图8所示；
[0061]
s6、stm32系统板读取vpshs引脚电压，通过程序调整输出频率，使变频变幅超声换能器在谐振频率附近工作，以此达到追频效果。
[0062]
本发明基于tm32f407igt6系统板设计了对变频变幅超声换能器进行谐振频率跟踪的电路，具体实现逻辑与方法为：
[0063]
变频变幅超声换能器处于谐振时，变频变幅超声换能器阻抗分析为纯阻性，此时变频变幅超声换能器的两端的电压信号与通过变频变幅超声换能器的电流信号的相位相同；
[0064]
根据图8可知ad8302相位检测器的vphs引脚输出电压与同频两路信号相位差的关系，当两路信号相位差为0时，vphs引脚输出电压值为1.8v；
[0065]
电流采样时利用所述采样电阻b与所述电容对电流信号进行90
°
偏置；
[0066]
将偏置后的电流采样信号与所述采样电阻a两端的电压采样信号同时发送给所述ad8302相位检测器后，当vphs引脚电压值在900mv时，变频变幅超声换能器处于谐振状态；
[0067]
由所述stm32f407igt6系统板的ad模块读取vphs引脚上的电压，当电压低于一定的阈值1时，利用公式(1)对da模块输出的初始信号进行频率叠加；当读取的电压低于一定的阈值2时，利用公式(1)对da模块输出的初始信号进行频率降低，以此达到对变频变幅超声换能器谐振状态追频的效果；
[0068]
本发明基于stm32f407igt6系统板设计开发了用于进行人机交互的界面、对变频变幅超声换能器两端电压幅值进行改变，具体实现方式为：
[0069]
在stm32f407igt6系统板上的flash写入程序，实现了在屏幕上显示当前变频变幅超声换能器工作的初始频率、电压幅值等内容；
[0070]
stm32f407igt6系统板产生的初始正弦信号根据查表法得到，因此，改变查表的数值即可对初始信号幅值进行改变；
[0071]
本发明设计了一种二级制可调数字电感，用于与变频变幅超声换能器的调频晶堆连接改变变频变幅超声换能器固有谐振频率，具体设计方案与使用方法如下：
[0072]
采用7组电磁继电器作为控制七组不同电感值的组合电路的开关，分别为1mh、
2mh、4mh、8mh、16mh、32mh、64mh；
[0073]
由stm32f407igt6系统板给出高低电平信号对电磁继电器进行控制，当给出高电平信号时，所在的电磁继电器接通，电感值叠加，由此可以获得步长为1mh，电感值范围在1mh～127mh的电感；
[0074]
如图9所示，将所述数字可调电感接入超声换能器调频晶堆，利用阻抗分析仪检测接入不同数值电感时变频变幅超声换能器谐振频率，建立谐振频率-电感值表。