壓電超聲換能器電感電容匹配電路的研究

壓電超聲換能器電感電容匹配電路的研究

在應用于高性能超聲的應用中，超聲傳輸設(shè)備通常由超聲裝置、電端對應電路和超聲波換能器組成。電端匹配電路的作用是保證超聲電信號能高效地傳輸給換能器。電感電容匹配電路可以實現(xiàn)較理想的匹配,但由于換能器工作受溫度升高等條件變化的影響,其輸入阻抗及諧振頻率將發(fā)生變化,若此時還用不變的參數(shù)進行匹配,必然導致電路不匹配,效率變低。對此,本文首先分析換能器幾個電參數(shù)(如C0、R1、L1和C1的)改變對匹配電路的影響規(guī)律,然后提出改進電路,實現(xiàn)電感電容匹配電路的最優(yōu)化。1u3000定性密度的確定圖1為超聲發(fā)生器原理框圖。其中,Z0=R0+jX0為電激勵發(fā)生器的輸出阻抗,X0為其電抗,當Z0=R0時為純阻性。Ze=Re+jXe為換能器加匹配網(wǎng)絡(luò)后的輸入阻抗,Xe為其電抗。換能器是一個抗性元件,其輸入阻抗為Zt=Rt+jXt,Xt為其電抗。根據(jù)最大功率輸出條件,所得理想的匹配條件為(式中j表示虛數(shù))R0=Re,X0=0(1)圖2為電感電容匹配電路的電原理圖。L、C分別為匹配電感和電容,該匹配電路的總阻抗為Ζe=Re+jXe=R11+ω2S(C+C0)2R21+j[ωSL-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21](2)式中ωS=1/√L1C1為換能器的串聯(lián)角頻率。此電路的理想匹配條件為R0=Re=R11+ω2S(C+C0)2R21(3)X0=Xe=ωSL-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21=0(4)因此,調(diào)整L和C的值可以實現(xiàn)理想的靜態(tài)匹配。由于一般功率超聲換能器的串聯(lián)頻率為幾十千赫茲,數(shù)量級為104Hz;C0一般為幾到十幾納法,數(shù)量級為10-9F;R1為幾十歐姆,數(shù)量級為102Ω,故式(3)分母項中的ω2S(C+C0)2R21的數(shù)量級為10-4,遠小于1,如果其變化的數(shù)量級不增加到104,則有1+ω2S(C+C0)2R21≈1(5)Re≈R1(6)Xe=ωSL-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21≈ωSL-ωSR21(C+C0)(7)當L1、C1不變,R1或C0變化時,式(6)、(7)說明對總電抗Xe有影響:C0或R1增大,Xe呈容性改變,反之呈感性改變;當C0、R1不變,C1或L1變化時,將ωS=1/√L1C1代入式(7),得Xe≈ωSL-ωSR21(C+C0)=[L-R21(C+C0)]1√L1C1(8)(1)若R1和C0均不改變,電路滿足匹配條件Xe=0,則無論C1或L1如何變化,Xe=0不變。(2)若R1和C0改變,電抗Xe隨C1或L1的平方根成反比例關(guān)系,但Xe的電抗性質(zhì)由R1和C0的變化決定。L>R21(C+C0)時,Xe只是感性改變,反之容性改變。2u3000xescd-sr21c+c0值的計算由上述分析知,只要減小C0和R1的影響,就可提高匹配電路對換能器電參數(shù)變化的適應能力。在電路中串聯(lián)匹配電容Cd,電原理圖如圖3所示。該匹配電路的的總阻抗為Ζe=Re+jXe=R11+ω2S(C+C0)2R21+j[ωSL-1ωSCd-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21](9)其電路的理想匹配條件為R0=Re=R11+ω2S(C+C0)2R21≈R1(10)X0=Xe=ωSL-1ωSCd-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21≈ωSL-1ωSCd-ωSR21(C+C0)=0(11)若滿足Cd<<(C+C0),當ωS為幾十赫茲時有:1ωSCd＞＞ωSR21(C+C0),則式(11)可寫成Xe≈ωSL-1ωSCd-ωSR21(C+C0)≈ωSL-1ωSCd(12)L1和C1不變,R1或C0變化時,由式(10)、(12)可知,只要合理選擇Cd和L的值,Xe幾乎不隨C0或R1改變。電路的改進效果較好,解決了上述問題,可以較理想地匹配。當C0和R1不變,C1或L1變化時,將ωS=1/L1C1代入式(12),得Xe≈1L1C1(L-L1C1Cd)(12)(1)當C1或L1增大時,(L-L1C1Cd)＜0?Xe呈容性改變,但其值還要乘上一個系數(shù)1/L1C1,該系數(shù)隨之減小,因而容性變化幅度要小一些。(2)當C1或L1減小時,(L-L1C1Cd)＞0?Xe呈感性改變,其值乘上了一個隨之增大的系數(shù)1/L1C1,因而感性變化要比容性變化的幅度大得多。3轉(zhuǎn)換電容的c、cd在改進電路中,只要Cd滿足一定的條件,選擇合適的L和C,影響電匹配的主要因素是C1和L1,并且引起的感性改變要遠大于容性變化,因而從匹配電路感性變化這方面進行改進較為現(xiàn)實。文獻測出了壓電陶瓷靜態(tài)電容隨溫度變化的曲線,據(jù)此提出的電路原理圖如圖4所示。將圖3電路中的電容Cd分成兩部分進行串聯(lián)或并聯(lián),本文選擇用Cd1和變?nèi)荻O管Cd2串聯(lián)組成,其匹配原理為:當換能器溫度變化時,其電參數(shù)改變,引起的匹配電路感性改變。同時感溫電阻阻值也隨之改變,并控制變?nèi)荻O管的反向偏壓,改變其電容量,補償匹配電路的感性改變,則匹配電路總電抗改變?yōu)?,達到穩(wěn)定匹配的目的。4溫度對匹配電路匹配能力的影響實驗樣品是夾心壓電陶瓷超聲換能器,靜態(tài)時:R1=20Ω,C1=343.255pF,L1=168.781mH,C0=8.63nF。根據(jù)上述要求Cd?(C+C0),經(jīng)仿真實驗,滿足穩(wěn)定匹配條件的經(jīng)驗值是:C=(1或5)C0?Cd＜110或100(C+C0)L可根據(jù)匹配條件計算得出。本文選用負溫度系數(shù)的電阻Rt1和Rt2作為換能器溫度的采樣電阻。兩個溫變電阻保證加到變?nèi)荻O管上的反向偏壓,能控制電容變化趨勢與C1和L1影響匹配電路的感性變化趨勢相同,確保最優(yōu)匹配。用流過L的電流和加到匹配電路電壓的相位差變化反應匹配程度,也就反映了換能器工作時,溫度對其參數(shù)的影響造成匹配電路的改變情況,相位差越大,匹配電路匹配能力越差。實驗方法為分別測量匹配電路在變?nèi)荻O管Cd1工作和不工作兩種情況下,相位差隨溫度的變化。實驗結(jié)果的關(guān)系擬合曲線如圖5所示。比較曲線可見,改進的匹配電路加上變?nèi)荻O管控制后,更能適應換能器工作時溫度變化引起的參數(shù)改變,同時Cd1未工作時仍有相位差的改變,這主要是由于C1和L1引起的容性變化所至。5換能器的c0對于改進的電容-電感匹配電路來講,當超聲功率換能器工作頻率在幾十千赫茲時,如果選擇C滿足Cd?(C+C0)的關(guān)系,匹