超聲波換能器的匹配設(shè)計(jì)

1、超聲波換能器的匹配設(shè)計(jì)一、匹配概述超聲波發(fā)生器與換能器匹配包括兩個(gè)方面，一是通過匹配使發(fā)生器向換能 器輸出額定的電功率，這是由于發(fā)生器需要一個(gè)最佳的負(fù)載才能輸出額定功率所 致，把換能器的阻抗變換成最佳負(fù)載， 也即阻抗變換作用；二是通過匹配使發(fā)生 器輸出效率最高，這是由于換能器有靜電抗的原因，造成工作頻率上的輸出電壓 和電流有一定相位差，從而使輸出功率得不到期望的最大輸出， 使發(fā)生器輸出效 率降低，因此在發(fā)生器輸出端并上或用上一個(gè)相反的抗， 使發(fā)生器負(fù)載為純電阻， 也即調(diào)諧作用。由此可見匹配的好壞直接影響著功率超聲源的產(chǎn)生和效率。 二、阻抗匹配為了使功率放大器輸出額定功率最大； 在電源電壓給定條

2、件下主要取決于負(fù) 載阻抗。一般在D類開關(guān)型功放中其發(fā)生器變壓器初級(jí)等效負(fù)載 Rl'上的輸出功 率表達(dá)式為：1 卜 Am 戶口二5RT式中，VAm為等效負(fù)載上的基波幅度；I 丁 =：（一2"vces為功放管飽和壓降，故vcc為電源電壓;為了保證系統(tǒng)有一定功率余量（因輸出變壓器，末級(jí)匹配回路及晶體管損耗 電阻都有損耗，po'需要乘上一個(gè)約等于1. 4-1. 5的系數(shù)。即輸出功率po為1. 5Po'從上式可知，在電源電壓給定之后，輸出功率的大小取決于等效負(fù)載 RL'c 目前大多數(shù)功率超聲發(fā)生器的負(fù)載為壓電型換能器， 其阻抗約為幾十歐姆至幾百 歐姆問，為了要達(dá)

3、到要求的額定功率，因此需要對(duì)換能器負(fù)載RL進(jìn)行阻抗變換. 由高阻抗變換為低阻抗。一般常用的方法，通過輸出變壓器的初次級(jí)線圈的匝數(shù).比進(jìn)行變換。變壓器次初級(jí)匝數(shù)比為 n/m,則輸出功率PO時(shí)的初級(jí)電阻舉例：要求一發(fā)生器輸出在換能器上的功率為1000W,設(shè)直流電VCC為220V, VCES=10V,功率應(yīng)留有一定余量，則 PO=1.5PO'=1500W。則變壓器初 級(jí)的2 （匕¥二2匕.）1_2 （220IVPE1500XM6.5 Q若換能器諧振時(shí)等效電阻RL = 200Q,則輸出變壓器次級(jí)/初級(jí)圈數(shù)比N=200以上稱謂阻抗變換，是通過輸出變壓器實(shí)行的。輸出變壓器是超聲波發(fā)生器阻

4、抗匹配、傳輸功率的重要部件，它的設(shè)計(jì)與繞 制工藝對(duì)發(fā)生器的工作安全是十分重要的。它不僅會(huì)以漏感、勵(lì)磁電流等方式影 響電路的工作，其漏感還是形成輸出電壓尖峰的主要原因。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng) 選取具有高磁通密度B,高導(dǎo)磁率內(nèi)高電阻率pc和低矯頑力Hc的高飽和材 料作鐵芯。一般在防止高頻變壓器的瞬態(tài)飽和時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意如下幾點(diǎn)：1 .工作磁通密度B的選取鐵芯材料的磁感應(yīng)增量 A B愈大，所需線圈匝數(shù)愈少，直流電阻 R也愈小， 從而線圈的銅損Pm也愈小。A B取得高時(shí)，傳輸?shù)拿}沖前沿就愈陡。因此，在 設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，選取高磁通密度的材料作鐵芯， 這對(duì)降低變壓器的損耗、減小體 積和重量都是很有利的。為了避

5、免在穩(wěn)態(tài)或過渡過程中發(fā)生飽和， 一般選取工作 磁通密度B<Bs/ 3為宜，這里Bs為磁芯的最大和磁通密度。2 .要保證初級(jí)電感量足夠大一般要求變壓器初級(jí)阻抗應(yīng)滿足下式關(guān)系：WLl >15RL',其中RL'為次級(jí)WLl為初級(jí)電感感抗，若初級(jí)電感量太小，勵(lì)負(fù)載所算到初級(jí)邊的等效電阻值，陽(yáng)1.52出和換代粕的阻憂（申興）和導(dǎo)納（開腹）磁電流將比較大，勵(lì)磁電流過大，變壓器的損耗將增加，溫升隨之增高，從而降 低Bs,使變壓器進(jìn)入飽和的可能性增大。3 .要考慮“集膚效應(yīng)”的影響在高頻工作時(shí)，流過導(dǎo)線的電流會(huì)產(chǎn)生“集膚效應(yīng)”。這相當(dāng)于減少了導(dǎo)線 有效截面積，增加了導(dǎo)線的電阻，從而

6、引起導(dǎo)線的壓降增大，導(dǎo)致變壓器溫度升 高，結(jié)果增大了變壓器進(jìn)入飽和的危險(xiǎn)性，建議采用小直徑的多股導(dǎo)線并繞的方 法。三、調(diào)諧匹配由于壓電換能器有靜電容Co,磁致伸縮換能器有靜電感LO,在換能器諧振 狀態(tài)時(shí)，換能器上的電壓VRL與電流IRL間存在著一相位角 八具輸出功率PO= VRLIRLcos加由于小的存在，輸出功率 達(dá)不到最大值。只有當(dāng)（|）=0時(shí)，輸 出功率達(dá)最大值。因此為了使換能器上電壓 VRL與電流IRL同相（小=0）則必 須在換能器上，并上或用上一個(gè)相抵消的抗。對(duì)于壓電換能器而言，即并上或申 上一 個(gè)電感L0即可，而磁致伸縮換能器應(yīng)并上或用上一個(gè)電容 C0o壓電換能器的阻抗或?qū)Ъ{等效電

7、路如圖1. 52所示在等效電路圖中式中R'，X'為串聯(lián)電阻和電抗；R，G，B為并聯(lián)電阻、電導(dǎo)和電納。它們都是頻率 的函數(shù)。并聯(lián)調(diào)諧和串聯(lián)調(diào)諧電感量由下式確定：1 _x(fjX (fj'卜面我們比較一下兩種調(diào)諧的差異 圖1-53, 1-54是一種換能器兩種調(diào)諧計(jì)算曲線，由計(jì)算表明，g Eu/( KHz )加W換他器在怦聯(lián)網(wǎng)諧后的電導(dǎo)，電游響桓曲經(jīng)1 .由于換能器的串聯(lián)電抗比并聯(lián)電抗小，故有 L用1并2 .并聯(lián)調(diào)諧不改變換能器并聯(lián)電導(dǎo)響應(yīng)，而串聯(lián)調(diào)諧后電導(dǎo)響應(yīng)呈雙峰， 導(dǎo)納圓圖為二個(gè)重疊的圓。3 .串聯(lián)調(diào)諧的有功阻比并聯(lián)調(diào)諧后有功阻小，即串聯(lián)調(diào)諧可獲得相對(duì)低的 輸入電阻。4

8、 .從申、并聯(lián)調(diào)諧的輸入相角過零點(diǎn)情況看，作為寬帶特性并聯(lián)調(diào)諧優(yōu)于 串聯(lián)調(diào)諧。5 .目前在功率超聲中用串聯(lián)調(diào)諧較多，除上述串聯(lián)的特性外，還有當(dāng)換能 器負(fù)載有短路現(xiàn)象時(shí)，因串聯(lián)調(diào)諧有電感用在發(fā)生器輸出回路中，不會(huì) 使功放負(fù)載造成完全短 路。在實(shí)際匹配電路調(diào)節(jié)中，有時(shí)要稍調(diào)獲感性 負(fù)載為好，對(duì)功放電路有利，有的末極功放發(fā)射極上用上一小電感可能 也有好處。前面也曾提到，作為電壓開關(guān)的 D類功放，容性負(fù)載造成對(duì) 高次諧波的短路作用，會(huì)給開關(guān)帶來危險(xiǎn)。但也要注意感性負(fù)載會(huì)使管 子反峰電壓增加。四、關(guān)于匹配電感的設(shè)計(jì)匹配電感通常就是鐵蕊線圈的電感，其電感量可按下式計(jì)算。式中為線圈匝數(shù)，Sc為鐵芯有效截面積

9、(cm2)； lc鐵芯平均磁路長(zhǎng)度(cm)；祖e鐵芯有效磁導(dǎo)率,式中，仙族芯磁導(dǎo)率，lg鐵芯中非磁致間隙長(zhǎng)度(cm);因?yàn)閘g/lc1/小士所以xicr”CH)由此可見電感L與間隙lg近似成反比，調(diào)節(jié)lg間隙即可調(diào)節(jié)LO設(shè)計(jì)電感有以下幾個(gè)步驟;(1)按wc選鐵芯式中V為輸出電壓有效值(V) ; f為工作頻率(Hz); B為鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度。 一般選MXO 2000E型磁芯較多，匝數(shù)計(jì)算如下；V 一* 44#$X104(2)計(jì)算磁芯間隙lg(3)確定導(dǎo)線考慮到高次諧波和超聲頻率較高，順計(jì)及高頻電流的鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)的因素。當(dāng)f>10kHz時(shí)由鄰近效應(yīng)引起的交流電阻 R-約為其直流電阻Rd的210倍，銅耗pr也要比直流銅耗Pro增大同樣倍數(shù)。令增大倍數(shù)為 k,則：Pr=kPro因此，為維持電感線圈的正常升溫，電流密度必須按照常規(guī)允許值的1/k-1來選擇。關(guān)于集膚效應(yīng)，常用高頻電流的穿透深度 B來表