毕业设计（论文）-超声波治疗仪器设计.doc

编号 淮安信息职业技术学院淮安信息职业技术学院 毕毕业业论论文文 题 目 超声波治疗仪器 学生姓名 学 号 系 部电气工程系 专 业机电一体化 班 级 指导教师 顾问教师 二一一年十月 摘要 II 摘摘 要要 超声波是频率高于 20KHz 的机械波，它可由多种能量转换器转变而成。目 前，医用超声波的范围多在 115MHz，是由压电晶体在交变电场作用下发生机 械振动而产生。适当剂量的超声照射生物组织可以起促进生长、康复和调节机 能的作用。在国内重庆海扶(HIFU)技术有限公司多年来从事超声治疗设备的研 制，其海扶刀、海扶妇科超声治疗仪等超声设备一直处在国内的领先地位。此 种设备由于精密度高、功能强大，治疗效果明显而受各大医院的青睐。但针对 目前流行的家庭治疗，由于其体积大、操作复杂、价格昂贵，很难被家庭采用。 目前国内市场上较为流行的针对家庭应用的微型超声治疗仪大多数结构相似， 存在着如制作工艺差，自动化程度低，操作繁杂，可调节声功率范围窄，自动 保护功能弱等共同缺陷。为此，该课题借鉴美国一种便携式智能型超声治疗设 备，研制了一种单片机控制系统，它以 T89C51 单片机为核心控制部件，对超声 波治疗仪的输出量、治疗方式及时间进行精确可靠的控制，使之智能化、小型 化，从而在临床治疗中更加安全、有效、方便。 关键词关键词：超声治疗 海扶技术 单片机 开关电源 目录 II 目目 录录 摘摘 要要I 目目 录录II 第一章第一章 系统概述系统概述1 1.1 超声治疗概述1 1.1.1 超声波的产生1 1.1.2 超声治疗的发展过程1 1.1.3 治疗超声的声场描述2 1.1.4 超声治疗的机理4 1.2 超声治疗仪的整体设计方案5 1.2.1 系统主要性能指标预定5 1.2.2 系统采用的技术手段与系统框架6 第二章第二章 超能转换器超能转换器7 2.1 超声换能器概述7 2.1.1 超声换能器的发展简史7 2.1.2 超声换能器的主要性能指标7 2.2 超声压电换能器9 2.2.1 超声换能器的分类9 2.2.2 电致伸缩效应9 2.2.3 振子振动模式介绍10 第三章第三章 高频正弦波产生电路的实现高频正弦波产生电路的实现11 3.1 电源技术概述11 3.1.1 电源技术的分类与应用11 3.1.2 电源技术的基本内容11 3.2 开关电源概述13 3.2.1 开关电源的技术指标13 3.2.2 开关电源的基本原理15 3.2.3 开关电源的分类形式16 3.3 开关电源的基本电路17 3.3.1 线路低通滤波器和输入整流滤波电路17 3.3.2 常见的功率变换电路18 3.3.3 驱动电路21 3.3.4 开关电源集成控制器的介绍24 3.4 本系统开关电源的设计与实现29 3.4.1 高频开关电源的噪声及其抑制29 3.4.2 系统的设计方案30 第四章第四章 系统抗电磁干扰的对策研究系统抗电磁干扰的对策研究31 4 . 1 系统的电磁兼容性试验设计 31 目录 IIIIII 4 . 2 家用和类似用途设备的电磁兼容认证标准及检验项目 32 4 . 3 抗扰度测试仪介绍 32 4 . 4 静电设计及其抑制对策 33 4 .4 .1 静电放电模拟器33 4 .4 .2 静电的处理方法35 4 . 5 电快速瞬变群脉冲设计及其抑制对策 36 4 .5 .1 电快速瞬变群脉冲发生器37 4 .5 .2 电快速瞬变群脉冲实验数据分析39 4 .5 .3 抑制电快速瞬变群脉冲干扰方法42 4 . 6 浪涌发生器干扰设计及其抑制对策 43 4 . 6 . 1 浪涌产生的原因44 4 . 6 . 2 浪涌发生器44 4 . 6 . 3 浪涌实验数据分析45 4. 6. 4 抑制浪涌干扰方法48 4. 7 治疗仪的 EMC 测试结果49 4. 8 本章小结50 第五章第五章 研究工作的总结研究工作的总结51 5.1 本课题所做的主要工作51 5.2 相关领域的技术发展动态51 5.3 系统改进的方向和可能采取的技术手段52 致致 谢谢53 参考文献参考文献54 附录附录 1 电路图电路图 156 附录附录 2 电路图电路图 257 第一章 系统概述 11 第一章第一章 系统概述系统概述 随着计算机软、硬件技术、电子技术及信号处理技术的飞速发展，超声波 已在成像无损检测、测距、超声清洗、焊接应力释放、无损探伤、医疗等领域 获得了非常广泛的应用。超声波用于治疗主要是利用超声在人体组织中产生的 热效应、机械效应等，无创、深入人体病变部位，增强病变部位细胞膜的通透 性，加强细胞的代谢功能和活力，改善血液、淋巴液的循环，使其达到治疗、 康复、保健、美容的效果。为了使超声波产生足量的内生热效应、机械按摩和 理化作用及杀菌功能，必须有足够的超声强度和适当的频率。我们设计的大功 率超声治疗仪，其最大声功率可达 20W。考虑到操作方便和声头的使用寿命， 采用微处理器对声头空载进行检测，具有自动保护和自动恢复功能。 1.1 超声治疗概述超声治疗概述 .1 超声波的产生超声波的产生 18 世纪，意大利教士兼生物学家斯帕兰扎尼研究蝙蝠在夜间活动时，发现 蝙蝠是靠高频率的尖叫来确定障碍物的位置的。这种尖叫声在每秒 2 万到 10 万 赫兹之间，我们的耳朵对这样频率范围内的声波是听不到的。这样的声波称为 超声波。 在物理学中，人们把频率为 2104109Hz 的声波称为超声。 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体 上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是 用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械 方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声 波特性各不相同，因而用途也各不相同。 .2 超声治疗的发展过程超声治疗的发展过程 早在第一次世界大战末，法国物理学家 Langevin 在研究超声水下探测时， 就发现强超声波会对鱼类等小水生物产生致死效应。接着 Havery 时等人发现， 超声辐照可使动物体内温度升高，以致造成细胞结构损伤。 1922 年，德国出现了首例超声治疗机的发明专利，1939 年发表了有关超声 治疗取得临床效果的文献报道。但直到 1949 年召开的第一次国际医学超声学术 会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。 国内在超声治疗领域起步稍晚，于 50 年代初只有少数医院开展超声治疗工 作。公开的文献报道始见于 1957 年。50 年来，已经积累了相当数量的资料和比 较丰富的临床经验。 自 50 年代起，超声诊断技术越来越多地进入临床应用。开始为 A 型，继而 为 M 型，D 型(多普勒型)及 B 型，迅速推广普及。特别是到 70 年代以后，超声 诊断技术频繁地更新换代，日新月异，相形之下，超声治疗一时显得停滞。但 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 2 近：40 年来，超声治疗技术也步入新的发展时期，并在若干方面取得了突破性 进展。 目前的超声治疗内容已有很大进展，除一般超声治疗法之外，还包括诸如 超声药物透入疗法、超声雾化吸入疗法、超声穴位疗法(也称声针疗法)以及与其 他理疗技术协同应用的超声电疗法等等。特别引人瞩目的是超声外科、超声 透热治癌及体外机械波碎石术，它们的出现与发展已使超声治疗在当代医疗技 术中占据重要位置。 .3 治疗超声的声场描述治疗超声的声场描述 当患者接受超声治疗仪输出的超声辐照时，超声波对人体组织产生生物效 应的：可能性及程度，严格地讲，应决定于所有声场参数的时空分布情况。但 是，所有声场参数的测试几乎是不大现实的，为此需要选定少数重要的描述声 场的参数，这些参数应能适宜表述该仪器的声输出所产生生物效应的能力。有 若干可供选择的声场参数，诸如声压、质点振动位移、速度及加速度等。但通 常使用较多的是声压和声强。 声压 即声能的压力，代表超声波的强度。超声传播时在稠密区产生正压， 在稀疏区产生负压。超声波由于其频率甚高，因而声压亦甚大。中等治疗计量 的超声波在组织中产生的附加声压约为 2.6 个大气压。 声强 为单位时间内声能的强度，即在每秒内垂直通过每平方厘米面积的 声能。常用测量单位是瓦特/厘米 2(W/cm2)。临床常用治疗剂量为 0.12.5 w/cm2，而震耳欲聋的大炮声声强只相当于 00.0001 w/cm2，可见超声波在介质 中传播时，它的巨大能量会使介质质点产生很大的加速度。 1、 治疗超声的声压表述 当超声治疗仪声头中的压电晶片被高频交变电场激励时，它就进入相应的 振动状态。如果激励的交变电场在时间上是连续不间断的，压电片的振动在时 间上也是连续不间断的，此时它发射的超声波便是连续波波形，如图 1-1 所示。 时间 声 压 图 1-1 连续超声波的声压随时间变化的波形图 第一章 系统概述 33 强声 时间 WP 图 1-2 脉冲超声波的声压随时间变化波形图 图 1-1 给出的是声压波形(也可以是质点振动位移、速度等)，图中 T 为声波 的振动周期。如该声波频率为 1MHz。则 T 为 1us。当该超声波经耦合剂传播入 人体内之后，在声波传播的路程上，人体组织细胞也以 1MHz 的频率进入振动 状态，振动声压也如该图所示。 治疗超声波也常取脉冲波形，这时用于激励声头的高频电场在时间上不再 是连续的，而是一系列等幅脉冲波列，如图 l-2 所示。 在图 1-2 中，一个脉冲从起始到终止的时间称为脉冲宽度，示为：两个 P W 相邻脉冲对应部位(如取脉冲的起始点)的时间间隔，称为脉冲周期，示为，则 P T 相应的脉冲重复频率为。并定义 pp TIf/ pp TWF/ 为脉冲的发射因子，亦常称为占空比(duty factor)。 2、 治疗超声的声强表述 当治疗机工作在连续波状态时，它发射的声强波形如图 1- 3 所示。其中的 时间峰值声强示为 1TP (TP 为 Temporal peak 的缩写)，且(p 与 C 为PCP TP /1 2 媒质的密度和声速)；时间平均声强示为 1TA (TA 为 Temporal Average 的缩写)， 在超声治疗仪上标示的声强就是此声强。 强声 时间 ITP ITA 图 1-3 连续超声波声强随时间的变化 在矩形脉冲波情况下，其声强波形如图 1-4 所示，此时的脉冲平均声强示为 IPA(PA pulse Average 的缩写)。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 强声 时间 ITP ITA ITA 图 1-4 脉冲超声波声强随时间的变化 在脉冲超声波情况下 IPA 与 ITA 之间的关系示为，当 F 逐渐： PATA IFI 增大到等于 1 的时候，此时便成为连续波了。 TAPA II .4 超声治疗的机理超声治疗的机理 与短波和微波治疗不同，超声对一些病理区域可以有选择地进行加热。在 软组织中，加热效应是由纵波引起的，而在骨头中则是由纵波和剪切波两者共 同引起的。斜入射时，剪切波对骨头的加热起了重要的作用。 1、超声热现象而致的生理效应 超声波作用于机体时可产生热，有些人将其称为“超声透热疗法” 。超声波 在机体内热的形成，主要是组织吸收声能的结果。其产热有以下特点： (1)由于人体各组织对声能的吸收量各有差异，因而产热也不同。一般超声 波的热作用以骨和结缔组织显著，脂肪与血液为最少。如在超声波， 2 5cmW 1.5 分钟作用时，温度上升在肌肉为 1.1 度，在骨质则为 5.9 度。 (2)超声波热作用的独特之处是除普遍吸收之外，还可选择性加热，主要是 在两种不同介质的交界面上生热较多，特别是在骨膜上可产生局部高热。这在 关节、韧带等运动创伤的治疗上有很大意义。所以超声波的热作用(不均匀加热) 与其他物理因子所具有的弥漫性热作用(均匀加热)是不同的。 (3)超声波产生的热将有 7982%由血液循环带走，1821%由邻近组织的 热传导散布，因此当超声波作用于缺少血液循环的组织时，如眼角膜、晶体、 玻璃体等则应十分注意产生过热，以免发生损害。 2、超声非热现象导致的生理效应 (1)机械作用 机械作用是超声波的一种基本的原发的作用。超声波在介质内传播过程中 介质质点交替压缩与伸张形成交变声压，不仅可使介质质点受到交变压力(在治 疗剂量下，每一细胞均受 48mg 压力变化影响)及获得巨大加速度而剧烈运动， 相互摩擦，而且能使组织细胞产生容积和运动的变化，可引起较强的细胞浆运 动(原浆微流或称环流)，从而促进细胞内容物的移动，改变其中空间的相对位置 (据观察，强度不大的超声波能使红细胞的原浆颗粒旋转，剂量大时甚至颗粒被 第一章 系统概述 55 抛出细胞外)，显示出超声波对组织内物质和微小的细胞结构的一种“微细按摩” 的作用。 超声波的机械作用可软化组织、增强渗透、提高代谢、促进血液循环、刺 激神经系统及细胞功能，因而有重要的治疗意义，在超声治疗机理中占重要地 位。 (2)空化作用 空化对生物机体有很大的破坏作用。其原因是：第一，空化形成的气泡可 以达到某种程度的大小，以致在超声场中谐振，以机械方式破坏周围的组织。 第二，所释放的气体也有化学作用。空化会在人体的液体介质中发生，如眼睛、 怀孕子宫或在积有液体的关节处发生，因此应避免强超声照射这些部位。 （3)理化作用 基于超声波的机械作用和温热作用，可继发许多物理的或化学的变化，如： 氢离子浓度的改变 炎症组织中伴有酸中毒现象时，超声波可使 Ph 值向 碱性方面变化，从而使症状减轻，有利于炎症的修复。 对酶活性的影响 超声波能使复杂的蛋白质解聚为普通的有机分子，能影 响到许多酶的活性。如超声作用能使关节内还原酶和水解酶活性增加，目前认 为在超声治疗作用中水解酶活性的变化是起重要作用的。 近年来对超声作用机理的研究，已深入到细胞分子水平。在电镜下观察 发现，细胞内超微结构中线粒体对超声波的作用最敏感。核酸也很敏感，实验 发现低强度超声波作用可使细胞内胸腺核酸的含量增加，从而影响到蛋白质的 合成，刺激细胞生长。 在高强度的超声作用下，组织内可形成许多高活性的自由基，如 HO、OH、H2O2等，它们可加速组织内氧化还原过程，加速生长过程。 1.2 超声治疗仪的整体设计方案超声治疗仪的整体设计方案 .1 系统主要性能指标预定系统主要性能指标预定 一般情况下超声治疗仪的工作频率范围在 0.83MHz，依照不同穿透深度 选用。小功率治疗仪的发射强度一般在 0.253W/cm2之间，声头(发射换能器) 表面大小在 510 cm2 左右。根据预定治疗需要，本仪器工作频率定为 800KHz，发射强度的范围为 0.13W/cm，声头表面大小为 7cm2。 超声治疗仪拟订实现的功能： (l)有三种工作方式：连续波与脉冲波(占空比分别为 0.5 和 0.25)治疗方式。 (2)声头采用单一的换能器，应产生尽可能均匀的波束。 (3)声头发射的声功率，可以根据治疗需要以 0.5W 为步进进行调节。 (4)声头的损耗要小，用以防止在治疗过程中声头因出现过热状态而成为一 个表面热源。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 (5)仪器输出的功率和时间指示应严格校准。 (6)具有定时装置，自动地控制治疗时间。 (7)仪器工作稳定，治疗过程中应尽量减少噪声干扰。 .2 系统采用的技术手段与系统框架系统采用的技术手段与系统框架 本超声治疗仪由高频功率发生器、超声换能器(也称声头)和功能控制电路三 大部分构成。由高频功率发生器提供的高频电能，通过共振激发声头中的压电 晶片，压电晶片受到激发而振动时，其振动能量应从两个表面上向外双向辐射， 但实际上，因晶片后边是空气，空气与晶片之间声阻抗严重失配，振动能量基 本上辐射不出去，故大部分能量都从其前表面向外辐射。超声波经过超声耦合 计有效地进入人体和辐照病变部位，进行临床治疗。 高频功率发生器包括电源电路、功率转换电路、振荡电路和输出电路等儿 个部分。电源电路为系统提供必要的电源，功率转换电路为系统提供必要的高 压与功率。振荡电路产生高频振荡，并通过输出电路使之与压电晶片匹配，以 有效地激励晶片产生机械振动，发射超声波。 功能控制模块包括显示电路、功能设置电路、数据采集电路和输出控制电 路等。方案的总体设计如图 l-5 所示。 功 能 控 制 电 路 功能转换电路 电源转换电路 高频震荡电路 超能转换器 外接电源 （AC220V/50Hz） 高频率发生器 图 1-5 超生治疗仪总体框图 在所有超声应用中，超声波都是通过换能器产生的。所谓换能器，即指能 够实现不同形式能量之间相互转换的器件。 第二章 超能转换器 77 第二章第二章 超能转换器超能转换器 2.1 超声换能器概述超声换能器概述 超声学是物理学的重要分支，超声换能器是超声学的核心部分。超声换能 器有它自己独立的学科地位，它的研究方向是，研究尽可能满足工程实用要求 的声波阻抗、脉冲响应、频率响应、阻抗匹配、声学结构、技能材料及振动模 式等特性，并设计和协调这些基本特性，达到电与声之间的最佳转换。重点研 究压电现象、磁致伸缩现象及洛仑兹力三种机理。 .1 超声换能器的发展简史超声换能器的发展简史 超声换能器是实现声能与电能相互转换的器件。它可以把声能转换为电能， 也可以把电能转换为声能。最早的超声换能器是 1917 年 P.朗之万(P.Langevin)为 水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以 X 向切割的石英晶体为压电激 活材料，用两块钢板在两侧夹紧而制成的，其谐振频率为 17 千赫和 45 千赫等。 1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，以冲孔镍片为材料，强度高，稳定 性好，功率容量大，这些优点促使它迅速地取代了当时的朗之万换能器。1942 年出现了铝铁合金，降低了生产成本，因此被广泛采用。到了五十年代初， 电致伸缩材料、钦酸钡铁电陶瓷材料研究成功，它以介电损耗小，机电耦合 系数比较大和足够高的机械强度优于石英晶体、镍和一些合金材料，于是朗之 万型超声换能器再度被运用，并成为当时叠片型磁致伸缩换能器的有力竞争者。 五十年代中叶又发明了铁氧体磁致伸缩材料，它的特点是涡流损耗小，电声效 率达到 80%以上，比薄片镍做的磁致伸缩换能器，约高 23 倍，并且它兼有镍 和其他合金材料做成的磁致伸缩换能器的一些特有优点，例如强度比较高等。 此外，工艺上它是由铁氧体粉末经过简单模压烧结制成，换能器的形状可以根 据需要进行设计，所以直到现在，铁氧体换能器仍为广大设计者所欢迎，并广 泛地应用于各个工业领域。 从五十年代，锆钛酸铅压电陶瓷的发现、研制，到六十年代被推广使用， 前后花了近十年时间。它的应用在压电材料史上揭开了新的一页。锆钛酸铅与 钛酸钡相比，具有耦合系数大，压电系数大，居里点高，以及通过各种成分的 变更能在很大范围内调整性能，以满足多种不同需要等优点，因此锆钛酸铅系 陶瓷得到愈来愈广泛的应用。近十多年，这种材料迅速推广，在许多方面替代 了原先的压电陶瓷材料。 .2 超声换能器的主要性能指标超声换能器的主要性能指标 1、工作频率 大多工作频率选取在换能器的机械共振频率附近，因而所谓工作频率一般 指换能器的机械共振频率或附近。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 2、机电耦合系数 超声换能器的机械能与电磁能相互转换过程，就是机电耦合过程。机电耦 合系数定义为： 机电耦合系数 = 贮存的机械能量/从电源取得的总能量 上式是由梅森(Mason)最早给的定义。但是，定义机电耦合系数的公式很多 而且各不协调。除此之外，压电元件的机械能与它的形状和振动方式也有关。 因此不同形状和不同振动方式所对应的机电祸合系数也不相同，机电耦合系数 为无量纲单位。 3、换能器的阻抗特性 根据换能器的等效机电六端网络，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一 方面换能器与发射电路(或接收电路)末级电阻抗应该匹配；另一方面换能器应该 与辐射声负载(或接收声负载)匹配。这个匹配条件是非常重要的。换能器电、声 机械特性阻抗研究是超声换能器研究的重要课题。 4、换能器的方向特性 一个发射或接收声波换能器其尺寸和所在介质中的声波波长可相比拟时它 发射声能是集中在某些方向上的。 5、换能器的功率 功率包括换能器的输入电功率，机电耦合后产生的机械振动所具有的机 D W 械功率机械振动向介质辐射的声功率，是描写一个辐射器在单位时 M W OC W OC W 间内向介质辐射多少声能的物理量。由于输入电功率转换成机械功率必然存在 电损耗功率，以及机械功率转换成声功率必然存在机械损耗功率损耗，所 MD W 以 MDMb WWW DMDm WWW 6、换能器的效率 换能器作为能量的传输网络，有一个能量传输的效率，换能器的效率取决 于类型(振动)、换能材料、机械振动系统的结构以及工作频率的选择。一般电压 型超声换能器的电声效率在 3050%之间。 7、换能器的频率特性 所谓频率特性是指换能器的主要参数，如功率、声压、阻抗及灵敏度等随 频率变化的特性。超声换能器在应用中在一定的带宽内获得平坦的阻抗频率特 性有重大意义。因为往往超声应用中的换能器负载是变化的，宽带可以适应变 化负载以保持匹配、高效率，而失配将导致电路发热，甚至损坏设备。 第二章 超能转换器 99 2.2 超声压电换能器超声压电换能器 .1 超声换能器的分类超声换能器的分类 超声换能器，如果按其使用的材料分，可划为两大类：一类是磁致伸缩换 能器，它使用的材料有冲孔镍片；具有磁致伸缩性能的合金，如镍铁合金、铝 铁合金以及铁氧体等。另一类是压电换能器，使用的材料有非铁电型压电晶体 和铁电型压电陶瓷。 .2 电致伸缩效应电致伸缩效应 对于一些不具有对称中心的晶体，沿其某一方向施加机械作用力时，晶体 就会由于发生形变而导致正负电荷重心不重合，也就是电矩发生了变化，晶体 表面产生正负电荷，即显现出电位，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械 力的作用而激起晶体表面荷电的效应，称之为压电效应。反之，将一压电晶体 置于外电场中，在电场的作用下，引起晶体内部正负电荷重心的位移，这一极 化位移又导致晶体发生形变，这就叫做逆压电效应。 电致伸缩效应是某些电介质材料在电场作用下，由于诱导极化的作用而引 起尺寸大小显著变化的效应，即产生了形变。所以考虑这些电介质的应变时， 除了计入由于应力所产生的弹性应变之外，还需计入由于这种极化作用而产生 的应变。但是，由诱导极化引起的应变与极化强度的平方成正比，因此，电致 伸缩的形变与外加电场的极性无关。这一点恰与晶体的逆压电效应有区别。上 面己经阐明，逆压电效应是指在弹性限度内产生的形变与外电场成线性关系。 电场反向时，形变的力向也发生改变，即由伸长变为缩短，或由缩短变为伸长。 此外，对所有的电介质，不论是晶体还是非晶体，也不论其有无对称中心，都 具有电致伸缩效应。只不过一般的电介质材料，电致伸缩效应很微弱，而只有 对无中心对称的晶体才存在逆压电效应。 具有显著电致伸缩效应的电介质材料有：钦酸钡、锆钛铅等等。为了使它 们获得的形变与电场的大小成线性关系，必须把这些材料在强直流电场下进行 极化，经极化处理以后，介电材料便具有和压电晶体一样的压电效应。通常把 这种材料称为压电陶瓷。其物理本质是，铁电晶体由许多的所谓电畴组成。在 强大的直流电场作用下，电畴将发生边界位移以及一定程度的转向，即使在外 电场撤去后，由于它具有剩电性，因此仍有大部分电畴的电矩方向与极化电场 方向相同。若在经过极化处理后的压电陶瓷上加一较小的交变电场(与直流极化 电场相比)，则此交变的电场不能使电畴转向，但会使之发生边界位移，与电场 同向的电畴在沿电场方向稍有增长；与电场不同向的电畴则可能有微小的缩短。 当电场方向变化后，电畴将发生相反的变化，这就使得形变与交变场强成线性 关系，即形成了类似于压电效应一样的电一力关系。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 .3 振子振动模式介绍振子振动模式介绍 超声应用范围很广，它的使用频率应用范围很宽，从十几千赫一直到上百 兆赫。虽然超声压电换能器的种类有各式各样的，但是，总的来讲在应用上大 致分为两类，即谐振式的和非谐振式的，而绝大部分是谐振式的。谐振式换能 器的效率高，多用于发射；非谐振式多数应用于接收系统，例如，用于水听器 和一些被动声呐的声基阵。其优点是具有平坦的接收频率响应。谐振式换能器 是以它的振动模式分类的。振动模式与压电元件的几何尺寸、极化方式、激励 频率等因素有关。有纵向振动模式、厚度振动模式、径向振动模式和剪切振动 模式等。在合适的几何尺寸条件下，由于材料晶格的对称性，可能导致两种振 动模式相互耦合，这是在设计换能器时应该尽量避免的。否则会降低效率，并 且换能器的指向性会发生异常变化，从而导致对换能器的计算很复杂。 纵向振动模式 纵向振动模式可以从两种方法中获得，一种是利用横向压 电效应，即陶瓷元件极化方向与电场方向一致，但与机械振动方向相垂直；另 一种是利用纵向效应，即陶瓷元件极化方向、电场方向、机械振动方向三者均 一致。它们在机械振动方向，即长度方向的尺寸远大于它们的宽度和厚度，因 此，它是一种低频振动模式。 径向振动模式 径向振动模式是一种径向完全对称的振动模式，极化方向 和电场方向一致，都在圆表面的法向。它的厚度很薄，通常比圆片的直径小一 个数量级以上，但是它的振动方向是径向(r 方向)的。厚度振动模式厚度振动换 能器在超声方面应用广泛，例如，超声测厚、超声无损保伤、超声医疗以及近 期发展起来的超声全息等。频率范围可高达 34 兆赫。在水声应用方面，如水 下电视、非线性声学、水声模拟物理实验以及 200 千赫的渔群探测器等等。厚 度振动模式是一种高频模式，存在于压电薄板中。这种振动模式可通过电场垂 直薄板表面来获得，即压电薄片元件的极化方向、电场方向以及机械振动方向 一致，都在厚度方向上。其厚度小于宽度和长度，并认为机械位移仅发生在厚 度方向。 薄壁环形换能器 薄壁环形换能器是利用切应力均匀的这种振动模式，这 是独特的单一振动模式，没有高次谐波频率。它在水声中应用极广，可以作发 射，也可以作接收。薄壁陶瓷环是一个理想的一维振动系统，结构上分径向极 化和切向极化。在陶瓷环的内外两侧面披银进行极化，并加电场。结果在圆周 方向发生伸张或收缩，而产生径向振动。 第三章 高频正弦波产生电路的实现 1111 第三章第三章 高频正弦波产生电路的实现高频正弦波产生电路的实现 高频正弦波产生电路的作用主要是为超声换能器提供必须的功率，以实现 产生不同功率的超声波，其实质就是一个电源产生电路。 3.1 电源技术概述电源技术概述 .1 电源技术的分类与应用电源技术的分类与应用 根据研究对象的不同，电子学分为微电子学和功率电子学，前者主要研究 信息处理，由微电子技术实现。后者主要研究功率处理和功率变换，由功率电 子技术和微电子技术共同实现。电源技术属于功率电子技术范畴。 一般将提供电能的设备称为电源，可分成 3 类： ( l )把其他能量转换成电能，例如水力、火力、风力及核能发电等，一般称 这种电源为一次电源(即供电电源，俗称电网或市电)。 (2)在电能传输过程中，在供电电源与负载之间对电能进行转换或稳定处理， 一般称这种电源为二次电源(即对已有的电源进行控制)。 (3)平时把能量以某种形式储存起来，使用时再变成电能供给负载，典型的 器件就是人们常见的各种蓄电池。 二次电源，即把输入电源(由电网供电等)变换成在电压、电流、频率、波形 及在稳定性、可靠性(含电磁兼容、绝缘散热、不间断电源、智能监控)等方面符 合要求的电能供给负载，这是目前应用最广泛的电源技术领域，主要研究如何 利用电子技术对电功率进行转换及控制，它广泛运用电磁技术、电子技术、计 算机技术和材料技术等学科理论，具有较强的综合性，在工程上一般称此领域 的技术为电源技术。 随着科学技术的发展，对电源技术的要求越来越高，规格品种越来越多， 技术难度越来越大，涉及的学术领域也越来越广。就其技术本身而言，可分成 3 类： (1)直流稳定电源，输入电源可以是交流电或直流电，可以是单相交流或三 相交流，输出量是直流电(含稳压或稳流)，包括线性控制和开关控制两种。 (2)交流稳定电源，输入电源多为单相或三相交流电，输出电源仍为交流电 (单相或三相，当输入量为直流电时称为逆变器)，含稳压、稳流、稳频、不间断 供电等类型。 (3)特种电源(或称工业电源)，例如电镀、电解、电焊、激光、高压等类型电 源，输入量多为交流市电，输出量有直流、交流或脉冲形式。 .2 电源技术的基本内容电源技术的基本内容 一般情况下，电源技术的主要内容包括以下几个部分：电力电子器件、功 率变换电路、电源整机及系统等。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 1、电力电子器件 (1)不控型器件 主要是各种功率二极管，包括工频下工作的整流管、整流 桥模块、快速恢复二极管、功率肖特基二极管等。 (2)半控型器件 主要是晶闸管(亦称可控硅)，其控制端在器件导通后即失去 控制作用(故称半控型)，为了关断这类器件必须借助外部条件。 (3)全控型器件 其控制端不但具有控制器件导通的能力，还有控制其关断 的能力。例如双极型功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、可关断 晶闸管(GTO)、MOS 控制晶闸管(MCT)，还有新型的绝缘门板双极型晶体管 (IGBT)、静电感应晶体管(SIT)等。 2、 功率变换电路 从电能变换功能来看，有下列 4 类： (1)将交流电变为直流电，即 AC/DC 变换。实现这一功能的变换电路，一般 称为整流电路。 (2)将直流电变为交流电，即 DC/AC 变换。实现这一功能的变换电路，一般 称为逆变电路。 (3)将一种直流电变为另一种直流电，即 DC/DC 变换。通过这种变换实现直 流电压(电流)的幅值或极性的改变，一般称为直流一直流变换器。 (4)将一种交流电变为另一种交流电，即 AC/AC 变换。通过这种变换实现交 流电压(电流)、频率的变换，前者为交流调压电路，后者为变频电路有时也需要 改变相数(例如单相变三相等)。 上述 4 种变换电路就其技术而言统称为变流技术，其电路可以单一使用， 也可以组合使用，例如常用的一种变换形式如图 3-1 所示，将工频市电(单相或 三相)直接进行整流变成直流电，通过逆变电路使其变成高频交流电(脉宽可调的 正负矩形脉冲)，再通过整流变成直流电供给负载。在高频变换环节，通过脉宽 调制实现输出直流电压的稳定。这就是目前常用的高频开关电源的电路模式， 采用的是组合变换方式。 /-/-/- 工频交流 直流高频交流 整流 道变 整流 直流 图 3-1 常用的高频开关电源结构图 3、 控制方式 在变换过程中，通常使功率器件工作在开关状态，按设定的时序，在控制 信号作用下实现电能的变换。在器件的工作过程中将伴随着各个支路间电流的 第三章 高频正弦波产生电路的实现 1313 转移，故有时简称换流。对于由半控型器件组成的电路，由于器件本身无关断 能力，常常在换流过程中借助外部条件来关断处于导通状态的器件。换流成功 是半控型电路正常工作的必要条件，因而换流过程是这类电路分析的主要内容， 换流技术便是这类变换技术的核心。 在 AC/DC 变换过程中常常引入高频变换环节，达到减小电源设备体积、减 轻重量、提高效率、改善动态特性等目的，转换频率一般为几十千赫至几百千 赫。70 年代将由 50Hz 交流市电供电的直流线性稳压电源发展到开关频率为 20KHz 的直流开关稳压电源，被誉为“20KHz 革命” ，然而仅仅经过 1