（控制理论与控制工程专业论文）超声治疗仪控制电路的设计与研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 超声波是频率高于2 0 k h z 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】5 m h z ，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。例如：用o 5 1w c m 2 强度照射心脏，可治疗冠一i i , 病： 用0 5w c m 2 以下强度照射可治疗眼底出血，加快伤口愈合。 早在3 0 年代初，国外就已经将超声用于治疗。我国在这方面起步稍晚， 到5 0 年代才在少数几家医院开始应用这项技术，经过几十年的发展，我国 在超声治疗领域已经取得显著的成绩。在国内重庆海扶( h i f u ) 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a t 8 9 c 5 l 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。 本论文共分五章。第一章简要介绍了超声医学的发展概况，包括超声波 的概述及超声治疗的机理等。第二章对超声治疗中较为重要的超声换能器进 行了介绍，列出了换能器的主要性能指标及分类方式等。第三章重点介绍了 超声治疗的高频正弦波产生电路的设计与实现，在详细列出了开关电源的技 术指标、基本原理、基本电路形式等基础上给出了该系统采取的设计方案。 第四章是本论文的一个重点，详细描述了超声治疗仪中功能控制单元的设计 与实现方法，详尽的给出了硬件设计原理图和相关的程序流程及说明。第五 章作为一个总结，指出了论文所做的工作和存在的不足等。 本论文所研究的治疗仪经过设计与调试已形成产品，但针对一个超声治 疗领域，许多工作仍有待于进一步的研究。 关键词：超声治疗，海扶技术，单片机，开关电源 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i ci sak i n do fm e c h a n i c a lw a v et h a tf r e q u e n c yi s u p p e r2 0 k h z ul t r a s o n i c m a yb eg e n e r a t e db ym a n yu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s t h ei a t r i c a l u l t r a s o n i ci sa b o u t1 15 m h za t p r e s e n t ，w h i c hg e n e r a t e db yp i e z o e l e c t r i c i t y c r y s t a l a tt h e f u n c t i o no fa t t e r n a n te l e c t r i c f i e l d ，a p p r o p r i a t e u l t r a s o n i c i r r a d i a t i o nw i l la c c e l e r a t et i s s u e g r o w t h ，h a v e t h ef u n c t i o no fh e a l i n ga n d a d j u s t m e n t f o re x a m p l e u l t r a s o n i ci r r a d i a t eh e a r tb yo 5 1 w c m 2w i l lh e a l c o r o n a r y h e a r t d i s e a s e ；i r r a d i a t e e y e g r o u n db y o 5w c m 2w i l la c c e l e r a t e h e m o s t a s i a u l t r a s o n i ct r e a t m e n tb e g i n sa t1 9 3 0 s i nc h i n a ，t h ea s p e c tb e g i n ss l o w l y ， o n l y af e wh o s p i t a i sa p p l yt h i s t e c h n i q u ea t1 9 5 0 s ，b u ta l o n gw i t ht h er a p i d d e v e l o p l n e n t ，t h ea p p l i c a t i o n s a r em o r ea n dm o r e i nd o m e s t i c ，c h o n g q i n g h a i f u ( h i f u ) t e c h n o l o g yc o ，l t di st h eb e s ta tt h ef i e l do f u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ， i t sp r o d u c t so fh a i f uf o c u s e du l t r a s o u n dt u m o rt h e r a p e u t i cs y s t e ma n dh a i f u c z fu l t r a s o u n d g y n e c o l o g yd i s e a s e st h e r a p e u t i cd e v i c e i si nt h eh i g h e s t f l i g h ti n t e r n a t i o n a l l y t h e s ep r o d u c t s a r ew i t h g o o dg r a c e sb ym a n ys u p e r h o s p i t a l s ，h i g hp r e c i s i o n ，s t r o n gf u n c t i o na n dw e l l - t r e a t e de f f e c ta r et h em a i n r e a s o n s b u tt h o s ed o n tf i tt h e r a p yi nf a m i l i e s ，b e c a u s ei t sb i g ，e x p e n s i v ea n d t h em a n i p u l a t i o ni s v e r yc o m p l e x t h ee q u i p m e n tf o r c u r ei nt h e f a m i l ya r e c o a r s e ，t i r ed e g r e eo f a u t o m a t i o ni sl o wa n dc a n te n s u r es e c u r i t y , t h e r e f o r e ，w en e e dd e v e l o pak i n do f u l t r a s o n i ct r e a t m e n te q u i p m e n tw h i c h o fm a k i n gak i n do fo v e r s e a se q u i p m e n tu s ef o rr e f e r e n c e t h ee q u i p m e n tu s e m c ua t 8 9 c 51a sc o r e ，e o n t r o lt r e a t m e n tm o d ea n dd o s a g ea c c u r a t e l yf o rt h e p u r p o s eo f m i n i a t u r i z a t i o na n d i n t e l l i g e n t t h ef l d l p a p e ri s d i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s c h a p t e ro n ei n t r o d u c e st h e u l t r a s o n i c i a t r o l o g y ，i n c l u d i n g t h es u m m a r i z a t i o no fu l t r a s o n i c a n dt h e m e c h a n i s mo ft r e a t m e n te t c c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s t h a ta r ei m p o r t a n ti nt h ef i e l do fu l t r a s o n i ct r e a t m e n t t h em a i ni n d e xa n ds o r to f t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r sa r el i s t e d c h a p t e rt h r e ei n t r o d u c e st h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fs i n ew a v ec o m i n gi n t ob e i n gi nh i g hf r e q u e n c y o n b a s eo f l i s t i n g t h et e c h n i c a li n d e xo fs w i t c hp o w e rs u p p l y ，b a s a lp r i n c i p l ea n dc i r c u i t ，t h e 武汉理工大学硕+ 学位论文 c h a p t e re x p o u n d st h es c h e m ea n dc o m e si n t ob e i n g c h a p t e rf o u ri s am a i n c h a p t e r ，t h a te x p a n d s t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o lc e l l ，l i s t st h ec i r c u i t s a n dp r o g r a m s c h a p t e rf i v es u m m a r i z e st h ew o r kt h ep a p e rd i da n dl i s t st h e d e f i c i e n c y t h eu l t r a s o n i ct r e a t m e n te q u i p m e n tt h e p a p e rr e s e a r c h e dh a sc o m ei n t o b e i n gb yd e b u g g i n ga n dm o d i f i c a t i o na g a i na n da g a i n b u tw i t hr e g a r dt o t h e w h o l ef i e l do fu l t r a s o n i ct r e a t m e n t 1 0 t so fe n d e a v o ri sn e e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，t t i f ut e c h n o l o g y ，s i n g l ec h i p s w i t c hp o w e r s u p p l y 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章系统概述 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2 0 w 。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 1 1 1 超声波的产生1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 l8 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1 0 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2 1 0 4 1 0 9 h z 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。 1 1 2 超声治疗的发展过程嘲m 武汉理t 大学硕七学位论文 早往第次l 技界火战术，法吲物理学家k l n g o v 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i l a v e y 等人发 现，超声辐照- j j 使动物体内温度升高，以致造成细胞结构损伤。 1 9 2 2 年德国出现了首例超声治疗机的发明专利，1 9 3 9 年发表了有关 超卢治疗取得l | f i i 床效果的文献报道。但直到1 9 4 9 年召开的第一次国际医学 超声学术会议j i ，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5 0 年代初只有少数医院开展超声治 疗j ：作。公丌的文献报道始见于1 9 5 7 年。5 0 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5 0 年代起，超声诊断技术越来越多地进入临床应用。丁r 始为a 型， 继而为m 型 ) 型多普勒型) 及 3 型，迅速推广普及。特别是到了7 ( ) 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 时显得停滞。但近： o 年末，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。 日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一电疗法等等。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霄。 1 。1 3 治疗超声的声场描述m 川m 1 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弘卜物 教应的可能性及程度，严格地讲，应决定于所有声场参数的时空分和情况。 但是，所有声场参数的测试l 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，t i i 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1 ! 【i 武汉理t 入学硕：i 学能论文 积的声能。常用测量单位足瓦特厘米2 ( w c m 2 ) 。临床常用治疗剂量为0 1 一 2 5 w e r a 2 ，丽震耳欲聋的大炮声声强只相肖于0 0 o 0 0 0 lw c m ! ，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。 i 、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涮上是连续不间断的，压电片的 振动在时间上也是连续不问断的，此时它发射的超声波便是连续波波形，如 图1i 所示。 础 议 i 阁ll 连续超声波的声压随时 间变化波形图 晰1 图卜2 脉冲超声波的声压随 时间变化波形图 图卜l 给出的是声压波形( 也可以是质点振动位移、速度等) ，图中i i 为声波的振动周期。如该声波频率为l m l i z 。则t 为lus 。当该超声波经耦 台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l m l l z 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 1 i 再是连续的而是一系列等幅脉冲波列，如图l 2 所示。 在罔卜2 中，一个脉冲从起始到终止的时间称为脉冲宽度，示为w ： 两个棚邻脉冲对应部位( 如取脉冲的起始点) 的时间问隔，称为脉冲周期， 示为h 则相应的脉冲重复频率为h = l 1 。并定义 f = w 为脉冲的发射因子，办常称为占空比( d u t yt a c l o t ) 。 ：、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l _ ： 所示。其 中的时蚓峰值声强示为h ( 脚标t p 为t o m ) o t a lp e a k 的缩写l 珏h r i jc ( p 与c 为媒质的密度和声速) ：时间平均声强示为i ”( t a 为1 - e n l r ) o f i j a v e l a g e 的缩写) ，在超声治疗仪上标示的声强就是此声强。 胁 武汉理：f 大学硕士学位论文 誓! 一一。尸寸删三一时间 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i p a ( p a 为p u l s e a v e r a g e 的缩写) 。 强 宙 时间 图卜4 脉冲超声波声强随时间的变化 在脉冲超声波情况下i p a 与i t a 之间的关系示为1 1 a = f i p ，当f 逐渐 增大到等于1 的时候，i p = i r a ，此时便成为连续波了。 1 ，1 4 超声治疗的机理圳1 7 1 18 1 19 1 2 0 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 5 w c m 。，1 5 分钟作用时，温度上升在肌肉为l 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 4 武汉理工人学硕_ ：学位论文 热。这在关节、韧带等运动创伤的治疗 二有很大意义。所以超声波的热作用 t 不均匀加热) 与其他物理因予所具有的弥漫性热作用( 均匀加热) 是不同 的。 f ：j ) 超声波产生的热将有7 9 8 2 由血液循环带走，1 8 2 1 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，每一一细胞均受4 8 m g 压力变化影响) 及获得巨大加速度 丽剧烈运动，相互摩擦，i f i i 且能使组织细胞产生容积和运动的变化，q 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 变其中空问的相对位置( 据观察，强度不大的超声波能使红细胞的原浆颗粒 旋转，剂虽大叫甚至颗粒被抛出细胞外) ，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 4 l 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q l 占蘑 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 q 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。 t3 ) 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l ，l l 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。 武汉理工大学硕士学位论文 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l l o 、 ( ) h 、l i ：0 ，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 1 2 1 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 8 3 m l | z ，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 2 5 3 w c m 2 之间，声头( 发射换 能器) 表面大小在5 l oc m 2 左右。根据预定治疗需要，本仪器工作频率定为 8 0 0 k h z ，发射强度的范围为0 1 3 w c m 2 ，声头表厩大小为7 c m 2 。 超声治疗仪拟订实现的功能： ( 1 ) 有三种工作方式：连续波与脉冲波( 占空比分别为0 5 和0 2 5 ) 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 5 w 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。 ( 5 ) 仪器输出的功率和时间指示应严格校准。 ( 6 ) 具有定时装覆，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。 1 2 2 系统采用的技术手段与系统框架乜”瞳钉 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， 武汉理- i 犬学硕十学位论文 振动能量基本上辐射不出去，故大部分能量部从其前表面向外辐射。超声波 经过超声耦合剂有效地进入人体和辐照痛变部位，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 乜路等 几个部分。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 的高堰与功率。振荡电路产生高频振荡，并通过输出电路使之与压1 乜晶片匹 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。 图1 5 超声治疗仪总体框图 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章超声换能器 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。 2 1 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。 2 1 1 超声换能器的发展简史拒3 2 4 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1 9 1 7 年p 朗之万 ( p l a n g e v i n ) 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1 7 千赫和4 5 千赫等。1 9 3 3 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。1 9 4 2 年出现了铝一铁合金，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、钛酸钡铁一电陶瓷材料 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8 0 以上，比薄片镍 做的磁致伸缩换能器，约高2 3 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， 武汉理工大学硕士学位论文 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 ： 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 1 2 超声换能器的主要性能指标4 2 卯 l 、 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。 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( m a s o n ) 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耦合系数也不相同，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w 。机电耦合后产生的机械振动所具有的 机械功率w 。，机械振动向介质辐射的声功率w 。，w 。是描写一个辐射器在单 9 武汉理工大学硕士学位论文 位时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w 。，以及机械功率转换成声功率必然存在机械损耗功率 w 。，所以 w f ，= w + w h w m = w ”+ w n 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3 0 5 0 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。 2 2 超声压电换能器 2 2 1 超声换能器的分类担司陋们 超声换能器，如果按其使用的材料分，可划为两大类：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 2 ，2 电致伸缩效应m 4 m 5 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。 l o 武汉理丁大学硕士学位论文 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。上面已经阐明，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：钛酸钡、锆钛酸铅等等。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。 2 2 3 振子振动模式介绍瞳4 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， 武汉理工大学硕士学位论文 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 3 4 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2 0 0 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。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章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 3 1 1 电源技术的分类与应用旺7 2 8 1 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： ( 1 ) 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，般称这种电源为二次电源( 即对已有的电源进行控制) 。 f 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 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 一1 3 武汉理：【大学硕士学位论文 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。 3 1 ，2 电源技术的基本内容妇”瞳叩 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。 l 、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( g t r ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 、 可关断晶闸管( g t o ) 、m o s 控制品闸管( m c q 、) ，还有新型的绝缘门板双极型晶 体管( 1 g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 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a c d c 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d c a c 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d c d c 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a c a c 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 一l 所示，将工频市电( 单 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 相或= - - * n ) 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。 叠漉遒室 奠藏 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a c d c 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。7 0 年代将由5 0 h z 交流市电供电的直流线性稳压电源发展到开关频 率为2 0 k i z 的直流开关稳压电源，被誉为“2 0 k i i z 革命”，然而仅仅经过1 0 年左右的时间，开关电源的转换频率已经达到5 0 0 k t t z 以上。 对于各种变换电路的控制方式，可以归纳出下列3 种： ( 1 ) 相( 位) 控( 制) 方式：指控制信号幅度的变化转换成交流器件触发脉 冲相位的变化，在整流电源或交流稳压电源中常用这种控制方式。 ( 2 ) 频( 率) 控( 制) 方式：指控制信号幅度的变化转换成变流器件触发脉 冲频率的变化，在逆变电源中常用这种控制方式。 ( 3 ) 斩( 波) 控( 制) 方式：指控制信号幅度的变化转换成交流器件“导通 时间比”的变化，在直流变换电路中常用这种控制方式。 上述3 种控制方式也可以组合使用，例如斩波与频率控制同时采用时， 构成正弦波脉冲宽度调制方式( s i n e w a v e p w m 简称s p w m ) ，在交流变换器中 常用这种控制方式。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 开关电源概述 3 2 1 开关电源的技术指标旺7 圳瞳9 开关电源的标准是以国际电工委员会标准i e c 为基础，标准之一是信息 处理设备( 含办公设备) 的安全性l e c 9 5 0 标准。当然，i e c 的标准本身并不 具有强制性，但各国在制订标准时，都是以1 e c 的标准为基础。 1 、输入技术指标 作为开关电源输入的技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的 变化范围、频率、输入电流等。输入电源一般为单相二线制和三相三线制， 还有单相三线制及三相四线制等。电源的额定输入电压因各国或地区不同而 异。例如，美国规定的交流输入电源电压为1 2 0 v ，欧洲为2 2 0 2 4 0 v ，日本 为1 0 0 v 及2 0 0 v ，我国为2 2 0 v 及3 8 0 v 。输入电压的变化范围一般为1 0 ， 加上配线路径及各国的具体情况，输入电压的变化范围多为一1 5 + 1 0 。 开关电源最大输入电流是表示输入电压为下限值时，输出电压及电流为 上限值时的输入电流。