超声波换能器的匹配设计

超声波换能器的匹配设计超声波换能器的匹配设计 一 匹配概述匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面 一是通过匹配使发生器向换能 器输出额定的电功率 这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率 所致 把换能器的阻抗变换成最佳负载 也即阻抗变换作用 二是通过匹配使 发生器输出效率最高 这是由于换能器有静电抗的原因 造成工作频率上的输 出电压和电流有一定相位差 从而使输出功率得不到期望的最大输出 使发生 器输出效率降低 因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗 使发生器负 载为纯电阻 也即调谐作用 由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产 生和效率 二 阻抗匹配阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大 在电源电压给定条件下主要取决于 负载阻抗 一般在 D 类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载 Rl 上的输出 功率表达式为 式中 VAm 为等效负载上的基波幅度 vcc 为电源电压 vces 为功放管饱和压降 故 为了保证系统有一定功率余量 因输出变压器 末级匹配回路及晶体管损耗 电阻都有损耗 po 需要乘上一个约等于 1 4 1 5 的系数 即输出功率 po 为 1 5Po 从上式可知 在电源电压给定之后 输出功率的大小取决于等效负载 RL 目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器 其阻抗约为几十欧姆至几 百欧姆间 为了要达到要求的额定功率 因此需要对换能器负载 RL 进行阻抗 变换 由高阻抗变换为低阻抗 一般常用的方法 通过输出变压器的初次级线 圈的匝数比进行变换 变压器次初级匝数比为 n m 则输出功率 PO 时的初级 电阻 举例 要求一发生器输出在换能器上的功率为 1000W 设直流电 VCC 为 220V VCES 10V 功率应留有一定余量 则 PO 1 5PO 1500W 则变压器初 级的 若换能器谐振时等效电阻 RL 200 则输出变压器次级 初级圈数比 以上称谓阻抗变换 是通过输出变压器实行的 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配 传输功率的重要部件 它的设计与 绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的 它不仅会以漏感 励磁电流等方 式影响电路的工作 其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因 为此 在设计 时 应选取具有高磁通密度 B 高导磁率 高电阻率 c 和 低矫顽力 Hc 的高 饱和材料作铁芯 一般在防止高频变压器的瞬态饱和时 在设计时要注意如下 几点 1 工作磁通密度 B 的选取 铁芯材料的磁感应增量 B 愈大 所需线圈匝数愈少 直流电阻 R 也愈小 从而线圈的铜损 Pm 也愈小 B 取得高时 传输的脉冲前沿就愈陡 因此 在设计变压器时 选取高磁通密度的材料作铁芯 这对降低变压器的损耗 减 小体积和重量都是很有利的 为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和 一般选 取工作磁通密度 B Bs 3 为宜 这里 Bs 为磁芯的最大和磁通密度 6 5 2 要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系 WLl 15RL 其中 RL 为次级 负载所算到初级边的等效电阻值 WLl 为初级电感感抗 若初级电感量太小 励磁电流将比较大 励磁电流过大 变压器的损耗将增加 温升随之增高 从 而降低 Bs 使变压器进入饱和的可能性增大 3 要考虑 集肤效应 的影响 在高频工作时 流过导线的电流会产生 集肤效应 这相当于减少了导线 有效截面积 增加了导线的电阻 从而引起导线的压降增大 导致变压器温度 升高 结果增大了变压器进入饱和的危险性 建议采用小直径的多股导线并绕 的方法 三 调谐匹配调谐匹配 由于压电换能器有静电容 Co 磁致伸缩换能器有静电感 LO 在换能器谐 振状态时 换能器上的电压 VRL 与电流 IRL 间存在着一相位角 其输出功率 PO VRLIRLcos 由于 的存在 输出功率 达不到最大值 只有当 0 时 输出功率达最大值 因此为了使换能器上电压 VRL 与电流 IRL 同相 0 则 必须在换能器上 并上或串上一个相抵消的抗 对于压电换能器而言 即并上 或串上一 个电感 L0 即可 而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容 C0 压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图 1 52 所示 在等效电路图中 式中 R f X f 为串联电阻和电抗 R f G f B f 为并联电阻 电导和 电纳 它们都是频率 的函数 并联调谐和串联调谐电感量由下式确定 下面我们比较一下两种调谐的差异 图 1 53 1 54 是一种换能器两种调谐计算曲线 由计算表明 1 由于换能器的串联电抗比并联电抗小 故有 L 串10kHz 时由邻近效应引起的交流电阻 R 约为其直流电阻 Rd 的 2 10 倍 铜耗 pr 也要比直流铜耗 Pro 增大同样倍数 令增大倍数为 k 则 Pr kPro 因此 为维持电感线圈的正常升温 电流密度必须按照常规允许值的 1 k 1来选择 关于集肤效应 常用高频电流的穿透深度 B 来表示 式中 为导线磁导率 r 为导线电导率 为减少集肤效应的影响