换能器的静态电容匹配方法、系统、介质及超声设备

技术领域

本发明涉及超声设备领域，具体涉及一种换能器的静态电容匹配方法、系统、介质及超声设备。

背景技术

在超声设备中，换能器是其中一个重要结构。换能器的电气模型(即换能器中的硬件结构)是由动态支路和静态电容C

然而，对于图1的传统换能器驱动电路设计，在换能器的实际使用中，随着换能器的长时间使用，静态电容C

因此，需要设计一个换能器的静态电容匹配方法，能实时根据换能器不同的静态电容值，对其自动进行匹配并实现驱动。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种换能器的静态电容匹配方法、系统、介质及超声设备，以解决现有换能器驱动电路中无法跟产生变化的静态电容进行匹配，而导致无法实现较好的驱动的问题。

本发明提供了一种换能器的静态电容匹配方法，用于超声设备中的换能器，所述换能器配置有静态电容、动态电容、动态电阻和动态电感；所述动态电阻的一端与所述静态电容的一端连接在一起，所述动态电阻的另一端通过所述动态电容与所述动态电感的一端电连接，所述动态电感的另一端与所述静态电容的另一端连接在一起；所述方法包括：

实时获取所述换能器中所述静态电容的静态电容值；

获取所述换能器在谐振状态下所述动态电阻的动态电阻值；

根据所述静态电容值和所述动态电阻值，得到所述换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差；

根据所述固有相位差，调节所述换能器当前工况下的激励信号频率，以匹配当前工况下的所述静态电容值，并根据所述激励信号频率驱动所述换能器。

可选地，所述实时获取所述换能器中所述静态电容的静态电容值，包括：

按照多个从小到大的所述激励信号频率依次对所述换能器进行激励，得到多个所述激励信号频率下的信号响应；

从所有所述激励信号频率下的所述信号响应中，提取两个所述激励信号频率下的所述信号响应；

根据提取的两个所述激励信号频率下的所述信号响应，计算得到所述静态电容值。

可选地，所述信号响应包括所述换能器在对应的所述激励信号频率的激励下得到的电压响应值、电流响应值和阻抗相位角度；

所述根据提取的两个所述激励信号频率下的所述信号响应，计算得到所述静态电容值，包括：

根据提取的两个所述激励信号频率下的所述信号响应，建立求解所述静态电容值的方程组；

所述方程组的具体公式为：

其中，C

求解所述方程组，得到所述静态电容值。

可选地，所述获取所述换能器在谐振状态下所述动态电阻的动态电阻值，包括：

获取所述换能器在谐振状态下的导纳模和导纳角；

根据所述导纳模、所述导纳角以及所述换能器在谐振状态下的所述静态电容值，计算得到所述动态电阻值。

可选地，计算所述动态电阻值的具体公式为：

其中，R

可选地，根据根据所述静态电容值和所述动态电阻值，计算所述固有相位差的具体公式为：

θ

其中，θ

可选地，所述根据所述固有相位差，调节所述换能器当前工况下的激励信号频率，包括：

将所述固有相位差与相位差设定值进行比较；

当所述固有相位差大于或等于相位差设定值时，减小所述换能器在当前工况下的所述激励信号频率；

当所述固有相位差小于所述相位差设定值时，增大所述换能器在当前工况下的所述激励信号频率。

此外，本发明还提供了一种换能器的静态电容匹配系统，应用于前述的换能器的静态电容匹配方法中，包括：

静态电容获取模块，用于实时获取所述换能器中所述静态电容的静态电容值；

动态电阻获取模块，用于获取所述换能器在谐振状态下所述动态电阻的动态电阻值；

相位差计算模块，用于根据所述静态电容值和所述动态电阻值，得到所述换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差；

匹配模块，用于根据所述固有相位差，调节所述换能器当前工况下的激励信号频率，以匹配当前工况下的所述静态电容值，并根据所述激励信号频率驱动所述换能器。

此外，本发明还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质包括：至少一个指令，在所述指令被执行时实现前述的换能器的静态电容匹配方法中的方法步骤。

此外，本发明还提供了一种超声设备，包括：

设备本体；

换能器，设于所述设备本体上；

所述换能器包括静态电容、动态电容、动态电阻和动态电感；所述动态电阻的一端与所述静态电容的一端连接在一起，所述动态电阻的另一端通过所述动态电容与所述动态电感的一端电连接，所述动态电感的另一端与所述静态电容的另一端连接在一起；以及

前述的换能器的静态电容匹配系统，设于所述设备本体上，与所述换能器通信连接，用于调节所述换能器当前工况下的激励信号频率，以匹配当前工况下的所述静态电容对应的静态电容值，并根据所述激励信号频率驱动所述换能器。

本发明的有益效果：通过获取的静态电容值和动态电阻值来确定换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差，基于该固有相位差来对激励信号频率进行自动调节，实现了激励信号的频率追踪；通过激励信号的频率追踪，可以在换能器无匹配电感的情形下，以软件的方式来针对换能器的不同的静态电容值，进行很好地驱动匹配，确保调谐功能的正常实现，进而使得激励信号能稳定地驱动换能器，提升整个换能器的稳定性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了传统换能器驱动电路设计结构图；

图2示出了本发明实施例一中换能器驱动电路设计图；

图3示出了本发明实施例一中一种换能器的静态电容匹配方法的流程图；

图4示出了本发明实施例一中获取静态电容值的流程图；

图5示出了本发明实施例一中获取动态电阻值的流程图；

图6示出了本发明实施例一中根据固有相位差调节激励信号频率的流程图；

图7示出了本发明实施例二中一种换能器的静态电容匹配系统的结构图；

图8示出了本发明实施例四中一种超声设备的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种换能器的静态电容匹配方法，用于超声设备中的换能器，如图2所示，所述换能器配置有静态电容C

S1：实时获取所述换能器中所述静态电容的静态电容值；

S2：获取所述换能器在谐振状态下所述动态电阻的动态电阻值；

S3：根据所述静态电容值和所述动态电阻值，得到所述换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差；

S4：根据所述固有相位差，调节所述换能器当前工况下的激励信号频率，以匹配当前工况下的所述静态电容值，并根据所述激励信号频率驱动所述换能器。

本实施例的换能器的静态电容匹配方法，通过获取的静态电容值和动态电阻值来确定换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差，基于该固有相位差来对激励信号频率进行自动调节，实现了激励信号的频率追踪；通过激励信号的频率追踪，可以在换能器无匹配电感的情形下，以软件的方式来针对换能器的不同的静态电容值，进行很好地驱动匹配，确保调谐功能的正常实现，进而使得激励信号能稳定地驱动换能器，提升整个换能器的稳定性。

需要说明的是，静态电容值是实时获取的，可便于后续对发生变化的静态电容值进行实时匹配，以确保对换能器进行很好地驱动。

优选地，如图4所示，S1包括：

S11：按照多个从小到大的所述激励信号频率依次对所述换能器进行激励，得到多个所述激励信号频率下的信号响应；

S12：从所有所述激励信号频率下的所述信号响应中，提取两个所述激励信号频率下的所述信号响应；

S13：根据提取的两个所述激励信号频率下的所述信号响应，计算得到所述静态电容值。

按照从小到大的激励信号频率依次对换能器进行激励，换能器能产生不同的信号响应，通过该激励方式，一方面可以便于后续从不同激励信号频率下的信号响应计算得到静态电容值，以便后续针对静态电容进行匹配；另一方面还能实现谐振状态下的激励信号的频率追踪，使得换能器达到谐振状态或接近谐振状态，进而便于后续获取谐振状态下的动态电阻值和固有相位差。

需要说明的是，多个从小到大的激励信号频率可预先根据实际情况设定，这对于本领域技术人员而言，是可以理解的，具体此处不再赘述。且换能器在多个从小到大的激励信号频率的激励下，慢慢从非谐振态向谐振态靠近；当换能器在长时间工作后，又会从谐振态偏离，经过静态电容的匹配后，重新恢复到谐振态。其中，换能器在激励信号频率下进行驱动，为本领域的常规技术，具体细节此处不再赘述。

具体地，所述信号响应包括所述换能器在对应的所述激励信号频率的激励下得到的电压响应值、电流响应值和阻抗相位角度。

具体地，S13包括：

根据提取的两个所述激励信号频率下的所述信号响应，建立求解所述静态电容值的方程组；

所述方程组的具体公式为：

其中，C

求解所述方程组，得到所述静态电容值。

通过任意提取的两个激励信号频率下的电压响应值、电流响应值和阻抗相位角度，可以得到联立求解到静态电容值的方程组，进而可获取到对应的静态电容值，方法简单，易于实现。

优选地，如图5所示，S2包括：

S21：获取所述换能器在谐振状态下的导纳模和导纳角；

S22：根据所述导纳模、所述导纳角以及所述换能器在谐振状态下的所述静态电容值，计算得到所述动态电阻值。

通过上述方法，能获取到换能器处于谐振状态下的准确的动态电阻值，进而便于找到谐振状态时电流与电压之间的固有相位差，进而获取到调节激励信号频率的控制目标，以确保达到准确调谐的目的。

需要说明的是，本实施例中换能器处于谐振状态，在实际过程中是指换能器在谐振点附近或即将达到谐振状态，此时可视为换能器达到谐振状态。

在本实施例S21的一个具体实施方式中，在每个激励信号频率的激励下，可得到对应的信号下的电压响应值，当该值达到预先设定电压值时，可视为换能器达到谐振状态，进而获取该状态下的导纳模|Y|和导纳角θ；其中，导纳模|Y|和导纳角θ的计算公式如下：

θ＝θ

本实施例S22中，将上述计算得到的导纳模|Y|和导纳角θ代入到下述计算动态电阻值的具体公式中，可得到谐振状态下的动态电阻值R

其中，R

在本实施例S3中，根据所述静态电容值和所述动态电阻值，计算所述固有相位差的具体公式为：

θ

其中，θ

上述依据静态电容值和动态电阻值来计算的固有相位差，能实现静态电容的匹配，在换能器无匹配电感的情形下，根据不同的静态电容值，进行对应的驱动匹配。

优选地，如图6所示，S4包括：

S41：将所述固有相位差与相位差设定值进行比较；

S42：当所述固有相位差大于或等于相位差设定值时，减小所述换能器在当前工况下的所述激励信号频率；

S43：当所述固有相位差小于所述相位差设定值时，增大所述换能器在当前工况下的所述激励信号频率。

通过固有相位差与相位差设定值的比较，能确定换能器的激励信号频率的偏差方向，进而对其进行对应的调节，以激励信号频率的追踪来实现静态电容的匹配，无需在换能器的电气模型中设置匹配电感，因此不会出现静态电容不匹配的现象，能确保整个换能器的稳定调谐。

本实施例上述相位差设定值可事先根据实际情况设置和调整，这对于本领域技术人员而言，是可以理解的，此处不再列举。

实施例二

如图7所示，一种换能器的静态电容匹配系统，应用于实施例一中的换能器的静态电容匹配方法中，包括：

静态电容获取模块，用于实时获取所述换能器中所述静态电容的静态电容值；

动态电阻获取模块，用于获取所述换能器在谐振状态下所述动态电阻的动态电阻值；

相位差计算模块，用于根据所述静态电容值和所述动态电阻值，得到所述换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差；

匹配模块，用于根据所述固有相位差，调节所述换能器当前工况下的激励信号频率，以匹配当前工况下的所述静态电容值，并根据所述激励信号频率驱动所述换能器。

本实施例的换能器的静态电容匹配系统，通过获取的静态电容值和动态电阻值来确定换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差，基于该固有相位差来对激励信号频率进行自动调节，实现了激励信号的频率追踪；通过激励信号的频率追踪，可以在换能器无匹配电感的情形下，以软件的方式来针对换能器的不同的静态电容值，进行很好地驱动匹配，确保调谐功能的正常实现，进而使得激励信号能稳定地驱动换能器，提升整个换能器的稳定性。

本实施例所述的换能器的静态电容匹配系统各模块的功能与实施例一的换能器的静态电容匹配生成方法的步骤一一对应，因此本实施例中的未尽细节，详见实施例一及图1至图6的具体描述，此处不再赘述。

实施例三

一种换能器的静态电容匹配装置，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现实施例一的换能器的静态电容匹配方法中的方法步骤。

通过存储在存储器上的计算机程序，并运行在处理器上，通过获取的静态电容值和动态电阻值来确定换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差，基于该固有相位差来对激励信号频率进行自动调节，实现了激励信号的频率追踪；通过激励信号的频率追踪，可以在换能器无匹配电感的情形下，以软件的方式来针对换能器的不同的静态电容值，进行很好地驱动匹配，确保调谐功能的正常实现，进而使得激励信号能稳定地驱动换能器，提升整个换能器的稳定性能。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。

存储器可用于存储计算机程序和/或模型，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模型，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(例如声音播放功能、图像播放功能等)；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(例如音频数据、视频数据等)。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

应理解可由计算机程序实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质包括：至少一个指令，在所述指令被执行时实现实施例一的换能器的静态电容匹配方法中的方法步骤。

通过执行包含至少一个指令的计算机存储介质，通过获取的静态电容值和动态电阻值来确定换能器在谐振状态下电压与电流之间的固有相位差，基于该固有相位差来对激励信号频率进行自动调节，实现了激励信号的频率追踪；通过激励信号的频率追踪，可以在换能器无匹配电感的情形下，以软件的方式来针对换能器的不同的静态电容值，进行很好地驱动匹配，确保调谐功能的正常实现，进而使得激励信号能稳定地驱动换能器，提升整个换能器的稳定性。

同理，实施例三的未尽细节，详见实施例一、实施例二及图1至图7的具体描述，此处不再赘述。

实施例四

如图8所示，一种超声设备，包括：

设备本体；

换能器，设于所述设备本体上；

如图2所示，所述换能器包括静态电容C

实施例二的换能器的静态电容匹配系统，设于所述设备本体上，与所述换能器通信连接，用于调节所述换能器当前工况下的激励信号频率，以匹配当前工况下的所述静态电容对应的静态电容值，并根据所述激励信号频率驱动所述换能器。

本实施例的超声设备，具有可在无匹配电感的情形下，以软件的方式自动匹配静态电容的换能器，具有稳定的调谐功能，以确保整个超声设备的稳定性，使得超声设备能更好地稳定工作。

在本实施例的具体实施方式中，将实施例二的换能器的静态电容匹配系统设置在一个控制器中，将该控制器与图2所示的换能器的电气模型进行通讯，即可实现静态电容的自动匹配。

具体地，本实施例的超声设备可以是超声手术刀、超声诊断仪、超声CT仪等设备。

本实施例超声设备中换能器的静态电容匹配系统的结构与实施例二所述的换能器的静态电容匹配系统的结构相同，因此本实施例的未尽细节，详见实施例一、实施例二及图1至图7的具体描述。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。