一种超声波换能器阻抗自动匹配的方法

技术领域

本发明涉及电学领域，具体涉及一种自动阻抗匹配方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，各领域的重大突破，超声波应用己经跨越大部分领域，不仅在国防工业领域、军工领域、医学领域及生活领域都占有举足轻重的地位，在经济体中的重要性也愈加明显。同时，超声波传感器被广泛用于桥梁水下地形测量及河道水深测量等领域。

该领域中超声波传感器需配备一定长度的电缆为其供电。由于桥梁规模不同及河道所处环境不同，传感器配备的电缆长度均有所变化。而电缆长度的变化会改变电流阻力、传感器的接收电压，导致超声波传感器中的超声波换能器激励电源不稳定，进而降低其测量信号而引起水深及地形的误差。

目前，解决这一问题的方式有两种。第一种方式为：传感器配备标准长度的电缆以保证电压稳定，但该方法也有弊端。一方面存在实际应用过程中电缆材料的浪费，另一方面电缆长度过短时需增加电缆长度而降低传感器实际接受电压，导致测量精度不高。第二种方式为：根据不同的应用场景增加电缆长度，同时修改电路，调节阻抗。但此种方式操作复杂，不利于产品标准化及规模化生产。

超声振动系统主要由超声驱动电路、匹配电路、换能器和超声加工工具构成。其中，驱动电路主要包括信号产生电路、信号处理及功率放大等，是超声系统的能量来源；超声加工工具一般为手术的执行工具；超声换能器是主要的能量转换元件，将驱动电路产生的电能转化成加工设备所需要的能量，如机械能、热能等；匹配电路则是调高超声换能器的能量转换甚至是否工作的关键电路。

阻抗匹配即超声换能器的阻抗等于超声波激励电源的内阻抗，即当超声波激励电源的频率和超声波探头的谐振频率一致时，电路的阻抗最小，发射的功率最大。超声波换能器的阻抗匹配反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系，当电路实现阻抗匹配时，电路的耦合状况最佳、输出功率最大，反之则产生反射功率，换能器获得的能量比较小，能量损耗比较大，容易烧坏线路，对电路产生损害，因此必须对驱动电路进行阻抗匹配。目前国内对于传感器的阻抗匹配通过串并联改变超声波探头的Lr或者Cr，一般采用继电器切换实现。由于继电器体积大，成本高，切换过程中还会有电磁干扰，会影响传感器的准确度。

因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术所产生的问题，本发明提供了一种精度高、操作简单、成本低、灵活性高的超声波换能器自动阻抗匹配方法。

为达到上述目的，本发明一种超声波换能器自动阻抗匹配方法可采用如下技术方案：

一种超声波换能器阻抗自动匹配的方法，包括以下步骤：

1)连接超声波探头驱动电路形成超声波换能器，所述超声波探头驱动电路包括超声波激励电源、超声波探头，已知所述超声波探头的谐振频率点，且所述超声波激励电源输入频率不稳定；

2)在所述超声波探头驱动电路中接入半导体旁路开关；所述半导体旁路开关控制电容模块与电感模块的工作状态，当半导体旁路开关闭合时，所述电容模块与电感模块不工作，当半导体旁路开关断开时，所述电容模块与电感模块工作；

3)建立若干电容切换电路并接入超声波探头驱动电路形成电容模块，所述电容切换电路包括半导体电容开关、电容元件；建立若干电感切换电路并接入超声波探头驱动电路形成电感模块，所述电感切换电路包括半导体电感开关、电感元件；其中，所述半导体电容开关、半导体电感开关的状态包括闭合和断开；所述电感切换电路的半导体电感开关闭合时，超声波探头驱动电路中接入该电感切换电路的电感元件；半导体电感开关断开时，超声波探头驱动电路中不接入该电感切换电路的电感元件；电容切换电路的半导体电容开关闭合时，超声波探头驱动电路中接入该电容切换电路的电容元件；半导体电容开关断开时，超声波探头驱动电路中不接入该电容切换电路的电容元件；所述半导体电容开关改变接入的电容元件的数量、所述半导体电感开关改变接入的电感元件的数量；

4)建立控制单元，所述控制单元比较比较所述超声波激励电源的输入频率与谐振频率点大小，改变电容模块中半导体电容开关、电感模块中半导体电感开关的状态进而改变超声波探头的谐振频率，直至谐振频率与所述谐振频率点一致，达到最佳阻抗匹配。

进一步的，当所述谐振频率点高于超声波激励电源输入频率时，断开所述电容模块的全部半导体电容开关；当谐振频率点低于超声波激励电源输入频率时，断开所述电感模块的全部半导体电感开关。

进一步的，在所述超声波驱动电路中接入电流检测模块，当超声波驱动电路中电流最大时，谐振频率与所述谐振频率点一致。

进一步的，所述电容模块单独工作；所述电感模块单独工作；所述电容模块与电感模块同时工作。

进一步的，所述若干电容切换电路并联；所述若干电感切换电路并联。

进一步的，所述谐振频率随电感元件的减少而降低；随电容元件的减少而增大。

进一步的，所述超声波探头包括一个电阻、一个电感元件和一个电容元件。

进一步的，所述超声波激励电源产生正负两种方波信号。

进一步的，所述半导体旁路开关、半导体电容开关、半导体电感开关设有设有两组MOS管，且对顶设置。

进一步的，上电初始，所述半导体旁路开关、半导体电感开关、半导体电容开关为闭合状态。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明在超声波驱动电路中接入电容模块和电感模块，且电容模块、电感模块与超声波驱动电路只需改变接入的电容元件和电感元件，即可实现超声波探头与超声波激励电源的阻抗匹配，操作简单；

2、本发明所用的开关均为半导体开关，体积小且成本低，切换过程中无电磁干扰；

3、本发明在电容模块和电感模块分别加入多个电容切换电路和电感切换电路，可提高谐振频率的精度，从而提供阻抗匹配的精度；

4、本发明所采用的电路兼容性好，可配适多种超声波探头，灵活性高。

附图说明

图1为本发明的总体电路示意图；

图2为只接入电容模块的电路示意图；

图3为只接入电感模块的电路示意图；

图中，Lr为超声波探头的电感元件、Cr为超声波探头的电容元件，R为超声波探头的电阻、Qs为半导体旁路开关、Qcs1为第一个电容切换电路的半导体电容开关、Cs1为第一个电容切换电路的电容元件、Qcsn为第n个电容切换电路的半导体电容开关、Csn为第n个电容切换电路的电容元件、QLs1为第一个电感切换电路的半导体电感开关、Ls1为第一个电感切换电路的电感元件、QLsn为第n个电感切换电路的半导体电感开关、Lsn为第n个电感切换电路的电感元件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1所示，本发明公开了一种超声波换能器阻抗自动匹配的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)连接超声波探头驱动电路形成超声波换能器，超声波探头驱动电路包括超声波激励电源、超声波探头，已知所述超声波探头的谐振频率点，且所述超声波激励电源输入频率不稳定；

2)在所述超声波探头驱动电路中接入半导体旁路开关Qs；所述半导体旁路开关Qs控制电容模块与电感模块的工作状态，当半导体旁路开关Qs闭合时，所述电容模块与电感模块不工作，当半导体旁路开关Qs断开时，所述电容模块与电感模块工作；

3)建立若干电容切换电路并接入超声波探头驱动电路形成电容模块，所述电容切换电路包括半导体电容开关Qcs、电容元件Cs；建立若干电感切换电路并接入超声波探头驱动电路形成电感模块，所述电感切换电路包括半导体电感开关QLs、电感元件Ls；其中，半导体电容开关、半导体电感开关的状态包括闭合和断开；谐振频率随电感元件Ls的减少而降低；随电容元件Cs的减少而增大。电感切换电路的半导体电感开关QLs闭合时，超声波探头驱动电路中接入该电感切换电路的电感元件Ls；半导体电感开关QLs断开时，超声波探头驱动电路中不接入该电感切换电路的电感元件Ls；电容切换电路的半导体电容开关Qcs闭合时，超声波探头驱动电路中接入该电容切换电路的电容元件Cs；半导体电容开关Qcs断开时，超声波探头驱动电路中不接入该电容切换电路的电容元件Cs；所述半导体电容开关Qcs改变接入的电容元件Cs的数量、所述半导体电感开关QLs改变接入的电感元件Ls的数量；

4)建立控制单元，所述控制单元比较比较所述超声波激励电源的输入频率与谐振频率点大小，当谐振频率点高于超声波激励电源输入频率时，断开所述电容模块的全部半导体电容开关；当谐振频率点低于超声波激励电源输入频率时，断开电感模块的全部半导体电感开关，以改变电容模块中半导体电容开关Qcs、电感模块中半导体电感开关QLs的状态，以改变电容元件、电感元件的数量，进而改变超声波探头的谐振频率，直至谐振频率与所述谐振频率点一致，达到最佳阻抗匹配。本发明通过在超声波驱动电路中接入电流检测模块来判断谐振频率与所述谐振频率点是否一致：当超声波驱动电路中电流最大时，谐振频率与谐振频率点一致。

电容模块单独工作；电感模块单独工作；电容模块与电感模块同时工作。本实施例中，电容模块与电感模块并联、且均串联入超声波探头驱动电路。且电容切换电路中设有一个电容元件Cs和半导体电容开关Qcs形成并联电路，若干电容切换电路并联行成电容模块。电感切换电路中设有一个电感元件Ls和半导体电感开关QLs形成并联电路，若干电感切换电路并联形成电感模块。上电初始，半导体旁路开关Qs、半导体电感开关QLs、半导体电容开关Qcs为闭合状态。

本实施例中，超声波探头包括一个电阻R、一个电感元件Lr和一个电容元件Cr，并且串联而成。超声波激励电源产生正负两种方波信号。半导体旁路开关Qs、半导体电容开关Qcs、半导体电感开关QLs设有两组MOS管，且对顶设置。由于超声波激励电源是一个有正有负的方波，为了防止半导体旁路开关Qs、半导体电容开关Qcs、半导体电感开关QLs在闭合、断开的时候回路电流通过体二极管反流，本发明采用对顶的MOS管防止电流回流，该电路同时还具有抗干扰作用，在开关时引入一个回差，回差电压等于MOS管的体二极管压降。

下面对超声波换能器自动阻抗匹配进行具体说明，半导体旁路开关Qs、半导体电容开关QCs1至QCsn、半导体电感开关QLs1至QLsn默认全部闭合，此时超声波探头驱动电路中，电容模块与电感模块均不工作。

请参阅图2所示，当超声波探头驱动电路中的谐振频率点高于超声波激励电源输入频率时，断开全部半导体电容开关以及半导体旁路开关Qs，此时超声波探头驱动电路中只有电感模块工作，接入电感模块的全部电感，只用电感模块调节。之后，逐步断开半导体电感开关QLs1至QLsn，使接入的电感量逐步增大，从而使超声波探头的谐振频率逐步降低。检测到回路里的电流最大时，此时接入的电感为最佳电感，达到阻抗匹配。但如果此时超声波探头驱动电路中的谐振频率点仍不匹配超声波激励电源输入频率时，采用电感与电容模块共同调节，逐步闭合半导体电容开关Qcs并检测电流变化，直至回路电流达到最大值，此时对应为电容及电感最佳阻抗匹配。

请参阅图3所示，当超声波探头驱动电路中的谐振频率点低于超声波激励电源输入频率时，断开全部半导体电感开关以及半导体旁路开关Qs，此时超声波探头驱动电路中只有电容模块工作，接入电容模块的全部电容，只用电容模块调节。之后，逐步断开半导体电容开关QCs1至QCsn，使接入的电容量逐步减小，从而使超声波探头的谐振频率逐步增大。当检测到回路里的电流最大时，此时接入的电容为最佳电容，达到阻抗匹配。但如果此时检测到超声波探头驱动电路中的谐振频率点仍不匹配超声波激励电源输入频率时，采用电感与电容模块共同调节，逐步闭合半导体电感开关QLs并检测电流变化，直至回路电流达到最大值，此时对应为电感及电容最佳阻抗匹配。

综上，本发明一种超声波换能器自动阻抗匹配方法具有精度高、操作简单、成本低、灵活性高的特点。