超聲波換能器的匹配設(shè)計

1、超聲波換能器的匹配設(shè)計一、匹配概述超聲波發(fā)生器與換能器匹配包括兩個方面，一是通過匹配使發(fā)生器向換能器輸出額定的電功率，這是由于發(fā)生器需要一個最佳的負(fù)載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負(fù)載，也即阻抗變換作用；二是通過匹配使發(fā)生器輸出效率最高，這是由于換能器有靜電抗的原因，造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定相位差，從而使輸出功率得不到期望的最大輸出，使發(fā)生器輸出效率降低，因此在發(fā)生器輸出端并上或串上一個相反的抗，使發(fā)生器負(fù)載為純電阻，也即調(diào)諧作用。由此可見匹配的好壞直接影響著功率超聲源的產(chǎn)生和效率。 二、阻抗匹配為了使功率放大器輸出額定功率最大；在電源電壓給定條件下主要取

2、決于負(fù)載阻抗。一般在D類開關(guān)型功放中其發(fā)生器變壓器初級等效負(fù)載Rl'上的輸出功率表達(dá)式為：式中，VAm為等效負(fù)載上的基波幅度；vcc為電源電壓；vces為功放管飽和壓降，故為了保證系統(tǒng)有一定功率余量(因輸出變壓器，末級匹配回路及晶體管損耗電阻都有損耗，po' 需要乘上一個約等于1415的系數(shù)。即輸出功率po為15Po'；從上式可知，在電源電壓給定之后，輸出功率的大小取決于等效負(fù)載RL。目前大多數(shù)功率超聲發(fā)生器的負(fù)載為壓電型換能器，其阻抗約為幾十歐姆至幾百歐姆間，為了要達(dá)到要求的額定功率，因此需要對換能器負(fù)載RL進(jìn)行阻抗變換。由高阻抗變換為低阻抗。一般常用的方法，通過輸出

3、變壓器的初次級線圈的匝數(shù)比進(jìn)行變換。變壓器次初級匝數(shù)比為nm，則輸出功率PO時的初級電阻舉例：要求一發(fā)生器輸出在換能器上的功率為1000W，設(shè)直流電VCC為220V，VCES=10V，功率應(yīng)留有一定余量，則PO=1.5PO'=1500W。則變壓器初級的 6.5若換能器諧振時等效電阻RL200，則輸出變壓器次級初級圈數(shù)比以上稱謂阻抗變換，是通過輸出變壓器實行的。輸出變壓器是超聲波發(fā)生器阻抗匹配、傳輸功率的重要部件，它的設(shè)計與繞制工藝對發(fā)生器的工作安全是十分重要的。它不僅會以漏感、勵磁電流等方式影響電路的工作，其漏感還是形成輸出電壓尖峰的主要原因。為此，在設(shè)計時，應(yīng)選取具有高磁通密度B，高

4、導(dǎo)磁率，高電阻率c和 低矯頑力Hc的高飽和材料作鐵芯。一般在防止高頻變壓器的瞬態(tài)飽和時，在設(shè)計時要注意如下幾點：1工作磁通密度B的選取鐵芯材料的磁感應(yīng)增量B愈大，所需線圈匝數(shù)愈少，直流電阻R也愈小，從而線圈的銅損 Pm也愈小。B取得高時，傳輸?shù)拿}沖前沿就愈陡。因此，在設(shè)計變壓器時，選取高磁通密度的材料作鐵芯，這對降低變壓器的損耗、減小體積和重量都是很有利的。為了避免在穩(wěn)態(tài)或過渡過程中發(fā)生飽和，一般選取工作磁通密度BBs3為宜，這里Bs為磁芯的最大和磁通密度。2.要保證初級電感量足夠大一般要求變壓器初級阻抗應(yīng)滿足下式關(guān)系：WLl15RL'，其中RL' 為次級負(fù)載所算到初級邊的等效

5、電阻值，WLl為初級電感感抗，若初級電感量太小，勵磁電流將比較大，勵磁電流過大，變壓器的損耗將增加，溫升隨之增高，從而降低Bs，使變壓器進(jìn)入飽和的可能性增大。3要考慮“集膚效應(yīng)”的影響    在高頻工作時，流過導(dǎo)線的電流會產(chǎn)生“集膚效應(yīng)”。這相當(dāng)于減少了導(dǎo)線有效截面積，增加了導(dǎo)線的電阻，從而引起導(dǎo)線的壓降增大，導(dǎo)致變壓器溫度升高，結(jié)果增大了變壓器進(jìn)入飽和的危險性，建議采用小直徑的多股導(dǎo)線并繞的方法。三、調(diào)諧匹配由于壓電換能器有靜電容Co，磁致伸縮換能器有靜電感LO，在換能器諧振狀態(tài)時，換能器上的電壓VRL與電流IRL間存在著一相位角，其輸出功率POVRLIRLco

6、s。由于的存在，輸出功率 達(dá)不到最大值。只有當(dāng)=0時，輸出功率達(dá)最大值。因此為了使換能器上電壓VRL與電流IRL同相  (=0)，則必須在換能器上，并上或串上一個相抵消的抗。對于壓電換能器而言，即并上或串上一 個電感L0即可，而磁致伸縮換能器應(yīng)并上或串上一個電容C0。壓電換能器的阻抗或?qū)Ъ{等效電路如圖152所示。在等效電路圖中 式中R'(f)，X'(f)為串聯(lián)電阻和電抗；R(f)，G(f)，B(f)為并聯(lián)電阻、電導(dǎo)和電納。它們都是頻率 的函數(shù)。并聯(lián)調(diào)諧和串聯(lián)調(diào)諧電感量由下式確定：下面我們比較一下兩種調(diào)諧的差異      

7、;           圖1-53，1-54是一種換能器兩種調(diào)諧計算曲線，由計算表明，1. 由于換能器的串聯(lián)電抗比并聯(lián)電抗小，故有L串<L并2. 并聯(lián)調(diào)諧不改變換能器并聯(lián)電導(dǎo)響應(yīng)，而串聯(lián)調(diào)諧后電導(dǎo)響應(yīng)呈雙峰，導(dǎo)納圓圖為二個重疊的圓。3. 串聯(lián)調(diào)諧的有功阻比并聯(lián)調(diào)諧后有功阻小，即串聯(lián)調(diào)諧可獲得相對低的輸入電阻。4. 從串、并聯(lián)調(diào)諧的輸入相角過零點情況看，作為寬帶特性并聯(lián)調(diào)諧優(yōu)于串聯(lián)調(diào)諧。5. 目前在功率超聲中用串聯(lián)調(diào)諧較多，除上述串聯(lián)的特性外，還有當(dāng)換能器負(fù)載有短路現(xiàn)象時，因串聯(lián)調(diào)

8、諧有電感串在發(fā)生器輸出回路中，不會使功放負(fù)載造成完全短 路。在實際匹配電路調(diào)節(jié)中，有時要稍調(diào)獲感性負(fù)載為好，對功放電路有利，有的末極功放發(fā)射極上串上一小電感可能也有好處。前面也曾提到，作為電壓開關(guān)的D類功放，容性負(fù)載造成對高次諧波的短路作用，會給開關(guān)帶來危險。但也要注意感性負(fù)載會使管子反峰電壓增加。 四、關(guān)于匹配電感的設(shè)計匹配電感通常就是鐵蕊線圈的電感，其電感量可按下式計算。 式中為線圈匝數(shù)，Sc為鐵芯有效截面積(cm2)；lc鐵芯平均磁路長度(cm)；e鐵芯有效磁導(dǎo)率，式中，鐵芯磁導(dǎo)率,lg鐵芯中非磁致間隙長度(cm)；因為lg/lc1,故所以由此可見電感L與間隙lg近似

9、成反比，調(diào)節(jié)lg間隙即可調(diào)節(jié)LO。設(shè)計電感有以下幾個步驟；(1)  按sc選鐵芯式中V為輸出電壓有效值(V)；f為工作頻率(Hz)；B為鐵芯磁感應(yīng)強度。一般選MXO一2000E型磁芯較多，匝數(shù)計算如下；(2)計算磁芯間隙lg (3)確定導(dǎo)線    考慮到高次諧波和超聲頻率較高，順計及高頻電流的鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)的因素。當(dāng)f>10kHz時由鄰近效應(yīng)引起的交流電阻R約為其直流電阻Rd的210倍，銅耗pr也要比直流銅耗Pro增大同樣倍數(shù)。令增大倍數(shù)為k，則：Pr=kPro因此，為維持電感線圈的正常升溫，電流密度必須按照常規(guī)允許值的1k-1來選擇。關(guān)于集膚效應(yīng)，常用高頻電流的穿透