林书玉_压电超声换能器的电端匹配电路及其分析.pdf

第卷第期年月压电与声光对。压电超声换能器的电端匹配电路及其分析林书玉张福成陕西师范大学应用声学研究所摘要本文分析了压电超声换能器的几种匹配电路及其匹配原理,推出了超声频电发生 器与换能器之间的理想匹配条件,研究了电端匹配电路对换能器的谐振频率及其有效机电藕合系数的影响,所得结论为压电超声换能器匹配电路的设计提供了一定的理论依据。关键词压电,超声换能器,匹配电路,藕合系数一飞“,元士,宜五叭侧叭仇血力曲叨,留瓜,牡吕,时引宜在超声的各种应用 中,诸如超声探伤,超声测量以及各种各 样的超声处 理 技 术中,超声设备基本上 由三个主 要部分 组成,即超声频电发生器、电端匹配电路及超声换能器。超声频电发生器提供一 定频率及一定功率的超声频电能,电端匹配电路则保证超声频 电能高效率的传输给换能器,而超声换能器则利用逆压电效应把超声频电能转变为机械的超声振动,在一定的区域产生超声波,以完成各种测量及处理过程。由于不 同的应用需要不同的换能器,气因而用于不 同场合换能器的性能,如频率特性、阻抗特性等本文年月日收到年也千差 万别。为保证 超声频电能有效地传输给压电超声换能器,必须在超声频电发生器与换 能器 之间设置匹配电路,用以改变换能器的有关 参数使其 满足电发生器的要求。匹配 电路的加入将对换能器的振动特性有所影响,对于不 同的 电匹配电路,尽管都可以完成匹配功 能,但其匹配原理及其 对换 能器的影响不 同,本文将对上述几方面的内容进行研究。匹配电路的匹配原理及其作用超声频电发生器,匹配 电路以及压电换能器三者 之间的连结框图如图所示。其 中。为换能器的输入阻抗。为换 能器加匹配电路后 的 输 入阻抗。为超声频电发生器的输出阻抗。换能器是一个抗性元件,其输入阻抗可表示为一夕,经匹配电路后其 阻抗变为。声。,。与,的具体关系 由匹配 电路的种类 决定。超声频电发生器的 输 出阻抗一般是纯 阻性的,所以。,根据电发生器的最大功率输 出条件,可得理想匹配条件为。下 面我们将根据上述条件对几种匹配电路的原理及性能进行分析与探讨。尺。忿式中,。了。,了。为换能器的机械谐振频率。之厂广一 一一一一一门一,图变压器匹配电路由式及式得变压器匹配 电路的匹酉己条件为。一黝“。“。丑。“从上式可见,通过改变变压器初次级匝数及匹配电感的 数值,可以实现理想匹配。然而由于变压器的 匝数连 续改变比较困难,因此变压器匹配 电路很难达到理想匹配。但是后面的讨论将指 出,这种匹配 电路可以提高换能器的有效机电棍合系数。电感一电容匹配电路电路原理见图,和为匹配电感及 电容,由上 图可得压压压压压压压电电匹匹匹匹匹匹匹匹配配配配配换能器器。电络络,闷,。戈二干面护了宇币灭“。一。“图超声波发生器原理框图。变压器匹配电路电路原理如图所示。其 中,虚线部分表示压电超声换能器。是换能器的静态电容是等效 电阻是匹配电感为匹配变压器托,、为变压器 初次 级匝数。换能器的输 入阻抗可化为“。卜声一一一。一司图电感一电容匹配电路由式一可得理想匹配条件尺。破。“第期,么。曰“二石友两硕干乙么只纂簇十,“,此时,输入回路的 电品质因数山一餐一,“由式一可见,改变匹配 电路的参数及,可以实现理想匹配,此时匹配 电感及电容一定,故回路的电品质 因数,也随之确定,因此回路的频率特性及滤波特性也就不能改变。总 之电感一电容匹配 电路可以实现理想匹配,但不 能改变回路的 电品质因数,因此不 能保证发生器所需要的频率及滤波性 能。改进的电感一电容匹配电路为克服上述困难,可在上述匹配 电路的基础上增加一个串联可变电容,改进的匹配 电路 能实现理想匹配,又能满足超声频电发生器所需的频率及滤波性能,如图 所示。困由此可见,适当改变,及的大小,既一可以实现理想匹配,义可以改变回路的 电品质因数,从而使回路的 频率及滤波性能满足超声频电发生器的要求。从图一图 可见,匹配 电路也就是一个低通滤波器。与变压器匹配 电路相比,电感一电容匹配电路中增加了一个与换能器相并联的 电容,因此,电感一电容匹配 电路的滤波性能优于变压器匹配电路的滤波性能。匹配电路对换能器振动特性的影响在上面的讨论中,我们假定换能器处于机械共振状态,其谐振频率及等效电路参数保持一定,不受匹配电路的影响。实际上匹配 电路的加入将使换能器的性能参数有所变化。为简化分析,以下讨论中忽略换能器的各种损耗,且考虑换能器处于 空载情况,由此可得换能器的等效 电路,见图。图中,及为换能器的串联等 效 电 感及电容,其输入阻抗一。加乙一,一于一一二了一了下二不又,气一。户“。“夕扩尸了户曰 下一下土匕图改进的电感一电容匹配电路由图 可得。“。,。十式中,。“二。,。,鸟对。巧对。及九为换能器的串联及并联谐振频率,由式可得换能器输入阻抗与频率的曲线,如图。一。一卫之鱼丝生里一芯。洛。乙根据理想匹配条件可得二。二。,“图,忍。,甄瓦乙二十环瓦而万灭砰瓦户谐振附近换能器的等效线路及阻抗曲线图加上匹配电路后见图输入阻抗可路的 电品质因数。一贸一一,二户。了。其中,二为换能器的输入导纳,由式石得。与的关 系 曲线图。年卜一邢乞一一止一习图汗戈匹配电路加换能器的 电路图及其阻抗曲线虚线表示的变化曲线实线表示的变化曲线可以看 出,电感一电容匹配 电路的加入使 串联谐振频率。及并联 谐振 频率,降为 犷及 了矿。串联电感越 大,了。越低,并联电容越大,了厂越低。对于变压器匹配 电路,只有串联电感,换能器的串联谐振频率了。降低,并联谐振 频率,不变。根据 换能器有效机电于九不变而。降低,所以变压器匹配 电路将使换能器的棍,升高。实验根据上文的分析,我们 迸行一 些 实验,对匹配 电路换能器谐振频率及有 效机电祸合系数的影响进行了具体测量。实验分两种情况,即变压器匹配 电路及 电感一电容匹配电路。由于理想变压器漏 感为零,不影响换能器的频率,对变压器匹配电路只考 虑小联电感的影 响。测 量利用夹心式 压电换 能器,测试框图为 图,所得结果见表。表中几及,是换能器 自身的串联及并联谐振 频 率,。及了,为加匹配电路后所得到的频率。图中一代表待测换能器。本 实验 中待 测换能器为一夹心 式压电换能器,其前后盖板的材料 为 硬铝,中间压电材料为片国产压电陶瓷晶片。待测换能器一的性能参数见祸合系数丸的 定义得“一一一丈众由上 述分析可知,匹配电路的加入将改变气“。对于变压 器匹配 电路,由颇颇颇颇信信信毫毫率率率率号号号伏伏计计计计发发发表表生生生生生生生器器器器器器器图谐振频率测试电路框图表换 能器性能参数测试结果加一加电感一电容匹配电路,率一工。二。,。了,。从。浙。表加匹配电路 前待测换能器一的性能参数测试数据,爪瓦。一。山曰表。表 中不,及为换 能器后盖板 及前盖板的长度。为陶瓷片的总厚度为盖板的半一径,及为陶瓷片的 内外孔半径为低频电容氏为介电损耗角正切。及氏皆由低频电容 电桥测得。另外,在表中,匹配电感及 电容 采用标准的可变电感及可变电容器,它们的数据分别利用高频电感及电容测试仪测得,由表数据可见,理论得 出的规一下转第页洁户下寸年生,发出预警信号或 利用应力 变化产生相变,从本身材料 中驾分的析出来填充裂 纹间隙,进行 自修复,以避 免重 大事 故的发生。在光学材料中,如果 不论 外界 条件如 何变化,均 能 自动调整其折射率、透 射率、反射率以及焦距等,使它们保持恒定的 值,则该材料的用途就会无限广 阔。医用材料直接 与人的健康 有关,如果解 热药品自身能在人体内探 测温度,一旦误 服过量药物后,它能作出判断,根据需要或 部分溶解,或不溶解,把多余部分排出休外。人体内植入的人工骨。人造脏器、血管等,若能根 据生 长和治疗状况作 出增殖或分解的判断,自行调整,不 需要再手术,凡此种种,真乃造福 人类不浅。智能材料的应用领域很广,各国正在研究开发,也值得我 们注意。参考文献扒。名,歌执力八机机石忑,高木俊宜才 夕 于口少二夕卜材料。即癸动向雷子材料,如,犷,柳田博明才沙于沙二夕卜电于定夕久工卜夕卜口二夕电 于定夕久,巧力为,泣伽了才,罗丹译半导体陶瓷的微观结 构对效应的影响压电与声光,余承杰组合式氧化锌浪涌吸收器压电与声光,。妞呱已云,切、了、声、产,呜、一子、子、一护甲一甲、夕、了,甲一一一一一一一产一上接 第页律与实验结果一致。结论总结以上分析可得如下结论变压 器匹配电路简单,调节方便,但实现理想匹配较难。简单的电感一电容匹配电路可以实现理想匹配,但不 能改变回路的电品质 因数,不 能得到超声频电发生 器所需的频率及滤波性能。改进的电感一电容匹配电路,既可以实现理想匹配又可得到 电发生器所需的频率及滤 波性能。匹配电路也是一个低通滤 波 器,电感一电容型匹配电路的滤波性能优于变压器匹配电路。匹配电路的加入使换能器的串 联 及并联谐振频率降低,电感及电容值越大,频率下降越多。匹配 电路使换能器的有效机电棍合系数发生 变化,变压器匹配电路使换 能器的有效机电祸合系数升高。参考文献黄洪斌等全晶体管化超声波清洗器的研制与应用声学技术,一林仲茂决定超声换能器最大效率的参量。声学学报,一张沛霖等压电测量北京国防工业出版社,