压电超声换能器电感电容匹配电路的研究

压电超声换能器电感电容匹配电路的研究

在应用于高性能超声的应用中，超声传输设备通常由超声装置、电端对应电路和超声波换能器组成。电端匹配电路的作用是保证超声电信号能高效地传输给换能器。电感电容匹配电路可以实现较理想的匹配,但由于换能器工作受温度升高等条件变化的影响,其输入阻抗及谐振频率将发生变化,若此时还用不变的参数进行匹配,必然导致电路不匹配,效率变低。对此,本文首先分析换能器几个电参数(如C0、R1、L1和C1的)改变对匹配电路的影响规律,然后提出改进电路,实现电感电容匹配电路的最优化。1u3000定性密度的确定图1为超声发生器原理框图。其中,Z0=R0+jX0为电激励发生器的输出阻抗,X0为其电抗,当Z0=R0时为纯阻性。Ze=Re+jXe为换能器加匹配网络后的输入阻抗,Xe为其电抗。换能器是一个抗性元件,其输入阻抗为Zt=Rt+jXt,Xt为其电抗。根据最大功率输出条件,所得理想的匹配条件为(式中j表示虚数)R0=Re,X0=0(1)图2为电感电容匹配电路的电原理图。L、C分别为匹配电感和电容,该匹配电路的总阻抗为Ζe=Re+jXe=R11+ω2S(C+C0)2R21+j[ωSL-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21](2)式中ωS=1/√L1C1为换能器的串联角频率。此电路的理想匹配条件为R0=Re=R11+ω2S(C+C0)2R21(3)X0=Xe=ωSL-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21=0(4)因此,调整L和C的值可以实现理想的静态匹配。由于一般功率超声换能器的串联频率为几十千赫兹,数量级为104Hz;C0一般为几到十几纳法,数量级为10-9F;R1为几十欧姆,数量级为102Ω,故式(3)分母项中的ω2S(C+C0)2R21的数量级为10-4,远小于1,如果其变化的数量级不增加到104,则有1+ω2S(C+C0)2R21≈1(5)Re≈R1(6)Xe=ωSL-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21≈ωSL-ωSR21(C+C0)(7)当L1、C1不变,R1或C0变化时,式(6)、(7)说明对总电抗Xe有影响:C0或R1增大,Xe呈容性改变,反之呈感性改变;当C0、R1不变,C1或L1变化时,将ωS=1/√L1C1代入式(7),得Xe≈ωSL-ωSR21(C+C0)=[L-R21(C+C0)]1√L1C1(8)(1)若R1和C0均不改变,电路满足匹配条件Xe=0,则无论C1或L1如何变化,Xe=0不变。(2)若R1和C0改变,电抗Xe随C1或L1的平方根成反比例关系,但Xe的电抗性质由R1和C0的变化决定。L>R21(C+C0)时,Xe只是感性改变,反之容性改变。2u3000xescd-sr21c+c0值的计算由上述分析知,只要减小C0和R1的影响,就可提高匹配电路对换能器电参数变化的适应能力。在电路中串联匹配电容Cd,电原理图如图3所示。该匹配电路的的总阻抗为Ζe=Re+jXe=R11+ω2S(C+C0)2R21+j[ωSL-1ωSCd-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21](9)其电路的理想匹配条件为R0=Re=R11+ω2S(C+C0)2R21≈R1(10)X0=Xe=ωSL-1ωSCd-ωSR21(C+C0)1+ω2S(C+C0)2R21≈ωSL-1ωSCd-ωSR21(C+C0)=0(11)若满足Cd<<(C+C0),当ωS为几十赫兹时有:1ωSCd＞＞ωSR21(C+C0),则式(11)可写成Xe≈ωSL-1ωSCd-ωSR21(C+C0)≈ωSL-1ωSCd(12)L1和C1不变,R1或C0变化时,由式(10)、(12)可知,只要合理选择Cd和L的值,Xe几乎不随C0或R1改变。电路的改进效果较好,解决了上述问题,可以较理想地匹配。当C0和R1不变,C1或L1变化时,将ωS=1/L1C1代入式(12),得Xe≈1L1C1(L-L1C1Cd)(12)(1)当C1或L1增大时,(L-L1C1Cd)＜0‚Xe呈容性改变,但其值还要乘上一个系数1/L1C1,该系数随之减小,因而容性变化幅度要小一些。(2)当C1或L1减小时,(L-L1C1Cd)＞0‚Xe呈感性改变,其值乘上了一个随之增大的系数1/L1C1,因而感性变化要比容性变化的幅度大得多。3转换电容的c、cd在改进电路中,只要Cd满足一定的条件,选择合适的L和C,影响电匹配的主要因素是C1和L1,并且引起的感性改变要远大于容性变化,因而从匹配电路感性变化这方面进行改进较为现实。文献测出了压电陶瓷静态电容随温度变化的曲线,据此提出的电路原理图如图4所示。将图3电路中的电容Cd分成两部分进行串联或并联,本文选择用Cd1和变容二极管Cd2串联组成,其匹配原理为:当换能器温度变化时,其电参数改变,引起的匹配电路感性改变。同时感温电阻阻值也随之改变,并控制变容二极管的反向偏压,改变其电容量,补偿匹配电路的感性改变,则匹配电路总电抗改变为0,达到稳定匹配的目的。4温度对匹配电路匹配能力的影响实验样品是夹心压电陶瓷超声换能器,静态时:R1=20Ω,C1=343.255pF,L1=168.781mH,C0=8.63nF。根据上述要求Cd≪(C+C0),经仿真实验,满足稳定匹配条件的经验值是:C=(1或5)C0‚Cd＜110或100(C+C0)L可根据匹配条件计算得出。本文选用负温度系数的电阻Rt1和Rt2作为换能器温度的采样电阻。两个温变电阻保证加到变容二极管上的反向偏压,能控制电容变化趋势与C1和L1影响匹配电路的感性变化趋势相同,确保最优匹配。用流过L的电流和加到匹配电路电压的相位差变化反应匹配程度,也就反映了换能器工作时,温度对其参数的影响造成匹配电路的改变情况,相位差越大,匹配电路匹配能力越差。实验方法为分别测量匹配电路在变容二极管Cd1工作和不工作两种情况下,相位差随温度的变化。实验结果的关系拟合曲线如图5所示。比较曲线可见,改进的匹配电路加上变容二极管控制后,更能适应换能器工作时温度变化引起的参数改变,同时Cd1未工作时仍有相位差的改变,这主要是由于C1和L1引起的容性变化所至。5换能器的c0对于改进的电容-电感匹配电路来讲,当超声功率换能器工作频率在几十千赫兹时,如果选择C满足Cd≪(C+C0)的关系,匹