超声波换能器原理

超声波换能器基本原理
         首先由信号超声波发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是超声波换能器的频率，一般在超声波设备中使用到的超声波频率为25KHz、28KHz、35KHz、40KHz；1OOKHz或以上现在尚未大量使用．但随着以后精密清洗的不断发展。  相信使用面会逐步扩大．比较完善的超声波发生器还应有反馈环节，主要提供二个方面的反馈信号：

  第一个是提供输出功率信号，我们知道当超声波发生器的供电电源（电压）发生变化时．超声波发生器的输出功率也会发生变化，这时反映在超声波换能器上就是机械振动忽大忽小，导致清洗效果不稳定．因此需要稳定输出功率，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定.

   第二个是提供频率跟踪信号．当超声波换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳定，而超声波换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变，当然这种改变的频率只是漂移，变化不是很大，频率跟踪信号可以控制信号超声波发生器，使信号超声波发生器的频率在一定范围内跟踪超声波换能器的谐振频率点．让超声波发生器工作在最佳状态。

  当然随着现代电子技术，特别是微处理器(uP)及信号处理器(DSP)的发展，超声波发生器的功能越来越强大，但不管如何变化，其核心功能应该是如上所述的内容，只是每部分在实现时技术不同而已。

  但模拟功率放大器有几个缺点： (1)不易使用现代的微处理器来处理，由于该电路呈现一个比较典型的模拟线路特征，用数字处理比较复杂，涉及到A／D(模拟转数字)和D／A(数字转模拟)，成本比较高，可靠性低． （2）模拟控制电路存在控制精度低，动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重，容易老化等缺点．专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在．（3）此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题． 用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性．此外．还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化 。


   二、超声波换能器应用数字化控制技术一般有三种形式：

(1) 采用AVR高档单片机控制 单片机是一种在一块芯片上集成了CPU．RAM／ ROM、定时器／计数器和I／O接口等单元的微控制芯片， 具有速度快，功能强、效率高、体积小，性能可靠、抗干扰能力强等优点，在各种控制系统中应用广泛。单片机的CPU经历了由4、8，16、32直至64位的发展过程。在超声波发生器中，单片机主要用作数据采集和运 算处理、电压电流调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。配合D／A转换器和MOSFET功率模块实现脉宽调制．另外，单片机还具有对过流，过热。欠压等情况的中断保护以及监控功能。 单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现灵活多样的控制功能． 

(2)采用DSP控制 数字信号处理器{DSP}是近年来迅速崛起的新一代可编程处理器．其内部集成了波特率超声波发生器和FiFO缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了采样／保持和A／D转换电路，并提供PWM信号输出．与单片机相比，DSP具有更快的CPU．更高的集成度和更大容量的存储器． DSP属于精简指令系统计算机(Risc)，大多数指令都能在一个周期内完成并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令．同时，DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据．内置高速的硬件乘法器，增加了多级流水线．使其具有高速的数据运算能力．而单片机为复杂指令系统计算机(CiSC)，多数指令要2-3个指令周期才能完成．单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存储，同一时刻只能单独访问指令或数据．单片机的ALU只能做加法，而乘法则需 要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢。与16位单片机相比．DSP执行单指令的时间快8—10倍，一次乘法运算时间快16-30倍． 在超声波发生器中。DSP可以完成除功率变换以外的所有功能，如主电路控制、系统实日十监控及保护．系统通信等．虽然DSP有着许多优点，但是它也存在一些局限性，如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等．这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。

{3}采用FPGA控制 现场可编程门阵列(FPGA)属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快．效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程I／O模块、可编程内部连线．由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万千等效门．所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑．替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL)来对系统进行设计，采用三个层次(行为描述、PJL描述、门级描述)的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势．比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用；而当系统取样速率高(MHz级)，数据率高(20MB／s以上)、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势。

  三、几种典型的开关式超声波发生器电路型式 

   1、半桥型． 半桥型电路比较简单，PWM控制器是一块多功能IC(集成电路)，兼作频率超声波发生器及脉宽调制器，还集成一些保护性电路。负反馈电路等．一般采用TL494，Ic的输出经过信号驱动后供开关管．二个开关管轮流导通，抗匹配，供超声波换能器使用。功率的调节有两种方式；第一种是调节频率。由于超声波换能器在谐振频率时输出功率最大，其消耗功率也大，因此当调节频率为超声波换能器的谐振频率时，其功率最大，我们可以调偏频率，使超声波换能器偏离谐振频率，超声波换能器的功率也会降低，偏离频率越大，功率降低越大，达到调节功率的目的． 另一种方式 是固定频率，调节占空比。当开关管导通时间较长时，输出的功率较大，导通时间较小．输出功率变小，如图4所示。 这种形式的电路还可以加上功率负反馈电路，当电源电压变化时可以通过反馈调节占空比，使输出功率稳定． 

  2、全桥型 全桥型原理基本上与半桥型相似．它是通过一对管同时开关而在负载上得到变频信号．当TAl与TA2导通而TB1,TB2截止时。Tout得到①负②正信号；当TB1,TB2导通而TAl与TA2截止时，Tout得到①正②负信号，如此循环，在Tout①、②得到一个交变的功率信号。 全桥型超声波发生器的功率调节也可分为二种情况，与半桥型相似。 功率控制频率自动跟踪的工作原理 在超声波电源的应用，振动系统的温度、刚度、及负载力等因素的变化使得系统的谐振频率发生了漂移，而振动系统是否能始终处于谐振状态是超声应用能否进行及原量优劣的关键，故频率自动跟踪及跟踪的速度和精度至关重要。 超声电源采用功率设置频率跟踪方式，即采样负载的电压与流过的电流相位源，当相位为某一设定值时，超声波换能器呈纯阻性，系统工作在谐振状态。

  北京亿伟亚超声波：目前应用最广泛的是压电陶瓷片超声波换能器，其在振荡频率点附近电路，除去静去电容，超声波换能器是一个串联谐振网络。L、C、R分别为超声波换能器的动态电感、动态电容、动态电阻。 由式中可知谐振时，整个网络等效于纯电阻性，电压和电流的相位差为零。因此，超声波换能器两端的电压和电流，经过相位比较，得出相位差，用相位差作反馈信号控制功率及频率的变化可以实现机械谐振的自动跟踪。超声电源硬件级构如图所示，PIC单片机是超声电源的控制器，通过捡测超声波换能器的信号与及操作面板的设置来控制功率的输出大小和输出频率的变化。 该超声焊接电源控制产品主要特点：适合各种大中功率阵列多台网络控制，操作比效简便，只需设计每台所需要邻近频率与需要的邻近功率及调整精度即可。 在超声波焊接电源的应用，超声超声波换能器振动的温度、刚度、及负载力等因秦的变化使得系统的谐振频率发生了漂移，而振动系统是否能给始终处于谐振状态是超声能否进行及质量优劣的关键，故须频率自动跟踪及功率自动调整和精度至关重要。
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