负载对超声换能器共振频率影响及其匹配分析

研究液体负载对换能器共振频率的影响。在等效电路理论的基础上,对大功率夹心式压电超声换能器的负载特性进行研究,探讨两种不同液体负载(水和油)、水负载体积变化和温度变化对换能器共振频率的影响,进一步研究带负载换能器阻抗匹配的调节。结果表明:不同液体负载换能器共振频率不一样;水作为液体负载时,其体积或温度变化时,换能器共振频率也会变化。因此,当负载变化时,要不断调节匹配元件,才能完全达到谐振。     

压电换能器谐振频率动态检测的研究

超声波换能器串联谐振频率的检测和研究都是基于静态分析,因而存在无法对实际应用电路进行动态参数的识别和实时跟踪的缺点.基于压电换能器的等效电路,结合导纳圆分析,提出了一种检测换能器谐振频率和相关参数的方法.该方法对超声波电源实现自动识别、跟踪以及动态匹配压电换能器谐振频率等具有非常重要的参考作用.动态检测结果表明,该方法可以较好地检测出压电换能器的谐振频率.     

基于阻抗匹配的超声手术刀频率跟踪方法研究

随着科技的发展,超声手术刀在医疗上的运用越来越广泛。在实际应用中,为了让超声手术刀的换能器能尽可能高效率地将电能转换成机械能,利用并联阻抗匹配实现了超声手术刀的阻抗匹配,让超声手术刀的换能器呈现纯阻抗,从而使换能器的输出功率最大,并且减少了换能器的发热,延长了使用寿命。另外超声手术刀的换能器在使用过程中,换能器的各项参数会随着温度以及环境等发生改变,因此设计了一种针对换能器的谐振频率进行变频的频率跟踪方法,通过对电流和电压的相位差进行跟踪,然后送入到FPGA进行运算,得到一个相位差,当相位发生偏差的时候,则采用一个变频公式调整输出频率,从而达到频率跟踪的效果。通过实际验证,所设计的超声手术刀阻抗匹配和频率跟踪方法可以很好地实现在不同负载下的频率自动跟踪,并且运行可靠。     

基于FPGA的宽频超声波电源频率跟踪系统设计

针对传统超声波电源无法驱动及锁频不同谐振频率段的换能器,实现不了宽频域内的锁相和频率跟踪的问题,设计了一种基于FPGA的具有自动频率搜索与跟踪、动态匹配不同谐振频率换能器的宽频域超声波电源。根据换能器的阻抗特性曲线,设计出动态步长的宽频域频率搜索方法,快速跟踪到换能器的谐振频率,并根据反馈电路的电压电流相位差,实时调整输出频率,锁定整个系统工作在谐振状态。实验结果表明,设计的宽频域超声波电源频率搜索快、跟踪准,动态匹配换能器适应性好。     

导波激励/接收压电换能器参数检测电路的设计与实现

提出了一种基于π网络零相位法的测量压电换能器谐振频率、反谐振频率和静电容的新方法,并据此设计研制了试验测量装置,对压电换能器的谐振频率、反谐振频率及自由电容等参数进行测量。经过试验测试,该装置可以实现压电换能器基本参数的测量。     

高频磁致伸缩换能器输出力特性分析与测试

磁致伸缩换能器可以将电能转换成机械振动，输出力特性是影响换能器机电转换效率的关键因素。基于动力学方程和阻抗特性研究，采用机－电类比方法，建立换能器机电等效电路。为了扩大模型应用范围，研究了不同频率对机电转换变量的影响并对模型参数进行修正，分析换能器的输出力特性， 搭建实验平台，通过力传感器测量换能器不同输入电流与频率下的输出力特性。结果表明，谐振频率下的输出力振幅与阻抗分析结果相吻合，模型参数修正后可以较好的预测换能器不同工作状态下输出特性。     

Fe-Ga窗式换能器结构设计与分析

针对目前换能器工作效率低,结构性差等问题,设计了一种以Fe-Ga材料为核心的窗式换能器。搭建实验平台对窗式换能器中的核心元件Fe-Ga材料进行磁特性测量,绘制了Fe-Ga材料在不同频率下的磁滞曲线,计算了对应的磁损耗、矫顽力以及剩磁的大小,构建了变幅杆的理论模型,以变幅杆纵振波动方程为基础,通过理论计算,推导了变幅杆的谐振频率、位 移节点、放大倍数。最后通过COMSOL多物理场有限元软件对换能器建立了仿真模型,通过磁－力耦合对换能器进行了频域和时域仿真,得到了换能器的谐振频率、位移大小以及应力分布情况,通过仿真验证了换能器理论计算的准确性,为下一步的换能器制作提供了有效的指导作用     

串联感应加热电源相角保护

数字感应加热电源在工业中一般采用串联负载与PFM调功方式。串联负载谐振与PFM调功方式要求逆变器频率稳定工作在感性区,但在实际工作过程中逆变器频率可能会由感性区越过谐振点滑入容性区,引起逆变器发生"炸管"现象。为了防止"炸管"现象的发生,在谐振点附近的感性区设置限相区,当频率进入限相区经PI处理使其稳定工作在感性区达到保护逆变器的目的。通过DSP实验平台测试,限相区的设置可以很好的保护逆变器使其稳定工作在感性区。     

大作用距离超声波传感技术研究

研制了谐振频率为24.5 kHz的新型气介超声测距传感器,其作用距离超过了32 m.该传感器是由径向-厚度耦合谐振模式的超声波换能器、推挽变换器和具有高信噪比的时间-增益可变接收器所组成的.其中,作为超声波发送器的推挽变换器能够为阻抗为475 Ω的换能器负载提供峰-峰值超过400 V的交变电压.建立了基于NI 6024E数据采集控制卡和PC机的超声波测距平台,采用超声波发送信号与回波信号的包络相关来估计声波的射程时间,提高了超声波测距系统的鲁棒性.     

绝缘电阻对圆柱型换能器噪声接收灵敏度影响研究

研究装艇条件下绝缘电阻对圆柱型换能器噪声接收灵敏度的影响.推导装艇条件下圆柱型换能器噪声接收灵敏度的表达式,并进行理论计算验证.仿真结果表明,当绝缘电阻大于100 时,对圆柱型换能器噪声接收灵敏度没有影响;当绝缘电阻小于10 时,在频率低于4 时,对圆柱型换能器噪声接收灵敏度影响明显,在大于6 时,基本没有影响.     

一种高频宽带水声换能器的研制

研制了一种宽带、高频压电复合材料圆环阵水声换能器.该换能器的宽带结果是通过采用降低压电材料机械品质因数Qm值和多模耦合振动两种方法实现的.通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注环氧树脂得到压电复合材料圆环,再将不同壁厚的压电复合材料圆环轴向叠堆而成敏感元件,对敏感元件进行模具封装,引出电极引线,得到换能器.利用ANSYS软件对结构进行仿真,得到敏感元件谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件的最优设计方案.将由最优参数得到的两个压电复合材料圆环轴向叠堆,制作了双圆环叠堆复合材料换能器.经测试,该换能器形成了明显的双模耦合振动,该换能器谐振频率为375 kHz,其-3 dBd工作带宽为90 kHz,最大发送电压响应达148 dB.实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标.     

气体超声换能器动态性能测试方法研究

针对超声换能器性能差异影响气体流量测量的问题，提出了一种超声换能器动态性能测试方法。首先，根据回波信号的特征，以回波信号上升波形的相似度确定最优高斯模型。然后，通过人工鱼群算法计算出高斯模型的最优特征参数。最后，将最优特征参数进行归一化，计算超声换能器间的欧式距离，以评价超声换能器的动态性能一致性。在此基础上，设计了动态性能测试系统。系统对被测超声换能器的接收信号放大、滤波后，进行高速采样，再将数据发送至上位机进行高斯建模、参数估计和一致性评价。试验结果表明，超声换能器的动态性能一致性越好，超声流量计的测量误差和重复性越小。该方法对于提升气体超声流量计的小流量性能具有重要作用。     

单片机实现的超声频SPWM逆变器的研究

介绍一种适合于超声换能器的SPWM(正弦脉宽调制)逆变器.系统控制电路采用最新单片机技术与正弦脉宽调制技术相结合,功率开关管采用速度极高的VDMOS器件,从而实现了逆变调制频率为(180～270)kHz,输出正弦波频率为(20～30)kHz,满足了负载换能器的要求,同时也突破了国内报道的调制频率几十千赫兹,输出正弦波频率几千赫兹的现有水平.     

基于横向场激励的高频压电超声换能器

介绍了一种基于横向场激励模式的高频压电超声换能器及其设计、分析和制作过程。采用扩展的Christoffel-Bech-mann方法对LiNbO3、LiTaO3和PMN-33PT三种不同压电材料的a模式横向场压电耦合系数进行了计算,发现这三种材料中LiNbO3具有最大的LFE a模式压电耦合系数,为28%。采用具有最大压电耦合系数的X切LiNbO3设计并制作了基于横向场激励的高频超声换能器,并采用传统的Pulse-Echo方法测试了该超声换能器的中心频率和带宽。实验测得该LFE高频超声换能器的中心频率为34MHz,-6dB带宽为14.4%。从理论和实验上证明了横向场激励模式可以应用于高频超声换能器。     

基于工业机器人的超声换能器回波自动测量系统设计

针对医用超声换能器回波测量中存在的自动化水平低、测试人员主观判断对结果产生很大影响等问题,基于工业机器人设计了一套超声换能器回波自动测量系统。详细阐述了回波自动测量系统设计思路,对系统构建的关键——自动对位功能的实现方案进行了对比分析,在Matlab环境中开发了完整的参数设置、自动对位和回波采集与处理程序,对自动对位算法进行了详细描述。试验结果表明该系统达到了设计指标,灵敏度测量的偏移系数小于0.5%,能够满足日常工作中的测试需要。本工作为医用超声换能器研发、生产全流程的智能制造打下了良好的基础。     

超声波对石英晶体微天平响应性能的影响

该文以阻抗分析法研究了超声波对石英晶体微天平(QCM)响应特性的影响,结果表明,在超声波存在时QCM的纵波传播与反射受到干扰,QCM的阻抗-频率曲线上出现很多的毛刺干扰波,使QCM的信噪比下降.当采取消除纵波干扰的措施后,毛刺干扰波消失,实验测试了QCM的谐振频率及动态电阻对表面质量负载变化及液体粘度、密度改变的响应,证实超声波对QCM的厚度剪切模式无影响.QCM应用于监测表面活性剂去除油污膜的过程,结果表明在超声波作用下油污膜的去除速率大幅度提高.     

大功率高Q值超声振动系统频率自动跟踪

在功率超声应用中,频率自动跟踪技术是需要解决的一个重要课题,是提高超声设备输出功率和效率的重要途径之一。本文根据超声换能器在谱振频率附近的电抗特性。本文根据超声换能器在谱振频率附近的电抗特性,由此得出采用锁相技术进行频率自动跟踪的理论基础。文中详细叙述了锁相控制电路的结构和工作原理,并用实验检验了该控制系统的可行性。     

超磁致伸缩换能器磁棒磁场及应变的数值仿真

研究不同驱动电流频率下超磁致伸缩棒的磁场和磁致伸缩应变,针对传统实验测量应变时将仪器置于磁棒内带来的破坏以及很难得到棒内任意点的应变分布问题,为实现换能器的功能,通过电磁理论和有限元理论建立了超磁致伸缩换能器磁场的有限元模型,并在ANSYS电磁场模块下对模型进行了仿真,分析了磁场轴向、径向均匀性及涡流效应对应变几何分布的影响.结果表明:频率增大,涡流效应增强,磁场轴向均匀性增加、径向均匀性减小,应变几何分布变化显著.结果表明对超磁致伸缩换能器驱动频率的选择及器件的设计具有一定的指导意义.     

超声挤压轴承 转子系统动力学特性研究

现代旋转机械中转静子之间的相对转速越来越高、间隙越来越小,因此,如何有效地减少转静子接触面间的摩擦具有重要的意义.由于超声波悬浮技术的快速发展,超声挤压轴承逐渐被应用在小型或微型的旋转机械上.近场超声悬浮效应作为一种减少振动的方法,具有超声悬浮、超声减摩等作用.超声挤压轴承是由压电陶瓷矩形薄片与金属铝薄壁圆筒组合而成;利用ANSYS软件对压电换能器进行了模态分析,得到其振型及谐振频率,由此确定压电换能器最佳工作的形状尺寸及频率.从气体润滑原理出发,推导出气体挤压膜雷诺方程,并运用有限差分方法对其进行简化求解.通过求解分析出当给定超声波频率时,超声悬浮力与悬浮间隙、超声波振幅等因素有关,其关系如下:超声挤压轴承的悬浮力随着悬浮间隙的增大而逐渐减小;随着超声波振幅的增大而逐渐增大.当超声频率一定时,探究超声轴承在不同悬浮间隙和不同超声振幅条件下对超声挤压轴承-转子系统的影响,对其进行动力学分析;之后又采用单一变量法进行试验研究证明其正确性.结果表明:该轴承可以达到稳定工作的效果,在压电换能器的谐振频率下工作时效果好且更加稳定.     

激励电流对超磁致伸缩换能器动态特性的影响

本文研究了不同激励电流脉冲宽度对超磁致伸缩换能器输出位移动态特性的影响。利用有限元分析软件ANSYS建立了超磁致伸缩换能器的二维轴对称有限元模型。通过压磁-压电比拟法,对不同激励电流脉冲宽度下不同发射头质量的超磁致伸缩换能器输出位移动态特性进行了模拟研究。结果表明:激励电流脉冲宽度大小不仅直接决定超磁致伸缩换能器瞬态输出位移的大小,而且决定超磁致伸缩换能器的最佳工作状态。此研究结果为超磁致伸缩换能器的优化与应用奠定了基础。