压电超声换能器的LC匹配建模方法技术

本发明专利技术涉及超声换能技术领域，为提出压电超声换能器的LC匹配系统。为此，本发明专利技术采用的技术方案是，压电超声换能器的LC匹配建模方法，步骤如下：1)模型准备；2)模型假设；3)模型构成：确定各个常量、变量之间的约束关系，并简化，根据设计初衷，选择模型输入量、输出量，根据约束关系，推导输入量、输出量之间的函数关系；4)模型求解；5)模型分析；6)模型检验；7)模型应用：根据上述分析，分析上述优化的匹配方式的应用领域，并给出相应的器件选择、频率跟踪时的建议和策略。本发明专利技术主要应用于压电超声换能器设计制造场合。

LC Matching Modeling Method for Piezoelectric Ultrasound Transducer

The invention relates to the technical field of ultrasonic transducer, and proposes a LC matching system of piezoelectric ultrasonic transducer. To this end, the technical scheme adopted by the invention is: LC matching modeling method of piezoelectric ultrasonic transducer, the steps are as follows: 1) model preparation; 2) model hypothesis; 3) model composition: to determine the constraints between various constants and variables, and simplify, according to the original design intention, select the input and output of the model, and according to the constraints. Derivation of the functional relationship between input and output; 4) model solution; 5) model analysis; 6) model testing; 7) model application: according to the above analysis, analysis of the application areas of the above-mentioned optimized matching mode, and give the corresponding device selection, frequency tracking recommendations and strategies. The invention is mainly applied to the design and manufacture of piezoelectric ultrasonic transducer.

【技术实现步骤摘要】
压电超声换能器的LC匹配建模方法
本专利技术涉及超声
，尤其是一种压电超声换能器的LC匹配建模方法和一种优化的匹配方式。
技术介绍
超声换能器是超声波发生系统的核心组成部分，是将驱动信号的能量转化为机械能的转换器，为了提高换能器的功率输出效率，一般需要在超声驱动电源和换能器之间进行匹配，包括调谐匹配和阻抗匹配。换能器串联谐振时，其等效电路并不是呈纯阻性，而是成容性，电源电压将被容性负载分压，导致换能器的输出功率严重下降，因此必须要进行调谐匹配，将电路中的容性抵消，从而使电路呈现纯阻性。此外，开关型功率半导体输出为方波含有大量的谐波成分合理的匹配网络能有效的滤除谐波成分提高电声效率。调谐匹配大都是通过电容、电感网络实现，同时具有调谐和一定程度的滤波作用。另外，为使负载阻抗和电源内阻更加接近以提高功率效率，要对换能器进行阻抗匹配，阻抗匹配主要由变压器实现，用于调谐的电容、电感网络也有一定的阻抗匹配功能。匹配电路有串联匹配、并联匹配、LC匹配、T型匹配，双T型匹配等。LC匹配即电感电容匹配，其结构简单，计算方便，并且可以进一步降低等效负载阻抗，因此被广泛应用。匹配的电感L、匹配电容C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电超声换能器的LC匹配建模方法，其特征是，步骤如下：1)模型准备：明确LC匹配电路的设计初衷，即匹配电路设计的目的，想要实现的功能和达到的效果；2)模型假设：建立匹配后的电路模型，并简化，确定模型的常量、变量和待确定参数，进行符号定义；3)模型构成：确定各个常量、变量之间的约束关系，并简化，根据设计初衷，选择模型输入量、输出量，根据约束关系，推导输入量、输出量之间的函数关系；4)模型求解：对上述确立的函数关系进行求解，以函数的零、极点作为特征点，重点分析，根据设计初衷，选取待确定参数的最佳取值，得出一种优化的匹配方式；5)模型分析：将上述优化的匹配方式代入系统模型，分析其他变量对模型...

【技术特征摘要】
1.一种压电超声换能器的LC匹配建模方法，其特征是，步骤如下：1)模型准备：明确LC匹配电路的设计初衷，即匹配电路设计的目的，想要实现的功能和达到的效果；2)模型假设：建立匹配后的电路模型，并简化，确定模型的常量、变量和待确定参数，进行符号定义；3)模型构成：确定各个常量、变量之间的约束关系，并简化，根据设计初衷，选择模型输入量、输出量，根据约束关系，推导输入量、输出量之间的函数关系；4)模型求解：对上述确立的函数关系进行求解，以函数的零、极点作为特征点，重点分析，根据设计初衷，选取待确定参数的最佳取值，得出一种优化的匹配方式；5)模型分析：将上述优化的匹配方式代入系统模型，分析其他变量对模型的影响，分析上述优化的匹配方式的优缺点，进一步确定上述取值的合理性；6)模型检验：按上述优化的匹配方式搭建超声换能器的匹配电路，检测匹配后超声换能器的频率和负载响应特性；7)模型应用：根据上述分析，分析上述优化的匹配方式的应用领域，并给出相应的器件选择、频率跟踪时的建议和策略。2.如权利要求1所述的压电超声换能器的LC匹配建模方法，其特征是，具体步骤进一步细化如下：步骤1：模型准备：确定LC匹配设计的初衷为以下几个方面：初衷1)功率因数：在典型负载阻值时进行调谐，使系统成纯阻性，功率因数为1；初衷2)功率较大：在串联谐振点工作时，系统输出功率即有功功率最大或较大；初衷3)功率稳定：使系统更适应负载电阻R1的变化，在R1波动时有效功率波动小，且维持在较高水平；初衷4)保护电路：在极端情况下：空载或者负载R1较小，使系统功率不至于过大，以保护电路；步骤2：模型假设：建立匹配后的电路模型，并简化，确定模型的常量、变量和待确定参数，进行符号定义；LC匹配后的换能器电路模型，L为匹配电感，C2为匹配电容，C0换能器静态电容，R1为换能器负载电阻，C1换能器动态电容，L1为换能器动态电感，Vin为驱动电压，Vo为换能器两端的电压，其中C0为常量，驱动电压Vin对应角频率ωs2的频率fs2，R1、C1、L1是随负载和环境变化的变量，换能器对应角频率ωs的串联谐振频率fs由C1、L1决定，当fs2＝fs时，C1、L1谐振，忽略不计，L、C2为待确定的参数，再令C＝C1+C2，C为C1和C2之和，因变量有功率因数η、视在功率S、有功功率P，则系统模型定义为：(η,S,P)＝f(Vin,L,C,R1,fs)(y1,y2,y3...)＝f(x1,x2,x3...)表示由x1,x2,x3...到y1,y2,y3...的映射关系；步骤3：模型构成：确定各个常量、变量之间的约束关系，并简化，根据设计初衷，选择模型输入量、输出量，根据约束关系，推导输入量、输出量之间的函数关系；此时的系统复阻抗Z(ws)为：欲使电路为纯组态，即虚部等于0，在驱动角频率ωs2＝ωs，R1＝R0时进行匹配，则匹配电感L和C的关系为：另外，匹配电感L、匹配电容C2的加入，给系统添加了新的谐振频率f0，即L和C的谐振频率f0：L、C的取值受式(2)，式(3)约束，即当f0确定时，L、C唯一确定，令：则ρ和R0确定时，L、C的取值也唯一确定，此时系统模型为：(η,S,P)＝f(Vin,ρ,R0，R1,fs)由式(3)、式(4)得到：代入式(2)得到：由节点电压法：得到:则换能器获得的有...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金栋，段发阶，蒋佳佳，彭呈祥，黄婷婷，程沁蕊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12