一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器制造技术

本实用新型专利技术为一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器。该自动阻抗匹配器的组成包括阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块以及单片机控制模块；所述的阻抗匹配模块的组成包括两套8路5V带光耦隔离功能的继电器模块、一个5V直流电源和16个CBB匹配电容、16个阻值为1kΩ的电阻；两套继电器模块结构相同，各包括8个并联的继电器；每套继电器模块的DC+和DC‑端口都分别接到5V直流电源的正极c和负极d；每个继电器的高低电平触发选择端S1‑S16各插上一个与之配套的H跳线帽。本实用新型专利技术使换能器能够在不同的环境、工况和负载下持续稳定地工作在谐振状态，显著提高换能器工作效率。

An automatic impedance matching device for magnetostrictive transducer

【技术实现步骤摘要】
一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器
本技术涉及一种阻抗匹配器，特别是涉及一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器。具体是采用阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块和单片机控制模块实现电源与磁致伸缩换能器之间的动态自动阻抗匹配。
技术介绍
磁致伸缩换能器是利用磁致伸缩材料进行能量转换的电磁机械装置，是将一种形式的能量转换为另一种形式能量的器件。在水声、超声和主动振动控制等领域得到广泛应用。磁致伸缩换能器与电源之间的阻抗匹配直接影响到磁致伸缩换能器的工作效率。近年来，磁致伸缩换能器制造工艺日趋成熟，但智能化阻抗匹配的发展相对缓慢制约了磁致伸缩换能器的应用。为了提高磁致伸缩换能器的输出功率、能量转换效率等性能，需要在换能器与电源之间进行阻抗匹配。磁致伸缩换能器呈阻感性，可以等效为一个电阻和一个电感串联,根据电路知识对其进行阻抗匹配，可以消除磁致伸缩换能器的感性，使换能器工作在谐振状态，从而提升工作性能。目前，主要的阻抗匹配方式有静态匹配和动态匹配两大类。静态匹配的原理是通过精密阻抗分析仪测量磁致伸缩换能器的阻抗特性，得到换能器的等效电阻R和等效电感L的值，结合谐振频率通过公式计算得到所需匹配的电容值，从而完成匹配。通过静态匹配，可以消除换能器的无功功率，使换能器工作在谐振状态，从而提高工作效率，此方法简单可行。但在换能器的工作过程中，由于环境、温度、负载等的变化会引起换能器阻抗特性发生变化，从而带来频率漂移的现象。此时，所加的匹配电容将不再满足要求，换能器也将不再工作在谐振状态。动态匹配主要有可变电容匹配法以及频率跟踪法。可变电容匹配法，原理是控制电路根据检测到的电压和电流的幅值、相位等信息来控制驱动电机的转动，从而调节可变电容的数值，完成阻抗匹配。该方法结构较复杂、成本较高。频率跟踪法的原理是，控制电路根据检测到的电压和电流的幅值、相位等信息来调整驱动电源的输出频率。它是在保证静态匹配确定的匹配电容参数不改变的前提下，使驱动电源的输出频率跟随着换能器谐振频率的改变而改变，间接的完成动态阻抗匹配。该方法结构和元件较复杂、需要静态匹配作为辅助，比较适合于输出频率需要改变的场合。
技术实现思路
针对上述阻抗匹配的不足，本技术的目的在于提供一种快速度、宽范围、高精度的磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器及其实现方法。该自动阻抗匹配器，选用由高精密采样电阻组成的信号采集模块对电路信号进行采集，有效避免了采样电路带来的额外相位差；选用两套8路带光耦隔离功能的继电器模块，每个继电器连接一个电容。利用单片机对继电器进行控制，在保证驱动电源输出频率不变的前提下，采用变步长的方式调节匹配电容值来锁定换能器的输入电压、电流到同相位状态，完成自动阻抗匹配。使换能器能够在不同的环境、工况和负载下持续稳定地工作在谐振状态，显著提高换能器工作效率。本技术的技术方案为：一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器，该自动阻抗匹配器的组成包括阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块以及单片机控制模块；其连接关系为：所述的阻抗匹配模块的一端连接电源的输出端，另一端连接磁致伸缩换能器的一端；信号采集模块的一端连接电源的输出端，信号采集模块另一端连接磁致伸缩换能器的另一端，同时信号采集模块的输出端连接反馈模块的一端；反馈模块另一端连接单片机控制模块的一端；单片机控制模块的输出端连接至阻抗匹配模块的信号输入端，同时PC机连接至单片机控制模块另一端；所述的阻抗匹配模块的组成包括两套8路5V带光耦隔离功能的继电器模块、一个5V直流电源和16个CBB电容、16个阻值为1kΩ的电阻；两套继电器模块结构相同，各包括8个并联的继电器；每套继电器模块的DC+和DC-端口都分别接到5V直流电源的正极c和负极d；每个继电器的高低电平触发选择端S1-S16各插上一个与之配套的H跳线帽；每个继电器的输入信号触发端口IN1-IN16分别接单片机控制模块的外部双向输入/输出(I/O)口；每个继电器的常开端NO1-NO16均接到m端，m端接到换能器驱动电源的输出端；每个继电器的公共端COM1-COM16对应的接一个CBB电容的一端，每个CBB电容的另一端都接到n端，n端连接换能器输入端；每个继电器的常闭端NC1-NC16均连接一个1kΩ电阻的一端，每个电阻的另一端接到CBB电容的另一端；所述信号采集模块的组成包括三个精密采样电阻R31、R32、R33；其连接关系为电阻R31的一端和阻抗匹配模块的m端相连；电阻R31的另一端和电阻R32的一端相连；电阻R32的另一端与电阻R33的一端相连；电阻R33的另一端和换能器b的一个输入端b2相连；电阻R31的一端还和电源a的一个输出端a1相连；电阻R32的一端还和电压采样端SV2相连；电阻R32的另一端还分别和电压采样端SV1、电源a的另一个输出端a2相连；电阻R33的一端还和电流采样端SC2相连；电阻R33的另一端还和电流采样端SC1相连；阻抗匹配模块的n端和换能器b的另一个输入端b1相连。所述的反馈模块电路的组成包括采用LM324型运算放大器的差动放大器、采用LM324型运算放大器的比例放大器和相位差检测电路；其中，相位差检测电路又包括两个由LM339芯片组成的高速过零比较器A和B、一个采用74LS74芯片的D触发器、一个采用74LS86芯片的异或门；该模块的连接关系为差动放大器的正极输入端连接信号采集模块的电流采样端SC2，负极输入端连接电流采样端SC1，差动放大器的输出端连接到相位差检测电路中的高速过零比较器A的负极输入端；比例放大器的输入端连接信号采集模块的电压采样端口SV2，比例放大器的输出端连接到相位差检测电路中的高速过零比较器B的负极输入端；两个高速过零比较器的输出端分别接到D触发器的D端口和CLK端口，D触发器的置位输入S和复位输入R都接地；两个高速过零比较器的输出端分别接到异或门的输入端。本技术的有益效果为：1.该磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器的匹配精度高(为0.1μF)、匹配范围广(为0.1-39.0μF)、匹配速度快(为ms级)。2.该自动阻抗匹配器的信号采集模块对电压、电流信号进行实时采样，反馈模块对采样信号进行处理并在线反馈到单片机控制模块，单片机控制模块依照匹配程序对继电器进行启停控制，来实现串联电容的实时自动投切，选择最佳匹配电容，完成磁致伸缩换能器的自动阻抗匹配。使得该自动阻抗匹配器能够在保证驱动电源输出频率不变的前提下，调节换能器的输入电压、电流到同相位状态，得到很好的正弦工作电流波形，始终保持换能器工作在谐振状态。3.该自动阻抗匹配器的信号采集模块，采用电阻采样法进行电压、电流信号采样，避免了采样电路自身带来的额外的相位差，相比于其它采样方法，自动阻抗匹配的精度提高了近20％。4.该技术的自动匹配程序采用变步长的方法进行匹配。根据相位差的大小选用三种不同大小的步长，可有效缩短近30％的自动阻抗匹配时间，提高了匹配效率。5.该技术的控制模块所采用的89S51主控芯片为8位主控芯片，性能稳定、成本低廉，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器，其特征为该自动阻抗匹配器的组成包括阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块以及单片机控制模块；/n其连接关系为：所述的阻抗匹配模块的一端连接电源的输出端，另一端连接磁致伸缩换能器的一端；信号采集模块的一端连接电源的输出端，信号采集模块另一端连接磁致伸缩换能器的另一端，同时信号采集模块的输出端连接反馈模块的一端；反馈模块另一端连接单片机控制模块的一端；单片机控制模块的输出端连接至阻抗匹配模块的信号输入端，同时PC机连接至单片机控制模块另一端；/n所述的阻抗匹配模块的组成包括两套8路5V带光耦隔离功能的继电器模块、一个5V直流电源和16个CBB电容、16个阻值为1kΩ的电阻；两套继电器模块结构相同，各包括8个并联的继电器；每套继电器模块的DC+和DC-端口都分别接到5V直流电源的正极c和负极d；每个继电器的高低电平触发选择端S1-S16各插上一个与之配套的H跳线帽；每个继电器的输入信号触发端口 IN1-IN16分别接单片机控制模块的外部双向输入/输出（I/O）口；每个继电器的常开端NO1-NO16均接到m端，m端接到换能器驱动电源的输出端；每个继电器的公共端COM1-COM16对应的接一个CBB电容的一端，每个CBB电容的另一端都接到n端，n端连接换能器输入端；每个继电器的常闭端NC1-NC16均连接一个1kΩ电阻的一端，每个电阻的另一端接到CBB电容的另一端；/n所述信号采集模块的组成包括三个精密采样电阻R...

【技术特征摘要】
1.一种磁致伸缩换能器自动阻抗匹配器，其特征为该自动阻抗匹配器的组成包括阻抗匹配模块、信号采集模块、反馈模块以及单片机控制模块；
其连接关系为：所述的阻抗匹配模块的一端连接电源的输出端，另一端连接磁致伸缩换能器的一端；信号采集模块的一端连接电源的输出端，信号采集模块另一端连接磁致伸缩换能器的另一端，同时信号采集模块的输出端连接反馈模块的一端；反馈模块另一端连接单片机控制模块的一端；单片机控制模块的输出端连接至阻抗匹配模块的信号输入端，同时PC机连接至单片机控制模块另一端；
所述的阻抗匹配模块的组成包括两套8路5V带光耦隔离功能的继电器模块、一个5V直流电源和16个CBB电容、16个阻值为1kΩ的电阻；两套继电器模块结构相同，各包括8个并联的继电器；每套继电器模块的DC+和DC-端口都分别接到5V直流电源的正极c和负极d；每个继电器的高低电平触发选择端S1-S16各插上一个与之配套的H跳线帽；每个继电器的输入信号触发端口IN1-IN16分别接单片机控制模块的外部双向输入/输出（I/O）口；每个继电器的常开端NO1-NO16均接到m端，m端接到换能器驱动电源的输出端；每个继电器的公共端COM1-COM16对应的接一个CBB电容的一端，每个CBB电容的另一端都接到n端，n端连接换能器输入端；每个继电器的常闭端NC1-NC16均连接一个1kΩ电阻的一端，每个电阻的另一端接到CBB电容的另一端；
所述信号采集模块的组成包括三个精密采样电阻R31、R32、R33；其连接关...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文美，冉超，翁玲，王博文，张博，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津;12