超声电源的匹配装置及其匹配方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声电源的匹配装置及其匹配方法，超声电源的匹配装置包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配变压器、调谐电感、超声波换能器、电压采样电路、电流采样电路、滤波整形电路、鉴相器、A/D转换器、单片机和步进电机；其中，匹配变压器的输出端与调谐电感相连接；调谐电感的输出端与超声波换能器相连接；电压采样电路用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电压信号，并将其传递至鉴相器。本发明专利技术具有静态阻抗匹配和动态调谐匹配，能够通过超声波换能器的工作电压和工作电流的相位差来追踪调整匹配电感值，保证超声波换能器始终工作在谐振点，实现超声波换能器的最大有用功率输出，并且其调整反应速度快，精度高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，超声电源的匹配装置包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配变压器、调谐电感、超声波换能器、电压采样电路、电流采样电路、滤波整形电路、鉴相器、A/D转换器、单片机和步进电机；其中，匹配变压器的输出端与调谐电感相连接；调谐电感的输出端与超声波换能器相连接；电压采样电路用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电压信号，并将其传递至鉴相器。本专利技术具有静态阻抗匹配和动态调谐匹配，能够通过超声波换能器的工作电压和工作电流的相位差来追踪调整匹配电感值，保证超声波换能器始终工作在谐振点，实现超声波换能器的最大有用功率输出，并且其调整反应速度快，精度高。【专利说明】
本专利技术涉及一种，属于功率超声系统
。
技术介绍
目前，由于发热、老化、负载变化等因素影响，换能器的谐振频率会偏离固有频率，致使功放的输出功率不能全部送到换能器上，信号会产生失真，甚至也会造成电路元器件损坏。传统的静态匹配具有不能随时保持串联支路谐振和手动方式调整频率效率低下等问题。由于匹配电路是许多功率超声系统运用中用来解决上述问题的重要一环，功率超声系统与它们的驱动电源之间的匹配包括两个方面:一是阻抗变换，一般由变压器实现；二是调谐滤波，一般由L、C电路实现。目前，实现调谐滤波的匹配方法主要包括静态匹配和动态匹配两种，静态匹配是在驱动电源输出频率与功率超声系统静态谐振频率相同的条件下，驱动电源输出阻抗与功率超声系统输入阻抗的匹配，它适用于要求功率超声系统的工作频率固定的应用场合，但功率超声系统在长时间工作后，可能由于温度升高等条件变化会引起其输入阻抗及谐振频率的变化，这样会引起静态匹配效果会变差，导致调谐滤波匹配效果不佳；动态匹配一般使用频率跟踪技术，实时跟踪系统谐振频率的变化，保证电路匹配，提高系统的效率，但输出频率不固定，可以克服静态匹配中由于温度升高等条件变化造成的影响，但是目前的动态匹配技术存在以下缺点:在动态匹配现有技术中，用于超声波电源中电压、电流信号的采样主要是采用电流互感器通过导线依次连接通带滤波电路、t匕较整形电路；光耦电压取样电路通过导线依次连接带通滤波电路、比较整形电路，该种电路结构复杂，电路成本较高，不易于投入商业化生产，并且在面对大功率超声系统时会对其可靠性和安全性带来一定的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种超声电源的匹配装置，它具有静态阻抗匹配和动态调谐匹配，能够通过超声波换能器的工作电压和工作电流的相位差来追踪调整匹配电感值，保证超声波换能器始终工作在谐振点，实现超声波换能器的最大有用功率输出，并且其调整反应速度快，精度高。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是:一种超声电源的匹配装置，它包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配变压器、调谐电感、超声波换能器、电压采样电路、电流采样电路、滤波整形电路、鉴相器、A/D转换器、单片机和步进电机；其中， 超声信号发生器，其输出端与驱动隔离电路相连接， 用于产生超声驱动信号； 驱动隔离电路，其输出端与超声功率放大电路相连接，用于接收超声驱动信号并驱动超声功率放大电路正常工作； 超声功率放大电路，其输出端与匹配变压器相连接； 匹配变压器，其输出端与调谐电感相连接，用于变换超声波换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配； 调谐电感，其输出端与超声波换能器相连接，用于对超声波换能器的调谐匹配； 电压采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电压信号，并将其传递至鉴相器； 电流采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电流信号，并将其传递至滤波整形电路； 滤波整形电路，其与电流采样电路的输出端相连接，用于将接收到的实时工作电流信号滤波处理后转化为实时工作电流脉冲信号并分成两路，一路输出至鉴相器，另一路经过A/D转换器转换后输出至单片机； 鉴相器，用于将接收到的实时工作电压信号的相位和实时工作电流脉冲信号的相位进行相位比较并产生相位差信号经过A/D转换器转换后输出至单片机； 单片机，用于根据接收到的实时工作电流脉冲信号的幅度值产生激励脉冲信号输出至超声信号发生器使其调整超声驱动信号的频率；还用于根据接收到的相位差信号产生电感值调节控制信号传递给步进电机使其对调谐电感的电感值进行调节。进一步为了提高超声信号发生器的带载能力，使其输出稳定，使本装置控制方便，所述的超声信号发生器具有SG3525集成PWM控制芯片，并且该SG3525集成PWM控制芯片内置推挽式输出电路，其根据单片机输出的相应频率的激励脉冲信号控制推挽式输出电路输出相应频率的超声驱动信号。进一步为了提高信号的驱动能力，利于驱动后续的超声功率放大电路，所述的驱动隔离电路包括全桥逆变电路和隔离变压器，隔离变压器具有一个输入端和两个输出端，并且两个输出端的线圈缠绕方向反相，全桥逆变电路的输入端与超声信号发生器的输出端相连接，隔离变压器的输入端与全桥逆变电路的输出端相连接，隔离变压器的两个输出端分别与超声功率放大电路相连接。进一步，所述的超声功率放大电路为半桥型D类功率放大电路。进一步为了使反应容器内的超声波有较好的声场分布情况，使超声空化反应顺利进行，所述的超声波换能器为压电陶瓷换能器，并且贴于反应容器的底部。更进一步为了能够尽量滤除采样信号的杂波并同时对采样信号进行波形变换，所述的滤波整形电路包括滤波单元和波形变换单元，滤波单元的输出端与波形变换单元的输入端相连接，波形变换单元的输出端与单片机相连接。本专利技术还提供了一种超声电源的匹配装置的匹配方法，该方法的步骤如下: a)先通过匹配变压器对由调谐电感和超声波换能器组成的单元与超声功率放大电路进行静态的阻抗匹配调试，使超声波换能器输出最大的有用功率； b)当超声波换能器工作一定时间谐振点产生偏移时，则自动进行动态的调谐匹配调试，动态调谐匹配的方法如下: bl)单片机内设定有一个实时工作电流脉冲信号的参考幅度范围，通过单片机判断实时工作电流脉冲信号是否在参考幅度范围内:当单片机接收到的实时工作电流脉冲信号在该参考幅度范围内时，则保持单片机输出的激励脉冲信号的频率不变；当单片机接收到的实时工作电流脉冲信号不在该参考幅度范围内时，单片机则以一定的步长△ f调整激励脉冲信号的频率，并同时判断实时工作电流脉冲信号的变化:当接收到的工作电流脉冲信号显示实时工作电流增大时，则继续以该步长调整激励脉冲信号的频率；当接收到的工作电流脉冲信号显示实时工作电流减小时，单片机则向相反方向调整激励脉冲信号的频率，直到实时工作电流脉冲信号在设定的参考幅度范围内； b2)当实时工作电流脉冲信号在设定的参考幅度范围以后，电压采样电路和电流采样电路同时采样，通过鉴相器的相位比较并快速测量相时延和判断由调谐电感和超声波换能器组成的单元的阻抗特性； b3)当相位差为正时，则通过单片机控制步进电机减小调谐电感的匹配电感值；当相位差为负时，则通过单片机控制步进电机增加调谐电感的的匹配电感值； b4)重复步骤b3)直至鉴相器测量的相时延稳定在其设定的正常工作范围内； c)重复步骤b)，进行动态的调谐匹配调试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声电源的匹配装置，其特征在于：它包括超声信号发生器、驱动隔离电路、超声功率放大电路、匹配变压器、调谐电感、超声波换能器、电压采样电路、电流采样电路、滤波整形电路、鉴相器、A/D转换器、单片机和步进电机；其中，超声信号发生器，其输出端与驱动隔离电路相连接，用于产生超声驱动信号；驱动隔离电路，其输出端与超声功率放大电路相连接，用于接收超声驱动信号并驱动超声功率放大电路正常工作；超声功率放大电路，其输出端与匹配变压器相连接；匹配变压器，其输出端与调谐电感相连接，用于变换超声波换能器的阻抗，使其与信源阻抗相匹配；调谐电感，其输出端与超声波换能器相连接，用于对超声波换能器的调谐匹配；电压采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电压信号，并将其传递至鉴相器；电流采样电路，用于采集由调谐电感和超声波换能器组成的单元两端的实时工作电流信号，并将其传递至滤波整形电路；滤波整形电路，其与电流采样电路的输出端相连接，用于将接收到的实时工作电流信号滤波处理后转化为实时工作电流脉冲信号并分成两路，一路输出至鉴相器，另一路经过A/D转换器转换后输出至单片机；鉴相器，用于将接收到的实时工作电压信号的相位和实时工作电流脉冲信号的相位进行相位比较并产生相位差信号经过A/D转换器转换后输出至单片机；单片机，用于根据接收到的实时工作电流脉冲信号的幅度值产生激励脉冲信号输出至超声信号发生器使其调整超声驱动信号的频率；还用于根据接收到的相位差信号产生电感值调节控制信号传递给步进电机使其对调谐电感的电感值进行调节。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹玉振，董观利，朱昌平，陈国超，韩庆邦，高远，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：