一種數(shù)字化智能式超聲功率源及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)字化智能式超聲功率源及其使用方法，通過微處理器直接產(chǎn)生PWM激勵脈沖信號，經(jīng)后級電路調(diào)整用于驅(qū)動超聲換能器；通過調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源，控制超聲功率源的輸出功率；通過實時監(jiān)測工頻市電的電流和電壓可調(diào)電源的電壓，調(diào)整超聲功率源的工作狀態(tài)；通過實時采樣阻抗匹配電路的電壓和諧振匹配電路的電流，經(jīng)微處理器分析阻抗特性來動態(tài)調(diào)整PWM激勵脈沖信號的頻率，實現(xiàn)一個動態(tài)匹配的過程，保證換能器始終工作在諧振點，輸出最大的有用功率，本發(fā)明超聲功率可調(diào)，匹配方式簡單、精度較高，電路簡單，安全可靠，成本低，具有較廣的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種數(shù)字化智能式超聲功率源及其使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字化智能式超聲功率源及其使用方法，屬于超聲功率源【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]對于任何一個電子設(shè)備系統(tǒng)而言，實現(xiàn)其數(shù)字化、智能化是目前追求的一個方向。對于超聲功率源來說，實現(xiàn)其數(shù)字化、智能化也是必不可少的。數(shù)字化在于替代了傳統(tǒng)模擬方式產(chǎn)生超聲驅(qū)動信號，而是通過使用微處理器直接產(chǎn)生超聲驅(qū)動信號，便于調(diào)節(jié)超聲驅(qū)動信號的頻率和脈寬；智能化在于優(yōu)化了傳統(tǒng)的超聲功率源功能，實現(xiàn)了超聲功率源的功率可調(diào)、超聲驅(qū)動時間的設(shè)定以及上電自檢、動態(tài)匹配等功能，而且，具有良好的人機交互效果，且成本低，安全性高，操作簡單，適合市場的需求。
[0003]我們知道超聲空化效應(yīng)是指超聲波作用下的液體分子產(chǎn)生數(shù)以萬計的空化泡，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時空化泡破裂而產(chǎn)生沖擊波的過程；超聲機械效應(yīng)是指超聲波作用下的液體分子縱向壓縮和拉升，激烈碰撞產(chǎn)生非常強大的沖擊力的過程。研究發(fā)現(xiàn)，超聲功率源的功率不同超聲空化效應(yīng)和機械效應(yīng)的效果不同，通過設(shè)計該超聲功率源能夠有效地驅(qū)動超聲換能器，并根據(jù)不同的使用環(huán)境，調(diào)整超聲功率源的功率，實現(xiàn)超聲作用的最佳效果。
[0004]超聲功率源與超聲換能器匹配有兩個方面:一是阻抗匹配，一般采用變壓器實現(xiàn)；二是諧振匹配，一般有L、C電路實現(xiàn)，其中阻抗匹配根據(jù)前后阻值計算變壓器匝數(shù)比進(jìn)行設(shè)計，較為簡單，而諧振匹配較為復(fù)雜；諧振匹配方法主要包括靜態(tài)匹配和動態(tài)匹配，靜態(tài)匹配即在超聲功率源輸出頻率與超聲換能器靜態(tài)諧振頻率相同的條件下，超聲功率源輸出阻抗與超聲換能器輸入阻抗的匹配，它適用于要求超聲換能器的工作頻率固定的應(yīng)用場合，但超聲換能器在長時間工作后，可能由于負(fù)載變化或擾動等原因會引起換能器工作頻率偏離固有工作頻率，這樣導(dǎo)致靜態(tài)匹配效果不佳；動態(tài)匹配一般使用頻率自動跟蹤技術(shù)，實時跟蹤系統(tǒng)諧振頻率的變化，保證電路匹配，提高系統(tǒng)的效率，克服靜態(tài)匹配中的不足。動態(tài)匹配方法，關(guān)鍵在于超聲驅(qū)動信號的頻率變化，傳統(tǒng)的模擬信號產(chǎn)生方式較為復(fù)雜，而使用微處理器直接改變超聲驅(qū)動信號的頻率，方便可靠，具有更加的匹配效果。
[0005]因此，開發(fā)一種數(shù)字化智能式超聲功率源，是當(dāng)前超聲功率源迫切需要解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的超聲功率源，超聲驅(qū)動信號的頻率不易調(diào)節(jié)、超聲功率不易調(diào)節(jié)、無安全的監(jiān)測電路、動態(tài)匹配效果差的問題。本發(fā)明的數(shù)字化智能式超聲功率源及其使用方法，實現(xiàn)了超聲功率源的數(shù)字化、智能化，具有超聲驅(qū)動信號頻率可調(diào)，超聲功率可調(diào)，系統(tǒng)上電安全監(jiān)測，動態(tài)匹配效果好的功能，電路結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，成本較低，易于實現(xiàn)，具有較廣的應(yīng)用前景。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是: 一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:包括
微處理器，用于直接產(chǎn)生PWM激勵脈沖信號和控制超聲功率源工作；
電壓可調(diào)電源，用于給功率放大電路提供工作電壓；
過壓過流監(jiān)測電路，用于實時監(jiān)測工頻市電的電流、電壓可調(diào)電源的電壓；
電壓電流采樣電路，用于實時采樣阻抗匹配電路的電壓、諧振匹配電路的電流；
控制面板，用于控制超聲功率源，實現(xiàn)人機交互；
超聲換能器，用于實現(xiàn)電聲能量轉(zhuǎn)換；
第一濾波整形電路，用于對過壓過流監(jiān)測電路的監(jiān)測信號進(jìn)行濾波整形處理；
第二濾波整形電路，用于對電壓電流采樣電路的采樣信號進(jìn)行濾波整形處理；
還包括用于對微處理器產(chǎn)生的PWM激勵脈沖信號調(diào)整，依次串聯(lián)的隔離緩沖電路、功放驅(qū)動電路、功率放大電路、阻抗匹配電路、諧振匹配電路；
所述隔離緩沖電路，用于隔離微處理器與功放驅(qū)動電路，提高PWM激勵脈沖信號的幅值；
所述功放驅(qū)動電路，用于驅(qū)動功率放大電路；
所述功率放大電路，用于PWM激勵脈沖信號的功率放大；
所述阻抗匹配電路，用于實現(xiàn)功率放大后的PWM激勵脈沖信號與超聲換能器的阻抗匹配；
所述諧振匹配電路，用于使超聲換能器工作在純電阻狀態(tài)；
所述微處理器通過電壓可調(diào)電源與功率放大電路的電源輸入端相連接，所述電壓可調(diào)電源通過過壓過流監(jiān)測電路與第一濾波整形電路相連接，所述第一濾波整形電路與微處理器相連接，所述阻抗匹配電路、諧振匹配電路分別與電壓電流采樣電路相連接，所述電壓電流采樣電路通過第二濾波整形電路與微處理器相連接。
[0008]前述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述微處理器的型號為MSP430F149，產(chǎn)生占空比可調(diào)節(jié)的PWM脈沖激勵信號的頻率為15_30kHz。
[0009]前述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述功率放大電路為半橋型D類功率放大電路或者全橋型D類功率放大電路。
[0010]前述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述阻抗匹配電路設(shè)有阻抗匹配變壓器，所述阻抗匹配變壓器包括PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體，并通過高頻高溫線圈繞制而成，通過調(diào)整阻抗匹配變壓器的初級與次級匝數(shù)比，實現(xiàn)阻抗匹配。
[0011]前述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述諧振匹配電路設(shè)有諧振匹配電感，所述振匹配電感包括PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體，并通過高頻高溫線圈繞制而成，通過調(diào)整諧振匹配電感的繞制匝數(shù)來調(diào)整電感值，實現(xiàn)在不同頻率下與超聲換能器的靜態(tài)匹配。
[0012]前述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述超聲換能器為柱狀壓電陶瓷換能器。
[0013]前述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述電壓可調(diào)電源采用開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過微處理器實時控制電壓可調(diào)電源的輸出電壓。
[0014]基于上述的數(shù)字化智能式超聲功率源的使用方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟(A)，檢查確定超聲換能器的工作頻率和額定功率，接通超聲功率源的電源，通過控制面板設(shè)定超聲換能器的工作頻率和功率、工頻市電的電流、電壓可調(diào)電源的電壓；
步驟(B)，過壓過流監(jiān)測電路監(jiān)測工頻市電的電流和電壓可調(diào)電源的電壓，經(jīng)第一濾波整形電路整形濾波，通過微處理器分析，控制電壓可調(diào)電源或者功率放大電路的開通時間，實現(xiàn)超聲功率源功率的調(diào)整，保證超聲功率源的安全工作；
步驟(C)，電壓電流采樣電路分別采樣所述阻抗匹配電路兩端的電壓和諧振匹配電路的電流，經(jīng)第二濾波整形電路整形濾波，通過微處理器分析阻抗變換特性和相位變換特性實現(xiàn)阻抗和諧振的靜態(tài)匹配，保證超聲換能器輸出最大的有用功率；
步驟(D)，在超聲換能器工作穩(wěn)定后，超聲換能器的諧振點會在中心頻率處產(chǎn)生偏移，則重復(fù)步驟(C)進(jìn)行動態(tài)匹配調(diào)節(jié)，保證超聲換能器工作在諧振點，輸出最大的有用功率。
[0015]前述的數(shù)字化智能式超聲功率源的使用方法，其特征在于:步驟(B)實現(xiàn)超聲功率源功率的調(diào)整的方法為，
(BI)，通過微處理器每隔Is開啟過壓過流監(jiān)測電路的監(jiān)測信號輸入通道，并與控制面板設(shè)定的電壓值和電流值進(jìn)行對比；
(B2)判斷電壓值和電流值是否在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，若電壓值和電流值在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則保持微處理器輸出的PWM激勵脈沖信號的頻率不變的情況下，一方面調(diào)節(jié)PWM激勵脈沖占空比，改變功率放大電路的開通時間，實現(xiàn)超聲功率源輸出功率的調(diào)整；另一方面，調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源的供電電壓，實現(xiàn)超聲功率源輸出功率的調(diào)整；若電壓值和電流值不在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則繼續(xù)判斷測出的電壓值和電流值偏離正常工作范圍的值；
(B3)若偏離正常工作范圍的值不超過設(shè)定值的10%，則通過微處理器調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源的電壓，實現(xiàn)超聲功率源的正常工作，否則由微處理器控制直接切斷電壓可調(diào)電源和工頻市電。
[0016]前述的數(shù)字化智能式超聲功率源的使用方法，其特征在于:重復(fù)步驟(C)進(jìn)行動態(tài)匹配調(diào)節(jié)的方法為，
(Cl)通過微處理器每隔Is開啟電壓電流采樣電路的采樣信號輸入通道，快速計算電壓和電流的相位差；
(C2)判斷相位差是否在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，若相位差在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則保持微處理器輸出PWM激勵脈沖信號的的頻率不變；若相位差不在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則繼續(xù)判斷測出的相位差對應(yīng)的超聲換能器的阻抗特性；
(C3)若超聲換能器電路呈電容性，則增大微處理器輸出PWM激勵脈沖信號的頻率；若超聲換能器電路呈電感性，則減小微處理器輸出的PWM激勵脈沖信號的頻率；
(C4)重復(fù)步驟(C3)，直到測量的相位差穩(wěn)定在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，超聲換能器工作在諧振點，輸出最大的有用功率；
(C5)當(dāng)超聲換能器的諧振點會在中心頻率偏移，通過控制面板控制微處理器啟動動態(tài)快速掃頻，微處理器以中心頻率IOOHz為掃頻區(qū)間，以0.1s為時間間隔進(jìn)行掃頻，實現(xiàn)超聲換能器的動態(tài)匹配。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的數(shù)字化智能式超聲功率源及其使用方法，通過微處理器直接產(chǎn)生PWM激勵脈沖信號，經(jīng)后級電路調(diào)整用于驅(qū)動超聲換能器；通過調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源，控制超聲功率源的輸出功率；通過實時監(jiān)測工頻市電的電流和電壓可調(diào)電源的電壓，調(diào)整超聲功率源的工作狀態(tài)；通過實時采樣阻抗匹配電路的電壓和諧振匹配電路的電流，經(jīng)微處理器分析阻抗特性來動態(tài)調(diào)整PWM激勵脈沖信號的頻率，實現(xiàn)一個動態(tài)匹配的過程，保證換能器始終工作在諧振點，輸出最大的有用功率，本發(fā)明超聲功率可調(diào)，匹配方式簡單、精度較高，電路簡單，安全可靠，實現(xiàn)了超聲功率源的數(shù)字化、智能化，具有超聲驅(qū)動信號頻率可調(diào)，超聲功率可調(diào)，系統(tǒng)上電安全監(jiān)測，動態(tài)匹配效果好的功能，電路結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，成本較低，易于實現(xiàn)，具有較廣的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的數(shù)字化智能式超聲功率源的系統(tǒng)框圖。
[0019]

【具體實施方式】
[0020]下面將結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明的數(shù)字化智能式超聲功率源，包括
微處理器，用于直接產(chǎn)生PWM激勵脈沖信號和控制超聲功率源工作；
電壓可調(diào)電源，用于給功率放大電路提供工作電壓；
過壓過流監(jiān)測電路，用于實時監(jiān)測工頻市電的電流、電壓可調(diào)電源的電壓；
電壓電流采樣電路，用于實時采樣阻抗匹配電路的電壓、諧振匹配電路的電流；
控制面板，用于控制超聲功率源，實現(xiàn)人機交互；
超聲換能器，用于實現(xiàn)電聲能量轉(zhuǎn)換；
第一濾波整形電路，用于對過壓過流監(jiān)測電路的監(jiān)測信號進(jìn)行濾波整形處理；
第二濾波整形電路，用于對電壓電流采樣電路的采樣信號進(jìn)行濾波整形處理；
還包括用于對微處理器產(chǎn)生的PWM激勵脈沖信號調(diào)整，依次串聯(lián)的隔離緩沖電路、功放驅(qū)動電路、功率放大電路、阻抗匹配電路、諧振匹配電路；
所述隔離緩沖電路，用于隔離微處理器與功放驅(qū)動電路，提高PWM激勵脈沖信號的幅值；
所述功放驅(qū)動電路，用于驅(qū)動功率放大電路；
所述功率放大電路，用于PWM激勵脈沖信號的功率放大；
所述阻抗匹配電路，用于實現(xiàn)功率放大后的PWM激勵脈沖信號與超聲換能器的阻抗匹配；
所述諧振匹配電路，用于使超聲換能器工作在純電阻狀態(tài)；
所述微處理器通過電壓可調(diào)電源與功率放大電路的電源輸入端相連接，所述電壓可調(diào)電源通過過壓過流監(jiān)測電路與第一濾波整形電路相連接，所述第一濾波整形電路與微處理器相連接，所述阻抗匹配電路、諧振匹配電路分別與電壓電流采樣電路相連接，所述電壓電流采樣電路通過第二濾波整形電路與微處理器相連接。
[0022]所述微處理器的型號為MSP430F149，產(chǎn)生占空比可調(diào)節(jié)的PWM脈沖激勵信號的頻率為15-30kHz，MSP430F149芯片，具有精簡指令集結(jié)構(gòu)，配合8M的外部時鐘，具有高效的處理能力；具有快速PWM信號輸出單元，其精度高，頻率可調(diào)，占空比可調(diào)；低功耗，低成本，操作簡單；
所述隔離緩沖電路，用于隔離微處理器和功放驅(qū)動電路，提高超聲驅(qū)動信號的幅值，使用5V供電的非門芯片74LS04，具有6個非門結(jié)構(gòu)，采用兩個非門串聯(lián)成一個傳輸門，接入后級的功放驅(qū)動電路；
所述功放驅(qū)動電路，用使用集成芯片IR2110，用于大功率MOSFET和IGBT專用柵極驅(qū)動集成電路，該芯片體積小，集成度高，響應(yīng)快，偏值電壓高，驅(qū)動能力強，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，而且其成本低，易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口，尤其是上管驅(qū)動采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動電源路數(shù)目較其他IC驅(qū)動大大減小，該芯片能夠?qū)⒁宦饭β史糯箅娐纷兂蓛陕吠l反相的信號，使半橋型D類功率放大電路的上、下功率開關(guān)管交替導(dǎo)通工作；
所述功率放大電路為半橋型D類功率放大電路或者全橋型D類功率放大電路，本發(fā)明選用半橋型D類功率放大電路，由若干電阻電容組成的RC緩沖電路和由IRFP460功率開關(guān)管組成的橋臂構(gòu)成；
所述阻抗匹配電路設(shè)有阻抗匹配變壓器，阻抗匹配變壓器包括PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體，并通過高頻高溫線圈繞制而成，通過調(diào)整阻抗匹配變壓器的初級與次級匝數(shù)比，實現(xiàn)阻抗匹配；
所述諧振匹配電路設(shè)有諧振匹配電感，所述振匹配電感包括PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體，并通過高頻高溫線圈繞制而成，通過調(diào)整諧振匹配電感的繞制匝數(shù)來調(diào)整電感值，實現(xiàn)在不同頻率下與超聲換能器的靜態(tài)匹配。
[0023]所述超聲換能器為柱狀壓電陶瓷換能器，可以使傳播到水中的超聲波有較好的聲場分布情況，順利實現(xiàn)超聲空化效應(yīng)與超聲機械效應(yīng)的效果；
所述電壓可調(diào)電源采用開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過微處理器實時控制電壓可調(diào)電源的輸出電壓；
所述電壓電流采樣電路，用于采集阻抗匹配電路的實時工作電壓和諧振匹配電路實時工作電流，電壓電流采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路，其中電壓采樣電路是通過阻抗匹配變壓器次級拉出四個抽頭，兩個抽頭用于連接諧振電路和超聲換能器，通過采集另外兩個抽頭的電壓，根據(jù)匝數(shù)比即可得知超聲換能器的工作電壓；電流采樣電路是與包括調(diào)諧匹配電路在內(nèi)的超聲換能器串聯(lián)一個固定阻值的高精度功率電阻，其阻值較小(其分壓作用可以忽略不計)，由此功率電阻的兩端電壓與固定阻值的比值就是超聲換能器的工作電流；
所述第一或者第二濾波整形電路，用于去除采樣信號或監(jiān)測信號中的毛刺，并對采樣信號進(jìn)行波形變換，包括濾波單元和波形變換單元，波形變換單元將采樣信號或監(jiān)測信號轉(zhuǎn)化成單穩(wěn)態(tài)電平信號；
所述電壓電流監(jiān)測電路，用于監(jiān)測工頻市電的電流和電壓可調(diào)電源的電壓，包括電壓監(jiān)測單元和電流監(jiān)測單元，電流監(jiān)測采用電流互感器監(jiān)測；
基于上述的數(shù)字化智能式超聲功率源的使用方法，包括以下步驟，
步驟(A)，檢查確定超聲換能器的工作頻率和額定功率，接通超聲功率源的電源，通過控制面板設(shè)定超聲換能器的工作頻率和功率、工頻市電的電流、電壓可調(diào)電源的電壓；
步驟(B)，過壓過流監(jiān)測電路監(jiān)測工頻市電的電流和電壓可調(diào)電源的電壓，經(jīng)第一濾波整形電路整形濾波，通過微處理器分析，控制電壓可調(diào)電源或者功率放大電路的開通時間，實現(xiàn)超聲功率源功率的調(diào)整，保證超聲功率源的安全工作，這里實現(xiàn)超聲功率源功率的調(diào)整的方法為， (BI)，通過微處理器每隔Is開啟過壓過流監(jiān)測電路的監(jiān)測信號輸入通道，并與控制面板設(shè)定的電壓值和電流值進(jìn)行對比；
(B2)判斷電壓值和電流值是否在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，若電壓值和電流值在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則保持微處理器輸出的PWM激勵脈沖信號的頻率不變的情況下，一方面調(diào)節(jié)PWM激勵脈沖占空比，改變功率放大電路的開通時間，實現(xiàn)超聲功率源輸出功率的調(diào)整；另一方面，調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源的供電電壓，實現(xiàn)超聲功率源輸出功率的調(diào)整；若電壓值和電流值不在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則繼續(xù)判斷測出的電壓值和電流值偏離正常工作范圍的值；
(B3)若偏離正常工作范圍的值不超過設(shè)定值的10%，則通過微處理器調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源的電壓，實現(xiàn)超聲功率源的正常工作，否則由微處理器控制直接切斷電壓可調(diào)電源和工頻市電；
步驟(C)，電壓電流采樣電路分別采樣所述阻抗匹配電路兩端的電壓和諧振匹配電路的電流，經(jīng)第二濾波整形電路整形濾波，通過微處理器分析阻抗變換特性和相位變換特性實現(xiàn)阻抗和諧振的靜態(tài)匹配，保證超聲換能器輸出最大的有用功率；
步驟(D)，在超聲換能器工作穩(wěn)定后，超聲換能器的諧振點會在中心頻率處產(chǎn)生偏移，則重復(fù)步驟(C)進(jìn)行動態(tài)匹配調(diào)節(jié)，保證超聲換能器工作在諧振點，輸出最大的有用功率，重復(fù)步驟(C)進(jìn)行動態(tài)匹配調(diào)節(jié)的方法為，
(Cl)通過微處理器每隔Is開啟電壓電流采樣電路的采樣信號輸入通道，快速計算電壓和電流的相位差；
(C2)判斷相位差是否在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，若相位差在設(shè)定的正常工作范圍(設(shè)置在-5° -+5°之間)內(nèi)，則保持微處理器輸出PWM激勵脈沖信號的的頻率不變；若相位差不在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則繼續(xù)判斷測出的相位差對應(yīng)的超聲換能器的阻抗特性；(C3)若超聲換能器電路呈電容性，則增大微處理器輸出PWM激勵脈沖信號的頻率；若超聲換能器電路呈電感性，則減小微處理器輸出的PWM激勵脈沖信號的頻率；
(C4)重復(fù)步驟(C3)，直到測量的相位差穩(wěn)定在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，超聲換能器工作在諧振點，輸出最大的有用功率；
(C5)當(dāng)超聲換能器的諧振點會在中心頻率偏移，通過控制面板控制微處理器啟動動態(tài)快速掃頻，微處理器以中心頻率IOOHz為掃頻區(qū)間，以0.1s為時間間隔進(jìn)行掃頻，實現(xiàn)超聲換能器的動態(tài)匹配。
[0024]綜上所述，本發(fā)明的數(shù)字化智能式超聲功率源及其使用方法，通過微處理器直接產(chǎn)生PWM激勵脈沖信號，經(jīng)后級電路調(diào)整用于驅(qū)動超聲換能器；通過調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源，控制超聲功率源的輸出功率；通過實時監(jiān)測工頻市電的電流和電壓可調(diào)電源的電壓，調(diào)整超聲功率源的工作狀態(tài)；通過實時采樣阻抗匹配電路的電壓和諧振匹配電路的電流，經(jīng)微處理器分析阻抗特性來動態(tài)調(diào)整PWM激勵脈沖信號的頻率，實現(xiàn)一個動態(tài)匹配的過程，保證換能器始終工作在諧振點，輸出最大的有用功率，本發(fā)明超聲功率可調(diào)，匹配方式簡單、精度較高，電路簡單，安全可靠，實現(xiàn)了超聲功率源的數(shù)字化、智能化，具有超聲驅(qū)動信號頻率可調(diào)，超聲功率可調(diào)，系統(tǒng)上電安全監(jiān)測，動態(tài)匹配效果好的功能，電路結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，成本較低，易于實現(xiàn)，具有較廣的應(yīng)用前景。
[0025]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:包括 微處理器，用于直接產(chǎn)生PWM激勵脈沖信號和控制超聲功率源工作； 電壓可調(diào)電源，用于給功率放大電路提供工作電壓； 過壓過流監(jiān)測電路，用于實時監(jiān)測工頻市電的電流、電壓可調(diào)電源的電壓； 電壓電流采樣電路，用于實時采樣阻抗匹配電路的電壓、諧振匹配電路的電流； 控制面板，用于控制超聲功率源，實現(xiàn)人機交互； 超聲換能器，用于實現(xiàn)電聲能量轉(zhuǎn)換； 第一濾波整形電路，用于對過壓過流監(jiān)測電路的監(jiān)測信號進(jìn)行濾波整形處理； 第二濾波整形電路，用于對電壓電流采樣電路的采樣信號進(jìn)行濾波整形處理； 還包括用于對微處理器產(chǎn)生的PWM激勵脈沖信號調(diào)整，依次串聯(lián)的隔離緩沖電路、功放驅(qū)動電路、功率放大電路、阻抗匹配電路、諧振匹配電路； 所述隔離緩沖電路，用于隔離微處理器與功放驅(qū)動電路，提高PWM激勵脈沖信號的幅值； 所述功放驅(qū)動電路，用于驅(qū)動功率放大電路； 所述功率放大電路，用于PWM激勵脈沖信號的功率放大； 所述阻抗匹配電路，用于實現(xiàn)功率放大后的PWM激勵脈沖信號與超聲換能器的阻抗匹配； 所述諧振匹配電路，用于使超聲換能器工作在純電阻狀態(tài)； 所述微處理器通過電壓可調(diào)電源與功率放大電路的電源輸入端相連接，所述電壓可調(diào)電源通過過壓過流監(jiān)測電路與第一濾波整形電路相連接，所述第一濾波整形電路與微處理器相連接，所述阻抗匹配電路、諧振匹配電路分別與電壓電流采樣電路相連接，所述電壓電流采樣電路通過第二濾波整形電路與微處理器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述微處理器的型號為MSP430F149，產(chǎn)生占空比可調(diào)節(jié)的PWM脈沖激勵信號的頻率為15_30kHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述功率放大電路為半橋型D類功率放大電路或者全橋型D類功率放大電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述阻抗匹配電路設(shè)有阻抗匹配變壓器，所述阻抗匹配變壓器包括PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體，并通過高頻高溫線圈繞制而成，通過調(diào)整阻抗匹配變壓器的初級與次級匝數(shù)比，實現(xiàn)阻抗匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述諧振匹配電路設(shè)有諧振匹配電感，所述振匹配電感包括PQ-28型骨架、E-E型鐵氧體，并通過高頻高溫線圈繞制而成，通過調(diào)整諧振匹配電感的繞制匝數(shù)來調(diào)整電感值，實現(xiàn)在不同頻率下與超聲換能器的靜態(tài)匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述超聲換能器為柱狀壓電陶瓷換能器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化智能式超聲功率源，其特征在于:所述電壓可調(diào)電源采用開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過微處理器實時控制電壓可調(diào)電源的輸出電壓。
8.基于權(quán)利要求1所述的數(shù)字化智能式超聲功率源的使用方法，其特征在于:包括以下步驟，步驟(A)，檢查確定超聲換能器的工作頻率和額定功率，接通超聲功率源的電源，通過控制面板設(shè)定超聲換能器的工作頻率和功率、工頻市電的電流、電壓可調(diào)電源的電壓； 步驟(B)，過壓過流監(jiān)測電路監(jiān)測工頻市電的電流和電壓可調(diào)電源的電壓，經(jīng)第一濾波整形電路整形濾波，通過微處理器分析，控制電壓可調(diào)電源或者功率放大電路的開通時間，實現(xiàn)超聲功率源功率的調(diào)整，保證超聲功率源的安全工作； 步驟(C)，電壓電流采樣電路分別采樣所述阻抗匹配電路兩端的電壓和諧振匹配電路的電流，經(jīng)第二濾波整形電路整形濾波，通過微處理器分析阻抗變換特性和相位變換特性實現(xiàn)阻抗和諧振的靜態(tài)匹配，保證超聲換能器輸出最大的有用功率； 步驟(D)，在超聲換能器工作穩(wěn)定后，超聲換能器的諧振點會在中心頻率處產(chǎn)生偏移，則重復(fù)步驟(C)進(jìn)行動態(tài)匹配調(diào)節(jié)，保證超聲換能器工作在諧振點，輸出最大的有用功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)字化智能式超聲功率源的使用方法，其特征在于:步驟(B)實現(xiàn)超聲功率源功率的調(diào)整的方法為， (BI)，通過微處理器每隔Is開啟過壓過流監(jiān)測電路的監(jiān)測信號輸入通道，并與控制面板設(shè)定的電壓值和電流值進(jìn)行對比； (B2)判斷電壓值和電流值是否在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，若電壓值和電流值在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則保持微處理器輸出的PWM激勵脈沖信號的頻率不變的情況下，一方面調(diào)節(jié)PWM激勵脈沖占空比，改變功率放大電路的開通時間，實現(xiàn)超聲功率源輸出功率的調(diào)整；另一方面，調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源的供電電壓，實現(xiàn)超聲功率源輸出功率的調(diào)整；若電壓值和電流值不在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則繼續(xù)判斷測出的電壓值和電流值偏離正常工作范圍的值； (B3)若偏離正常工作范圍的值不超過設(shè)定值的10%，則通過微處理器調(diào)節(jié)電壓可調(diào)電源的電壓，實現(xiàn)超聲功率源的正常工作，否則由微處理器控制直接切斷電壓可調(diào)電源和工頻市電。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)字化智能式超聲功率源的使用方法，其特征在于:重復(fù)步驟(C)進(jìn)行動態(tài)匹配調(diào)節(jié)的方法為， (Cl)通過微處理器每隔Is開啟電壓電流采樣電路的采樣信號輸入通道，快速計算電壓和電流的相位差； (C2)判斷相位差是否在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，若相位差在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則保持微處理器輸出PWM激勵脈沖信號的的頻率不變；若相位差不在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，則繼續(xù)判斷測出的相位差對應(yīng)的超聲換能器的阻抗特性； (C3)若超聲換能器電路呈電容性，則增大微處理器輸出PWM激勵脈沖信號的頻率；若超聲換能器電路呈電感性，則減小微處理器輸出的PWM激勵脈沖信號的頻率； (C4)重復(fù)步驟(C3)，直到測量的相位差穩(wěn)定在設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，超聲換能器工作在諧振點，輸出最大的有用功率； (C5)當(dāng)超聲換能器的諧振點會在中心頻率偏移，通過控制面板控制微處理器啟動動態(tài)快速掃頻，微處理器以中心頻率10Hz為掃頻區(qū)間，以0.1s為時間間隔進(jìn)行掃頻，實現(xiàn)超聲換能器的動態(tài)匹配。
【文檔編號】H03K3/02GK104043577SQ201410237235
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】趙俊陽, 朱昌平, 方培森, 王涵瑜, 莫正佩, 朱益鵬, 何貞兵 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)