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超声波换能器的匹配设计!

文章出处:鑫亚图网人气:-发表时间:2015-05-16 12:06【

一、匹配概述

超声波换能器发生器匹配包括两个方面,一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率,这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致,把换能器的阻抗变换成最佳负载,也即阻抗变换作用;二是通过匹配使发生器输出效率最高,这是由于换能器有静电抗的原因,造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差,从而使输出功率得不到期望的最大输出,使发生器输出效率降低,因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗,使发生器负载为纯电阻,也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。

二、阻抗匹配

为了使功率放大器输出额定功率最大;在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。在电源电压给定之后,输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器,其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间,为了要达到要求的额定功率,因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法,通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。

以上称谓阻抗变换,是通过输出变压器实行的。

输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件,它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作,其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此,在设计时,应选取具有高磁通密度B,高导磁率μ,高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时,在设计时要注意如下几点:

1.铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大,所需线圈匝数愈少,直流电阻R也愈小,从而线圈的铜损Pm也愈小。ΔB取得高时,传输的脉冲前沿就愈陡。因此,在设计变压器时,选取高磁通密度的材料作铁芯,这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和,一般选取工作磁通密度B≤Bs/3为宜,这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。

2.要保证初级电感量足够大一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系:WLl≥15RL',其中RL'为次级负载所算到初级边的等效电阻值,WLl为初级电感感抗,若初级电感量太小,励6.5Ω磁电流将比较大,励磁电流过大,变压器的损耗将增加,温升随之增高,从而降低Bs,使变压器进入饱和的可能性增大。

3.要考虑“集肤效应”的影响在高频工作时,流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积,增加了导线的电阻,从而引起导线的压降增大,导致变压器温度升高,结果增大了变压器进入饱和的危险性,建议采用小直径的多股导线并绕的方法。

三、调谐匹配

由于压电换能器有静电容Co,磁致伸缩换能器有静电感LO,在换能器谐振状态时,换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角φ,其输出功率PO=VRLIRLcosφ。由于φ的存在,输出功率达不到最大值。只有当φ=0时,输出功率达最大值。因此为了使换能器上电压VRL与电流IRL同相(φ=0),则必须在换能器上,并上或串上一个相抵消的抗。对于压电换能器而言,即并上或串上一个电感L0即可,而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容C0。

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