用锁相环电路跟踪压电换能器并联谐振频率区

本在介绍用PLL（Phase-Locked Loop锁相环）电路进行频率跟踪的原理和实质的基础上,给出一种够跟踪压电换能器并联频率fP区间的具体电路,并通过实验研究了匹配电感和负载等对电路跟踪性能的影响,结果表明,这个电路具有很好的频跟踪和功率自动调节性能。     

基于压电换能器谐振网络幅频特性的频率跟踪技术

本文分析了压电换能器谐振网络的幅频特性,介绍了利用该特性进行频率跟踪的实现方法,并对眼科白内障超声乳化仪中的超声手柄进行了频率跟踪实验。实验研究表明利用谐振网络的幅频特性,对超声振动系统进行频率跟踪是一种简单、有效、可行的方案。     

基于电流和相位差的超声换能器频率自动跟踪

为了提高超声换能器频率跟踪的稳定性,通过对最小电流法和相位差法的原理和应用范围进行分析,提出了基于最小电流和相位差法相结合的并联谐振频率跟踪策略,该策略主要思想是将最小电流法运用于换能器空载阶段,相位差法运用于带载阶段,并且带载时的起始驱动频率取为空载阶段跟踪到的并联谐振频率。由此对最小电流法和相位差法这两种跟踪方法进行取长补短。基于该跟踪策略对换能器在不同负载下进行了实验,结果表明该策略可以快速地跟踪到换能器的并联谐振频率,并且工作稳定。     

超声换能器并联谐振频率的复合式跟踪方法研究

为了使超声换能器适应变化比较剧烈的负载,本文通过分析超声换能器在并联谐振频率附近工作时的频率特性和实际需求特点,利用变压器初级匹配方法得到了更好的频率特性,并对比了换能器空载和带负荷情况下的阻抗特性曲线,提出了复合式自动频率跟踪方法,空载时找到超声换能器最小电流的对应的频率点,加载过程中利用比例积分微分算法实现频率的快速跟踪。并对超声换能器在不同负载时的功率输出进行了实验,结果表明,复合式频率跟踪方法可以稳定地跟踪到超声换能器的并联谐振频率,能实现超声换能器的功率自调节,对提高换能器的工作效率和负荷适应能力具有实际的指导意义和应用价值。     

大功率超声用有源频率自动跟踪系统

在超声加工中,大振幅换能振子的频率漂移是一个多途径在解决的问题。本文介绍的频率跟踪电路利用了运算放大器的函数运算特性,对换能器的传输函数进行补偿,较容易地实现了一个频段上的频率跟踪。     

夹心式压电换能器的谐振频率跟踪方案设计

分析了夹心式压电换能器的阻抗特性,讨论了基于相位方式的现有跟踪方案的不足,提出了一种新的频率跟踪方案,介绍了实现该方案的电路系统。该方案的特点是:采用先扫频后跟踪的策略,解决了频率范围设定难的问题;增加解锁控制,使得系统在死锁或误跟踪时自动回到频率搜索状态;采用直接数字合成器(DDS)作为频率调整和信号产生的器件,实现了全数字系统,调整方便,精度高;采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)做相位比较和DDS控制,使频率跟踪速度快,并且跟踪精度和速度均可控制。     

正交偶极声波测井换能器有限元分析*

三叠片型换能器是正交偶极声波测井仪器的重要组成部分。换能器的性能直接影响声波测井数据的质量。本文在前人工作基础上,针对三叠片型声波测井发射换能器长度方向的一阶弯曲振动工作模式,利用有限元方法,模拟了换能器结构尺寸和边界条件变化对换能器性能的影响。结果显示,结构尺寸和边界条件对换能器的谐振频率和电导值均有不同程度的影响。参考数值模拟结果,选取合适的结构尺寸参数和边界固定方式,可以调整和选择正交偶极声波测井仪器发射换能器工作频率和最大发射效率。本文研究结果对三叠片型换能器的优化设计有较好的指导意义。     

锁相式超声振动系统频率自动跟踪的初步研究

在功率超声的应用中，频率自动跟踪技术是需要解决的一个重要课题，是提高超声设备输出功率和效率的重要途径之一，本文阐述了超声换能器在谐振频率附近的电抗特性，由此得出了采用锁相技术进行频率自动跟踪的理论基础，文中详细叙述了锁相工频率自动跟踪系统的是电路结构及工作原理，并用压力模拟负载进行了实验，实验结果表明：系统的跟踪性能能够较好地满足实际要求。     

厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展*

厚度模压电超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号间转换的载体,是超声成像与检测系统的核心器件,一般由压电层、匹配层和背衬层3部分组成。超声换能器的性能一定程度上决定着整体超声设备的性能,影响了其在工业、医学、军事等领域的应用。该换能器的关键性能指标(带宽、灵敏度)除了受到压电层的影响,还与匹配层、背衬层等无源声学材料的设计密切相关。该文综述了近年来厚度模压电超声换能器无源声学材料(匹配层、背衬层和声透镜)的研究进展,提出了当前该类材料面临的难题和解决途径,并对其未来发展方向进行了展望。     

超声焊接全状态频率跟踪算法*

与超声塑料焊接相比，超声金属焊接负载重且变化剧烈，容易导致换能器出现无阻性点状态或者频率误跟踪。现有的频率跟踪方法往往只能在换能器有阻性点的状态下正常工作，在出现误跟踪时也无法自动复位。针对上述问题，本文基于梅森等效电路，推导出一种能够同时适配于谐振频率与反谐振频率，能够自行判断是否误跟踪频率跟踪算法。当换能器处于无阻性点状态时，算法将自动把跟踪目标变为相位差最小点，实现全状态频率跟踪。算法利用三个不同频率及其发波时换能器的电压电流相位进行计算，以此算出理想的频率跟踪步长和方向。最后通过MATLAB对算法进行仿真，验证算法在目标频率发生非线性变化时频率跟踪的效果。结果表明，新算法能够实现误跟踪的自复位和全状态频率跟踪，同时能在启动后10ms以内完成频率跟踪，跟踪精度达0.1hz。     

简易超声波换能器频率测试仪的研究

对超声波换能器频率测试系统进行了探讨，并在此基础上提出了改装设想，分析了所研究的简易超声波换能器频率测试仪的电路原理及实验结果。     

Review of the design of power ultrasonic generator for piezoelectric transducer

The power ultrasonic generator (PUG) is the core device of power ultrasonic technology (PUT), and its performance determines the application of this technology in biomedicine, semiconductor, aerospace, and other fields. With the high demand for sensitive and accurate dynamic response in power ultrasonic applications, the design of PUG has become a hot topic in academic and industry. However, the previous reviews cannot be used as a universal technical manual for industrial applications. There are many technical difficulties in establishing a mature production system, which hinder the large-scale application of PUG for piezoelectric transducers. To enhance the performance of the dynamic matching and power control of PUG, the studies in various PUT applications have been reviewed in this article. Initially, the demand design covering the piezoelectric transducer application and parameter requirements for ultrasonic and electrical signals is overall summarized, and these parameter requirements have been recommended as the technical indicators of developing the new PUG. Then the factors affecting the power conversion circuit design are analyzed systematically to realize the foundational performance improvement of PUG. Furthermore, advantages and limitations of key control technologies have been summarized to provide some different ideas on how to realize automatic resonance tracking and adaptive power adjustment, and to optimize the power control and dynamic matching control. Finally, several research directions of PUG in the future have been prospected.     

基于NI ELVIS的超声换能器参数测量系统设计

为了满足超声换能器快速筛选的要求,在对超声换能器参数导纳圆法测量原理进行分析的基础上,利用NI ELVIS平台搭建了一种结构简单的超声换能器参数测量系统。采用点频法实现高精度、快速的导纳测量,采用最小二乘法拟合得到导纳圆,进而完成超声换能器诸参数的计算。基于LabVIEW软件平台编写了相应的软件系统。针对40 kHz超声换能器的测试表明,所设计的超声换能器参数测量系统精度高、处理速度快,且结构简单、便于使用。     

基于改进PSO的超声雾化电源频率跟踪研究*

超声波雾化技术由于其良好的雾化效果获得了广泛关注，具有极大的研究价值和应用前景。但是在超声雾化的过程中，由于换能器的温度变化、刚度变化以及在水中的负载变化等因素，会产生谐振频率漂移的现象。当工作频率偏移谐振频率时，将造成换能器的工作效率降低和元器件损坏等问题。针对此问题，设计了基于改进粒子群算法优化PID参数的超声雾化电源频率跟踪算法，并对该算法进行频率跟踪的仿真验证和实验对比，在频率跟踪上实现了更好的效果，使换能器能够稳定工作在谐振状态，提高了电源的利用率。     

Extension of the crosstalk cancellation method in ultrasonic transducer arrays from the harmonic regime to the transient one

This paper describes a procedure to extend the crosstalk correction method presented in a previous paper [A. Bybi, S. Grondel, J. Assaad, A.–C. Hladky-Hennion, M. Rguiti, Reducing crosstalk in array structures by controlling the excitation voltage of individual elements: a feasibility study, Ultrasonics, 53 (6) (2013) 1135–1140] from the harmonic regime to the transient one. For this purpose a part of an ultrasonic transducer array radiating in water is modeled around the frequency 0.5 MHz using the finite element method. The study is carried out at low frequency in order to respect the same operating conditions than the previous paper. This choice facilitated the fabrication of the transducer arrays and the comparison of the numerical results with the experimental ones. The modeled array is composed of seventeen elements with the central element excited, while the others are grounded. The matching layers and the backing are not taken into account which limits the crosstalk only to the piezoelectric elements and fluid. This consideration reduces the structure density mesh and results in faster computation time (about 25 min for each configuration using a computer with a processor Intel Core i5-3210M, frequency 2.5 GHz and having 4 Go memory (RAM)).     

超声换能器辐射场应力定量测量方法研究

提出了一种基于动态光弹观测系统的超声换能器在透明固体中辐射场应力定量测量新方法。该方法关注到激光束穿过非均匀应力区时的双折射累积效应和Senarmont补偿法均匀应力假设与真实应力非均匀分布之间的差异,利用滤波反投影算法重建出应力场;根据应力与换能器激励电压的线性关系,用4种激励电压动态校准重建后的应力数据。实验定量测量了圆形晶片超声换能器在固体内部辐射的瞬态纵波场的应力分布,结果表明应力幅值与激励电压成正比,符合线性规律。     

基于分布式超声无损检测方法的零件内部缺陷检测

超声检测广泛应用于工业检测,比如超声相控阵检测法和超声A扫应用于零件内部缺陷检测。然而,这些方法可以检测出缺陷位置却很难精确地检测缺陷尺寸,缺陷定量成了急需解决并且很有意义的问题。本文提出了一种分布式超声无损检测方法,将超声探头均匀布置在检测表面,每一个超声探头可以同时发射和接收超声信号,通过对接收到的信号进行处理来重构缺陷轮廓。基于分布式超声无损检测方法,重构零件的人造缺陷并建立相应的声学仿真模型。通过多项式拟合法和聚类法分别处理实验和仿真所获得的数据并重构缺陷轮廓。实验结果和仿真结果显示重构的椭圆形缺陷和正方形缺陷具有一定的精度。结果表明分布式超声无损检测方法有潜在的应用价值和理论意义。     

3D FEM analyses of the ultrasonic transducer for controlled nanowire rotary driving

Controlled rotary driving of single nano objects is an important technology in the assembling of nano structures, handling of biological samples, nano measurement, etc. However, there have been little analyses on the ultrasonic transducers for the nano rotary driving, which makes the transducer’s optimization impossible. In this work, vibration characteristics of the ultrasonic transducer for rotary driving of single nanowires, which has been proposed by the authors’ group, are analyzed by the 3D finite element method (FEM), and some useful guidelines for designing the transducer are achieved. It is found that the working point still exists when the commonly used metal materials in ultrasonic transducers are used as the vibration transmission strip, and when the vibration transmission strip’s size changes. It is also found that the direction of the elliptical motion of the micro manipulating probe’s tip may be reversed by changing the size of the vibration transmission strip properly. In addition, to ensure the performance consistency of the device, the micro manipulating probe’s length L_m or driving frequency should be designed to avoid the resonance of the micro manipulating probe.     

一种直接测量压电换能器串联谐振频率和并联谐振频率的新方法

本文提出了一种利用补偿原理直接测量压电换能器串联谐振频率fs和并联谐振频率fP的新方法一补偿法。在这种方法测量原理的基础上，进行了实际测量，并设计了一种实用的测量电路。采用此方法测量的测量结果与电桥法的结果相符得很好。