基于數字脈沖驅動的變頻超聲波換能器的設計

劉 振,邢曉凱,王麗玲,孫銳艷,王世剛

(1.中國石油大學油氣管道輸送安全國家工程實驗室／城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京，102249；2.中國石油吉林油田公司勘察設計院，吉林松原，138000)

0 引言

超聲波是頻率高于20kHz的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒、原油破乳、脫氣等，在醫學、軍事、工業、農業、石油行業上有很多的應用。本文設計一套能在寬頻域內鎖頻且適應性廣的通用超聲波換能器具有非常重要的意義。

本文設計的基于數字脈沖驅動的變頻超聲波系統結構示意圖如圖1。

圖1 變頻式超聲波系統結構示意圖

1、超聲波發生器 2、底座 3、超聲波換能器 4、清洗液 5、超聲波波場作用槽

1 變頻式超聲波換能器的設計

換能器承擔的作用主要是將超音頻交變的電能通過壓電效應轉換成高頻機械振動。本課題以壓電式換能器為研究對象，設計其硬件系統，并對其等效電路、接收電路和整合電路進行分析。設計中使用的專用集成塊、數字技術，大大提高換能器的抗干擾性和適應性。

1.1 變頻式超聲波換能器的結構設計

圖2 變頻式超聲波換能器結構示意圖

本文設計的變頻式超聲波換能器的結構包括：31外殼、32超聲波定向圈、33接線板、34擋圈、35外部信號電纜、36導電柱、37吸聲材料、38抑制壓電片、39高溫導電膠DB5015，如圖2所示。

壓電片優先選用ANN-PSF-1001，通過DB5015高溫導電膠與超聲波發射端耦合，焊接導電柱時，將壓電片固定在夾具上，并保證導電柱與壓電片保持垂直和同心，中心偏差±0.1mm。

壓電片的背面填充吸聲材料，用于吸收和抑制壓電振子的反向振動波，以獲得純凈的單脈沖發射波形。吸收材料是采用雙組份的S2-116高彈性電子灌封膠。

接線板是用于壓電片與電纜之間的緩沖連接裝置，以保護壓電片不受電纜焊接應力的影響。接線板采用厚度1mm的雙面覆銅板制成，通過繪圖布線進行加工，接線板的中心孔與導電柱配合壓接，采用孔化處理。

擋圈用于卡固接線板。擋圈采用標準件，其外徑應與殼體上腔室內壁螺紋動配合，可旋進安裝，安裝需采用專用卡鉗。以上部件組裝并測試合格之后，焊接外部連接電纜并采用電子膠灌封，以達IP68防護標準，電纜采用0.2mm2的多股耐高溫柔性電纜，電纜外徑約3～3.5mm，彎曲半徑大于6mm。

1.2 變頻式超聲波換能器電壓放大電路設計

圖3 變頻式超聲波換能器電壓放大電路圖

在設計中采用PGA204可編程增益儀用放大器。PGA204的輸入電流小于1 nA。該電路采用兩級100倍電壓增益的電路級連而成，總電壓增益為10000。采用兩級100倍電壓增益的目的是為方便電路測試和電路調整。在輸入端輸入約0.1 mV的電壓，在輸出端可得到約1V的電壓，即在第一級PGA204的輸出端約有0.1 V的電壓，這個電壓便于測量。兩級中間加入低通濾波電路對信號進行濾波。

1.3 超聲波換能器頻率整合電路設計

圖4 變頻式超聲波換能器頻率整合電路圖

高壓電容C0、陶瓷晶體振蕩器X、濾波電路和放大電路整合后的總電路如圖所示.陶瓷晶體振蕩器X與高壓電容C0組成探頭內的超聲波發射電路。HV為高壓輸入端，通過高壓輸入端對高壓電容。進行充電；C0與陶瓷晶體振蕩器X匹配組成諧振回路，陶瓷晶體受到高壓的激發，使得換能器產生振動，發出超聲波。

2 實驗結果

經過系統測試，變頻式超聲波系統實現了如下功能：

頻率范圍為20kHz～135kHz，具有無級可調，控制靈活，輸出匹配良好，效率高等優點。

全新線路板控制，超聲波輸出功率損耗低，不影響工作效率。

性能可靠，故障率低，輸出穩定。

功率范圍為0W～3000W，實現了功率無級可調。

相對于傳統的自激式控制技術，采用數字脈沖方式驅動，具有體積小、重量輕、功率強勁，工作穩定可靠，功率連續可調，控制靈活等優點。

3 結論

基于數字脈沖驅動的變頻超聲波換能器可以廣泛應用于超聲波清洗機、超聲波治療儀等超聲設備中。此超聲波換能器最大限度的利用單片機資源和一些功能模塊芯片，減小了系統的體積，減少了系統功耗，有利于節省資源?；跀底置}沖驅動的變頻超聲波換能器比傳統型換能器體積更小，操作方便，性能更加穩定，同時也實現了傳統超聲波換能器不具有的變頻功能。

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