超声换能器电感电容匹配电路的改进

　　在功率超声应用中,超声发射设备一般由超声电信号发生器、电端匹配电路及超声换能器三部分组成。电端匹配电路的作用是保证超声电信号能高效地传输给换能器[1]。电感电容匹配电路可以实现较理想的匹配[2],但由于换能器工作受温度升高等条件变化的影响,其输入阻抗及谐振频率将发生变化,若此时还用不变的参数进行匹配,必然导致电路不匹配,效率变低。对此,本文首先分析换能器几个电参数(如C0、R1、L1和C1的)改变对匹配电路的影响规律,然后提出改进电路,实现电感电容匹配电路的最优化。

　　1　电感电容匹配电路的原理

　　图1为超声发生器原理框图。其中,Z0=R0+jX0为电激励发生器的输出阻抗,X0为其电抗,当Z0=R0时为纯阻性。Ze=Re+jXe为换能器加匹配网络后的输入阻抗,Xe为其电抗。换能器是一个抗性元件,其输入阻抗为Zt=Rt+jXt,Xt为其电抗。根据最大功率输出条件,所得理想的匹配条件为[2](式中j表示虚数)

　　图2为电感电容匹配电路的电原理图。L、C分别为匹配电感和电容,该匹配电路的总阻抗为

　　式中为换能器的串联角频率。此电路的理想匹配条件为

　　因此,调整L和C的值可以实现理想的静态匹配。

　　由于一般功率超声换能器的串联频率为几十千赫兹,数量级为10⁴Hz;C0一般为几到十几纳法,数量级为10^-9F;R1为几十欧姆,数量级为10²Ω,故式(3)分母项中的ω²S(C+C0)²R²1的数量级为10^-4,远小于1,如果其变化的数量级不增加到10⁴,则有

　　当L1、C1不变,R1或C0变化时,式(6)、(7)说明对总电抗Xe有影响:C0或R1增大,Xe呈容性改变,反之呈感性改变;当C0、R1不变,C1或L1变化时,将代入式(7),得

　　(1)若R1和C0均不改变,电路满足匹配条件Xe=0,则无论C1或L1如何变化,Xe=0不变。

　　(2)若R1和C0改变,电抗Xe随C1或L1的平方根成反比例关系,但Xe的电抗性质由R1和C0的变化决定。L>R21(C+C0)时,Xe只是感性改变,反之容性改变。

　　2　改进的电感电容匹配电路

　　由上述分析知,只要减小C0和R1的影响,就可提高匹配电路对换能器电参数变化的适应能力。在电路中串联匹配电容Cd,电原理图如图3所示。该匹配电路的的总阻抗为

　　其电路的理想匹配条件为

　　若满足Cd<<(C+C0),当ωS为几十赫兹时有:>>ωSR²1(C+C0),则式(11)可写成

　　L1和C1不变,R1或C0变化时,由式(10)、(12)可知,只要合理选择Cd和L的值,Xe几乎不随C0或R1改变。电路的改进效果较好,解决了上述问题,可以较理想地匹配。当C0和R1不变,C1或L1变化时,将代入式(12),得