超声换能器阻抗角的在线检测

　　超声治疗设备中由超声电源驱动超声换能器实现电-声转换,但前者的输出阻抗及传输线的特性阻抗一般呈纯阻性而后者为电抗性元件,直接驱动会产生反射功率,使换能器温度升高,电-声转换效率降低,严重时甚至烧毁换能器,故需要对其进行匹配。传统的方法是采用阻抗分析仪等仪器测量出超声换能器的阻抗值后据此进行静态匹配[1],但超声换能器在长时间、大功率工作时,温度升高或负载变化等都会引起其阻抗特性和谐振频率的变化,如果还用静态不变的参数进行匹配,必然导致不匹配[2]。因此,有学者提出采用动态匹配的方式,使超声电源的输出频率动态地跟踪换能器谐振频率的变化[3],但超声治疗设备为保证超声波的聚焦深度和能量,一般需要采用固定频率治疗,且有时需要更换不同阻抗特性的超声换能器进行治疗,因此需要寻求一种在固定频率下的动态匹配方式。通过在线检测超声换能器和匹配网络组成的匹配系统的阻抗,并据此调节匹配网络的参数,使该匹配系统始终处于谐振状态,可满足这一要求。由于不匹配时匹配系统的阻抗为复阻抗,谐振时阻抗角为零,故阻抗角的测量是阻抗测量的关键。

　　阻抗角可通过检测流经匹配系统的电压和电流信号的相位差来获得。目前的相位差检测方法主要有过零计数法, DFT变换法和数字相关法等[4, 5]。其中过零计数法最为简单,但受计数频率及方法本身存在的?1个量化误差的影响,在测量较高或较低的频率时会产生较大的误差[6]。为此,本文提出了一种多周期同步测量法,将被测信号与闸门时间同步,消除了±1个量化误差,提高了测量精度,并利用外部计数器扩展单片机的测量频带,成功地实现了阻抗角的实时检测。

　　1 测量原理

　　多周期同步测量法的核心思想是将闸门信号与被测信号同步,使闸门时间控制为被测信号的整数倍,闸门开启时对标准脉冲计数,闸门关闭时停止计数。本系统中由同步闸门信号选取整数N个电压信号周期作为测量对象(如图1),若电压信号的周期为T,相位差信号的脉宽为τ,计数脉冲的周期为tc,单片机内部计数器T0所得计数值为N1,T1所得计数值为N2,分频数均为k,则相位差

　　2 系统实现

　　本系统的测量框图如图2所示。首先对流经匹配系统的电压和电流信号取样,整形后变为方波信号,一路经鉴相器获得相位差,另一路作相位关系判断。同步闸门信号发生器产生同步闸门信号,由50MHz标准计数脉冲对相位差脉冲和同步闸门信号进行填充,所得信号分频后送入单片机计数,再根据计数值计算得到相位差。

　　超声治疗设备的功率电信号幅值较高,不能直接测量,必须取样后再测量,取样电路的精度直接影响测量结果的精确性。本系统采用互感器取样,具有隔离性好、损耗小、频带宽、信号还原性好等优点。电流互感器采用Rogowski线圈结构,工作于自积分方式,以实现宽频带检测。电压互感器也选用同种结构,一次侧为多匝线圈,二次侧为单匝线圈。