12
发生器与换能器的匹配
超声波发生器与换能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。
• 他激式超声发生器主要包括两个部分：前 级是信号发生器，后级是功率放大器，一 般通过输出变压器耦合，将超声能量加到 换能器上。自激式超声发生器则将信号发 生器、功率放大器、输出变压器及换能器 连成一个整体，构成一个闭环回路，使整 个发生器通过幅度、相位反馈，产生足够 的功率，使换能器自动保持谐振在机械共 振频率上。
4
完善的超声波发生器还应有反馈环节，主要 提供二个方面的反馈信号：
• 第一个是提供输出功率信号 。供电电压发 生变化时。发生器的输出功率也会发生变 化，这时反映在换能器上就是机械振动忽 大忽小。
• 第二个是提供频率跟踪信号。当换能器工 作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳 定，而换能器的谐振频率点会由于装配原 因和工作老化后改变 。
13
超声波发生器
超声波发生器实质上是一个功 率发生器，它产生一定频率的正弦 信号，通过电缆联结线传导给换能 器，换能器再将超声波发生器提供 的电信号转换为机械振动。
1
• 超声波发生器是一种用于产生并向超声换 能器提供超声能量使之工作于谐振频率的 装置，根据其激励方式可分为两种：一种 是他激式，一种是自激式。
7
8
首先由主电路接入220V市电，经过保 险丝和开关后整流滤波后得到311V直流电 压，通过斩波电路，既可以通过改变占空 比来调压达到调节功率的作用，又能在一 定程度上保护开关管。半桥逆变电路由两 只IGBT组成，轮流导通48％的周期时间。 各开关管并联一个二极管箝位，防止电流 尖峰。逆变控制和逆变驱动部分控制逆变 电路的工作频率。
5
超声发生器的发展有如下趋势： • 深化对加工对象数学模型的研究，为闭环
控制方案的设计提供有利的理论依据。 • 加强对频率自动跟踪的闭环控制研究，结
合现代的控制理论，使用自适应模糊控制、 自寻最优控制等方案，实现更便捷，更有 效的控制方式，提高发生器稳定性、可靠 性和自动化程度。 • 利用现代的工具手段，开发以单片机、 DSP等为控制核心的频率自动跟踪系统。
9
电路设计是设计中重要的一部分，发生 器逆变电源部分的电路以及主电路开关器 件的选择不同，需要有不同的逆变器主电 路、驱动电路、采样电路、启动电路、保 护电路的具体设计方案。
10
换能器应该具有如下功能： 1 良好的匹配电路，能保证发生器提供给换
能器足够的电功率，并使电功率最有效率 的转换为声能。 2 频率自适应功能。因为换能器自身的机械 谐振频率对负载改变、发热以及其它外界 影响较为敏感，它们的变化会引起换能器 谐振频率变化，导致系统的振动失谐、振 幅降低。
6
超声波换能器
• 超声波换能器是实现声能和电能转换的器 件，声能和电能可以互相转换。
• 超声换能器按材料分可化为两大类，一是 磁致伸缩换能器，二是压电换能器。
• 超声波换能器主电路包括：整流滤波电路、 直流斩波调(稳)压电路、半桥逆变电路、匹 配电路、超声波换能器。控制电路由调压 控制电路、逆变器控制与保护电路组成。
2
Hale Waihona Puke 超声波发生器原理图如下：3
工作过程如下：先由信号发生器来产生一 个特定频率的脉冲信号，这个特定频率就是换 能器的自身的机械谐振频率，一般在超声波设 备中使用到的超声波频率为25kHz至100kHz， 这个频率信号必须经过功率放大器进行功率放 大，然后通过阻抗匹配电路，有助于换能器将 电信号高效率地转化为机械震动。而反馈电路 的存在不仅保证了换能器始终工作在一个合适 的频率范围内，让发生器工作在最佳状态，也 保障了电路的安全。
11
3 功率自适应功能。在工作过程中，隶望输 出功率能自动随着负载的变化而变化，比 较理想的状态是发生器的输出电压一定， 输出功率在空载时最小，当负载增加时输 出功率也随之增加，这样有利于超声设备 的工作，这可以通过分析超声换能器的负 载特性，选择合适的谐振频率点来实现； 另外也可以采用斩波电路，通过改变开关 管的占空比来控制输入到逆变电路的电压， 使占空比随着负载变大而变大，输出功率 便能保持恒定，当发生故障时还可将开关 管关闭。