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新威電子詳述超聲波換能器的自動頻率跟蹤研究現狀

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新威電子詳述超聲波換能器的自動頻率跟蹤研究現狀

發布日期:2018-07-26 作者: 點擊:

        在超聲波換能技術中換能器主要承擔的作用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。換能器是超聲波換能技術的核心部件,對換能器高效率、高靈活性、高可靠性、高質量的運行等綜合指標提出了要求,使得系統的復雜性不斷增加。在超聲波換能系統中,從換能器的等效電路來看系統的電信號頻率和換能器的機械諧振頻率相等時,可獲得最大的轉換功率,如何從復雜的換能器模型中,找到其機械諧振頻率,并能在運行過程中跟蹤諧振頻率,尋求一種穩定、快速、準確的自動頻率跟蹤算法,是一項挑戰性的工作。

        目前在超聲振動、壓電換能器諧振系統中,硬件鎖相環電路(PLL)己經得到了應用,1999年,日本學者Hiroaki Ikeda, YoKo Mizutani利用功率器件MOSFET研制出了運行頻率1 MHz的超聲波設備,以及應用鎖相環(PLL)電路進行頻率跟蹤。

        近十年來我國的超聲波技術發展很快,但是我國的超聲波技術還不是很高,超聲跟蹤技術基本還是應用硬件鎖相環,或者手動調諧來實現頻率跟蹤。通過研究鎖相環電路(PLL)對超聲波換能器諧振頻率跟蹤進行了分析。采用CD4046鎖相環對換能器工作頻率進行跟蹤并對其作了相應的改進,提出了具有解鎖功能的跟蹤系統方法,避免鎖相環跟蹤死鎖情況出現。在研究PLL基礎上,增加了直接數字頻率合成(DDS)采用DDS-PLL復合頻率跟蹤技術來研究頻率跟蹤。以上研究都是采用硬件鎖相環電路來實現頻率跟蹤的目的。

超聲波換能器

        超聲波發生器中采用PLL進行頻率跟蹤是目前使用較為廣泛的一種方法,但是由于PLL跟蹤電路對獲取的反饋信號的要求比較高,一旦反饋信號受到外界干擾,就可能導致PLL無法鎖定諧振頻率,此外PLL跟蹤頻率范圍由外界電容、電阻來確定,對于不同的頻率段需要更改不同的電容、電阻值。為了解決PLL存在跟蹤范圍窄,頻段不同,要求濾波網絡參數不同,涉及元件多,線路參數復雜,存在易零漂,故障率相對多以及靈活性差等問題,由此提出了最大電流反饋法,在超聲波換能器處于諧振頻率下運行時,對外呈現的阻抗最小,在外加電壓不變的情況下線路上的電流可以達到最大,通過軟件判別每次采樣的線路上的電流大小,搜索最大電流下的頻率值。在大功率超聲波應用中,由于超聲振動系統中存在多峰值問題,單純應用鎖相環硬件電路,最大電流反饋法很難實時跟蹤,可能跟蹤到非諧振點,容易鎖死或者失鎖。研究了振動系統的電流電壓相位和電流大小的關系,采用電壓、電流相位差以及電流的大小值兩個量來對換能器諧振頻率進行判斷,不同頻率下的超聲波焊接機的特性,強調了高諧振頻率對于超聲波性能的作用,以及多峰頻率的超聲波焊接機的特性。為了消除了相位檢測錯誤的問題和非理想的模型問題,使用了導納跟蹤方法進行大功率諧振頻率的跟蹤。相比相位鎖定和靜態反饋方法的優勢,導納鎖定的方法是基于在發生最大功率轉換時導納最大,為進一步研究超聲波的頻率跟蹤提供了很好的理論基礎。

        隨著單片機、DSP、FPGA等處理器,以及工GBT和MOSFET等功率器件的飛速發展,超聲波換能器的的功能越來越強大,體積越來越小,可靠性越來越強,功率越來越大。使得超聲波換能器朝著更加智能的方向發展。在工業當中更加突顯了其優勢。使用了DSP、FPGA、單片機對換能器的自動頻率跟蹤進行了深入的研究,對于換能器數字化控制起了一定參考借鑒價值。


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關鍵詞:超聲波換能器,超聲檢測換能器,超聲測距傳感器

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