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              新聞動態

              產生超聲波的功率源電路

              瀏覽:15 時間:2023-12-13 15:12:23

              超聲波功率源(或稱發生器)是一種用于產生并向超聲換能器提供超聲能量的裝置。超聲波發生器就其激勵方式有兩種:一種是他激式.另一種是自激式。如果按末級功放管所采用的器件類型分,又可分四種:電子管式超聲發生器;可控硅逆變式超聲發生器;晶體管式超聲發生器及功率模塊超聲發生器。電子管式與可控硅逆變式目前基本已淘汰,當前廣泛使用的是晶體管式發生器。
              他激式超聲發生器主要包括兩部分,前級是振蕩器,后級是放大器。一般通過輸出變壓器耦合,把超聲能量加到換能器上。而自激式超聲發生器是把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器集為一體,形成一閉環回路,回路在滿足幅度、相位反饋條件,組成一個有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機械共振頻率上。
              本文根據超聲發生器特點,主要討論、分析、設計超聲發生器的諧振、功放及匹配等相關問題。
              一、關于諧振問題<頻率自動跟蹤> 
              所謂諧振問題就是要求發生器的輸出信號頻率能對在工作中變化的換能器諧振頻率進行跟蹤,也即稱頻率自動跟蹤。目前常用的頻率自動跟蹤大致有以下幾種方法:

              1.聲跟蹤 
              以聲耦合方式,從換能器上采集諧振頻率的電訊號,然后反饋至前級放大器,使形成自激振蕩器。其原理框圖如圖1.28所示。

              圖1.28 聲跟蹤超聲波發生器原理框圖
              由圖1.28看出,電路是個閉環系統,電路在通電的瞬間產生一個沖擊脈沖,此脈沖經預放、功 放去激勵換能器,換能器按自身固有頻率振動。從而在反饋的聲接收器上可得到相同頻率的電訊號。經過電路的移相、選頻、預放及功放再去激勵換能器,如果滿足振蕩器的相位,幅度條件,系統將自激振蕩,且振蕩頻率跟蹤在換能器的共振頻率上。
              2.電跟蹤
              所謂“電跟蹤”又稱反饋自激式振蕩器。大致有以下幾種形式
              (1)阻抗電橋形式的動態反饋系統
              阻抗電橋形式的動態反饋系統組成的頻率自動跟蹤電路其原理如下;它是利用電橋平衡原理補償換能器電學臂的無功與有功分量,借助于差動變量器提取與換能器機械臂振蕩電流成正比的反饋電壓,使閉環系統在換能器機械共振頻率上自振。本方法對換能器電參數的補償有可能做到與頻率無關,因而在較寬頻段內跟蹤良好。



              差動變量器橋式自動頻率跟蹤電路如圖1.29所示。圖中Tf為差動變量器,正反饋電壓Uf,由次級繞組W3引出;初級繞組W1,W2與阻抗Z1、Z2構成電橋四臂,Z1為換能器阻抗(它由機械臂阻抗Zm和電學臂阻抗Ze并聯而成),Z2為補償元件的阻抗。Z3用于補償電橋的電抗。設Zm》Ze則Z1 =Ze 。顯然,如滿足條件W1I1=W2I2(W1W2為初級的匝數),電橋獲得平衡,Tf次級繞組反饋電壓Uf=0。此平衡條件又可表為Z2/Ze=W2/W1
              X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n

              即式中Re/Xe分別為Ze和Z2的實部和虛部。系數n表示差動變量器初級繞組兩部分的匝數比,它等于補償元件阻抗與換能器電學臂之比。
              一般情況下,流經Zm的電流Im使電橋失去平衡,Tf次級繞組將感生出正比于換能器機械臂振蕩電流Im的反饋電壓Uf 

              Uf=Im(W1/W3)Rim

              式中Rim為振蕩器的輸入電阻。
              當系統的自激頻率fo=fr(換能器的機械共振頻率)時,電流Im。將達最大值。系統反饋最強, Uf反饋電壓最大,滿足幅度條件,且Uf與Uin同相,也滿足相位條件,系統自激在換能器機械共振頻率上。假如換能器的機械共振頻率因某種因素減低了,則fo>fr。,負載Zm呈感性,Im的相角為負值,造成Uf滯后于Uin(原先的輸入電壓),系統振蕩頻率降低從而達到跟蹤的目的。
              差動變量器橋式自動頻率跟蹤電路優點,在于其對換能器電抗成分的補償與頻率無關,從而保證反饋電壓在很寬的頻率段內只與機械振蕩電流有關,跟蹤可靠、失調較?。?br/>
              (2)負載分壓方式的反饋系統。
              這種系統如圖1.30所示,圖中的整個電路形成閉環迥路.電路在通電的瞬間產生一個電脈沖,經功放加至換能器兩端,于是換能器受激振動。其振動頻率為換能器本身的固有頻率,在換能器兩端的振蕩信號,經分壓后送至可調移相器上,再送至功放。當可調移相器調至相位滿足自激條件時,系統自激于換能器的固有頻率上。換能器諧振頻率的微小變化,電路系統均能及時跟蹤使工作始終處于最佳狀態。


              圖1.30 電壓反饋振蕩器

              (3)鎖相式頻率自動跟蹤
              鎖相式頻率自動跟蹤系統與前兩種自激系統相比,電路要復雜得多,但能獲得較好的頻率自動跟蹤性能。因此在超聲塑料焊接機的發生器中獲得越來越廣泛的應用。
              采用鎖相技術進行頻率自動跟蹤的關鍵,是如何獲得負載電路中電壓與電流之間的相位差。壓電換能器在諧振頻率附近的等效電路如圖1.31所示。圖中虛線框內為換能器等效回路。C0為換能器靜態電容。Rm為機械阻反映到電端的阻(如果忽略機械損耗,即為反映到電端的輻射阻),Lm為動態等效質量反映到電端的值;Cm為等效力順反映到電端的動態電容值;L。為換能器工作在諧振狀態時的并聯匹配電感。


              1.31 壓電換能器等效簡圖

              該迥路的諧振頻率

              ω2 =1/LoCo =1/LmCm

              在諧振狀態時,換能器兩端電壓U=iRm ,
              即電壓與電流是同相的。當換能器失諧時,u與i不再同相,其電抗與頻率特性曲線如圖1.32所示。圖中ωs為串聯諧振頻率。ωp為并聯諧振頻率。


              圖1.32 諧振點附近電抗與頻率特性圖 

               

              圖1.33為串聯諧振頻率附近的相頻特性。由圖1.33可知,當ω<ωs時電路呈容性,i超前u,相位差為負;
              圖1.32 諧振點附近電抗與頻率特性圖
              當ωs< ω<ωp時電路呈感性,u超前i,相位差為正。當ω=ωs時,電路呈純阻特性, i電流與U電壓同相位。因此,換能器兩端的電壓與流過換能器的電流,他們之間的相位差正負、大小,代表激勵信號的頻率與振動系統固有頻率之間的關系。所以,若把電壓、電流相位差信號取出,作為激勵振動系統諧振頻率變化的控制信號,達到頻率跟蹤的目的。這就是鎖相式頻率跟蹤的基本原理。


              圖l-33 串聯諧頻附近的相頻特性

              (3) 鎖相式頻率自動跟蹤電路框圖



              鎖相式頻率自動跟蹤系統實用電路框圖如圖。圖中由相位比較器、電壓比較器、低通濾波器、壓控振蕩器、激勵放大器,功率放大器、電流取樣及電壓取樣等組成。這是一個閉環系統。但由于壓控振蕩器本身可以單獨工作。所以,本系統的開環亦能工作。開環時類似于他激式超聲波發生器。這與自激式振蕩器不一樣。本系統利用了末級換能器上的電壓和電流之間的相位差,經相位比較后,獲得相位誤差信號,再經低通濾波之后,去控制壓控振蕩器的輸出信號的頻率。使之保持與振動系統機械諧振頻率一致。
              盡管頻率與相位之間有依存變換關系,但兩者構成的反饋系統,從控制結果看,是不相同的。頻率反饋結果,會導致使輸入與輸出信號之間的頻率差盡可能小,而相位反饋結果使兩信號之間相位差盡可能小。根據頻率與相位所構成的微分——積分關系,相位反饋系統最終導致兩信號頻率差為零。
              鎖相式頻率自動跟蹤系統的鎖相環路有專用集成電路,例如CD4046等。這里不再作詳細介紹,請參考有關集成電路數據手冊及鎖相環原理書籍。
              最后,我們總結一下。鎖相式頻率自動跟蹤系統具有如下特點;
              (1)由于鎖相環是一個極好的帶通濾波器,因此,不會產生系統誤跟到非諧振的其它頻率之
              上;
              (2)頻率自動跟蹤系統的控制信號與取樣的電壓、電波波形之好壞,關系并不大;
              (3)輸出功率相對較穩定。不會因為負載的變化而發生顯著變化,
              (4)由于控制系統工作在小信號狀態下,所以能長時間連續地工作。

               

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