基于数字脉冲驱动的变频超声波换能器的设计

刘 振,邢晓凯,王丽玲,孙锐艳,王世刚

(1.中国石油大学油气管道输送安全国家工程实验室／城市油气输配技术北京市重点实验室，北京，102249；2.中国石油吉林油田公司勘察设计院，吉林松原，138000)

0 引言

超声波是频率高于20kHz的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒、原油破乳、脱气等，在医学、军事、工业、农业、石油行业上有很多的应用。本文设计一套能在宽频域内锁频且适应性广的通用超声波换能器具有非常重要的意义。

本文设计的基于数字脉冲驱动的变频超声波系统结构示意图如图1。

图1 变频式超声波系统结构示意图

1、超声波发生器 2、底座 3、超声波换能器 4、清洗液 5、超声波波场作用槽

1 变频式超声波换能器的设计

换能器承担的作用主要是将超音频交变的电能通过压电效应转换成高频机械振动。本课题以压电式换能器为研究对象，设计其硬件系统，并对其等效电路、接收电路和整合电路进行分析。设计中使用的专用集成块、数字技术，大大提高换能器的抗干扰性和适应性。

1.1 变频式超声波换能器的结构设计

图2 变频式超声波换能器结构示意图

本文设计的变频式超声波换能器的结构包括：31外壳、32超声波定向圈、33接线板、34挡圈、35外部信号电缆、36导电柱、37吸声材料、38抑制压电片、39高温导电胶DB5015，如图2所示。

压电片优先选用ANN-PSF-1001，通过DB5015高温导电胶与超声波发射端耦合，焊接导电柱时，将压电片固定在夹具上，并保证导电柱与压电片保持垂直和同心，中心偏差±0.1mm。

压电片的背面填充吸声材料，用于吸收和抑制压电振子的反向振动波，以获得纯净的单脉冲发射波形。吸收材料是采用双组份的S2-116高弹性电子灌封胶。

接线板是用于压电片与电缆之间的缓冲连接装置，以保护压电片不受电缆焊接应力的影响。接线板采用厚度1mm的双面覆铜板制成，通过绘图布线进行加工，接线板的中心孔与导电柱配合压接，采用孔化处理。

挡圈用于卡固接线板。挡圈采用标准件，其外径应与壳体上腔室内壁螺纹动配合，可旋进安装，安装需采用专用卡钳。以上部件组装并测试合格之后，焊接外部连接电缆并采用电子胶灌封，以达IP68防护标准，电缆采用0.2mm2的多股耐高温柔性电缆，电缆外径约3～3.5mm，弯曲半径大于6mm。

1.2 变频式超声波换能器电压放大电路设计

图3 变频式超声波换能器电压放大电路图

在设计中采用PGA204可编程增益仪用放大器。PGA204的输入电流小于1 nA。该电路采用两级100倍电压增益的电路级连而成，总电压增益为10000。采用两级100倍电压增益的目的是为方便电路测试和电路调整。在输入端输入约0.1 mV的电压，在输出端可得到约1V的电压，即在第一级PGA204的输出端约有0.1 V的电压，这个电压便于测量。两级中间加入低通滤波电路对信号进行滤波。

1.3 超声波换能器频率整合电路设计

图4 变频式超声波换能器频率整合电路图

高压电容C0、陶瓷晶体振荡器X、滤波电路和放大电路整合后的总电路如图所示.陶瓷晶体振荡器X与高压电容C0组成探头内的超声波发射电路。HV为高压输入端，通过高压输入端对高压电容。进行充电；C0与陶瓷晶体振荡器X匹配组成谐振回路，陶瓷晶体受到高压的激发，使得换能器产生振动，发出超声波。

2 实验结果

经过系统测试，变频式超声波系统实现了如下功能：

频率范围为20kHz～135kHz，具有无级可调，控制灵活，输出匹配良好，效率高等优点。

全新线路板控制，超声波输出功率损耗低，不影响工作效率。

性能可靠，故障率低，输出稳定。

功率范围为0W～3000W，实现了功率无级可调。

相对于传统的自激式控制技术，采用数字脉冲方式驱动，具有体积小、重量轻、功率强劲，工作稳定可靠，功率连续可调，控制灵活等优点。

3 结论

基于数字脉冲驱动的变频超声波换能器可以广泛应用于超声波清洗机、超声波治疗仪等超声设备中。此超声波换能器最大限度的利用单片机资源和一些功能模块芯片，减小了系统的体积，减少了系统功耗，有利于节省资源。基于数字脉冲驱动的变频超声波换能器比传统型换能器体积更小，操作方便，性能更加稳定，同时也实现了传统超声波换能器不具有的变频功能。

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