超超声波电路原理.pdf

超声波电路原理

超声波功率源（或称发生器）是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。超声波发生器就其激励

方式有两种：一种是他激式。另一种是自激式。如果按末级功放管所采用的器件类型分，又可分四种：电子管式超

声发生器；可控硅逆变式超声发生器；晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。电子管式与可控硅逆变式目前

基本已淘汰，当前广泛使用的是晶体管式发生器。

他激式超声发生器主要包括两部分，前级是振荡器，后级是放大器。一般通过输出变压器耦合，把超声能量加

到换能器上。而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在满足

幅度、相位反馈条件，组成一个有功率放大的振荡器。并谐振于换能器的机械共振频率上。

本文根据超声发生器特点，主要讨论、分析、设计超声发生器的谐振、功放及匹配等相关问题。

一、关于谐振问题频率自动跟踪，所谓谐振问题就是要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器

谐振频率进行跟踪，也即称频率自动跟踪。目前常用的频率自动跟踪大致有以下几种方法：

1.声跟踪

以声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电讯号，然后反馈至前级放大器，使形成自激振荡器。其原理

图1.28声跟踪超声波发生器原理框图，由图1.28看出，电路是个闭环系统，电路在通电的瞬间产生一个冲击

脉冲，此脉冲经预放、功放去激励换能器，换能器按自身固有频率振动。从而在反馈的声接收器上可得到相同频

率的电讯号。经过电路的移相、选频、预放及功放再去激励换能器，如果满足振荡器的相位，幅度条件，系统将自

激振荡，且振荡频率跟踪在换能器的共振频率上。

2.电跟踪

所谓“电跟踪”又称反馈自激式振荡器。大致有以下几种形式

（1）阻抗电桥形式的动态反馈系统

阻抗电桥形式的动态反馈系统组成的频率自动跟踪电路其原理如下；它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂

的无功与有功分量，借助于差动变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压，使闭环系统在换能器机械

共振频率上自振。本方法对换能器电参数的补偿有可能做到与频率无关，因而在较宽频段内跟踪良好。

差动变量器桥式自动频率跟踪电路如图1.29所示。图中Tf为差动变量器，正反馈电压Uf，由次级绕组W3引

出；初级绕组W1，W2与阻抗Z1、Z2构成电桥四臂，Z1为换能器阻抗（它由机械臂阻抗Zm和电学臂阻抗Ze并

联而成），Z2为补偿元件的阻抗。Z3用于补偿电桥的电抗。设Zm》Ze则Z1=Ze。显然，如满足条件W1I1=W2I2

（W1W2为初级的匝数），电桥获得平衡，Tf次级绕组反馈电压Uf=0。此平衡条件又可表为Z2／Ze=W2／

W1X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n即式中Re/Xe分别为Ze和Z2的实部和虚部。系数n表示差动变量器初级绕组两部分

的匝数比，它等于补偿元件阻抗与换能器电学臂之比。

一般情况下，流经Zm的电流Im使电桥失去平衡，Tf次级绕组将感生出正比于换能器机械臂振荡电流Im的

反馈电压UfUf=Im（W1/W3）Rim，式中Rim为振荡器的输入电阻。

当系统的自激频率fo=fr（换能器的机械共振频率）时，电流Im。将达最大值。系统反馈最强，Uf反馈电压

最大，满足幅度条件，且Uf与Uin同相，也满足相位条件，系统自激在换能器机械共振频率上。假如换能器的机

械共振频率因某种因素减低了，则fofr。，负载Zm呈感性，Im的相角为负值，造成Uf滞后于Uin（原先的输入

电压），系统振荡频率降低从而达到跟踪的目的。差动变量器桥式自动频率跟踪电路优点，在于其对换能器电抗

成分的补偿与频率无关，从而保证反馈电压在很宽的频率段内只与机械振荡电流有关，跟踪可靠、失调较小。

（2）负载分压方式的反馈系统。

这种系统如图1.30所示，图中的整个电路形成闭环迥路。电路在通电的瞬间产生一个电脉冲，经功放加至换

能器两端，于是换能器受激振动。其振动频率为换能器本身的固有频率，在换能器两端的振荡信号，经分压后送至

可调移相器上，再送至功放。当可调移相器调至相位满足自激条件时，系统自激于换能器的固有频率上。换能器谐

振频率的微小变化，电路系统均能及时跟踪使工作始终处于最佳状态。

图1.30电压反馈振荡器