温州宏光超声波换能器与的发生器匹配设计概述
温州宏光超声波换能器与的发生器匹配设计概述
温州宏光液位计制造有限公司专业生产液位计，主要产品有：磁性液位计 、浮标液位计 、玻璃管液位计、玻璃板式液位计，磁性浮子液位计，彩色石英玻璃管液位计，浮球液位控制器，视镜等各种液位计仪表。
超声波发生器，通常称为超声波电箱、超声波发生源、超声波电源。它的作用是把我们的市电（220V或380V，50或60Hz）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路，大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化。从目前超声业界的情况看，超声波主要分为自激式和它激式电源。
超声波发生器采用目前世界领先的他激式震荡线路结构，较以前的自激式震荡线路结构在输出功率增加10%以上，电气性能符合甲方提供销的技术标准
超声波换能器要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。本发明由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。
一、匹配概述
超声波换能器与发生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。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配
为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：
式中，VAm为等效负载上的基波幅度；
vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故
为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'；
从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻
举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。则变压器初级的
6.5Ω
若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比
以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和 低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：
1．工作磁通密度B的选取
铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损 Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。
2.要保证初级电感量足够大
一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。
3．要考虑“集肤效应”的影响
在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。
三、调谐匹配
由于压电换能器有静电容Co，磁致伸缩换能器有静电感LO，在换能器谐振状态时，换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角φ，其输出功率PO＝VRLIRLcosφ。由于φ的存在，输出功率 达不到最大值。只有当φ=0时，输出功率达最大值。因此为了使换能器上电压VRL与电流IRL同相 (φ=0)，则必须在换能器上，并上或串上一个相抵消的抗。对于压电换能器而言，即并上或串上一 个电感L0即可，而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容C0。
压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图1．52所示。
在等效电路图中
式中R'(f)，X'(f)为串联电阻和电抗；R(f)，G(f)，B(f)为并联电阻、电导和电纳。它们都是频率 的函数。并联调谐和串联调谐电感量由下式确定：
下面我们比较一下两种调谐的差异
图1-53，1-54是一种换能器两种调谐计算曲线，由计算表明，
1由于换能器的串联电抗比并联电抗小，故有L串<L并，
2并联调谐不改变换能器并联电导响应，而串联调谐后电导响应呈双峰，导纳圆图为二个重叠的圆。
3串联调谐的有功阻比并联调谐后有功阻小，即串联调谐可获得相对低的输入电阻。
4从串、并联调谐的输入相角过零点情况看，作为宽带特性并联调谐优于串联调谐。
5目前在超声功率中用串联调谐较多，除上述串联的特性外，还有当换能器负载有短路现象时，因串联调谐有电感串在发生器输出回路中，不会使功放负载造成完全短路。在实际匹配电路调节中，有时要稍调获感性负载为好，对功放电路有利，有的末极功放发射极上串上一小电感可能也有好处。前面也曾提到，作为电压开关的D类功放，容性负载造成对高次谐波的短路作用，会给开关带来危险。但也要注意感性负载会使管子反峰电压增加。
四、关于匹配电感的设计
匹配电感通常就是铁蕊线圈的电感，其电感量可按下式计算。
式中ω为线圈匝数，Sc为铁芯有效截面积(cm2)；lc铁芯平均磁路长度(cm)；μe铁芯有效磁导率，
式中，μ~铁芯磁导率,lg铁芯中非磁致间隙长度(cm)；因为lg/lc〉〉1／μ~,故
所以
由此可见电感L与间隙lg近似成反比，调节lg间隙即可调节LO。
设计电感有以下几个步骤；
(1) 按ωsc选铁芯
式中V为输出电压有效值(V)；f为工作频率(Hz)；B为铁芯磁感应强度。
一般选MXO一2000E型磁芯较多，匝数计算如下；
(2)计算磁芯间隙lg
(3)确定导线
考虑到高次谐波和超声频率较高，顺计及高频电流的邻近效应和集肤效应的因素。当f>10kHz时由邻近效应引起的交流电阻R~约为其直流电阻Rd的2—10倍，铜耗pr也要比直流铜耗Pro增大同样倍数。令增大倍数为k，则：
Pr=kPro
因此，为维持电感线圈的正常升温，电流密度必须按照常规允许值的1／k-1来选择。
关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度B来表示
式中，μ为导线磁导率，r为导线电导率。
为减少集肤效应的影响，所选导线直径D必须小于两倍穿透深度B，否则采用扁平线或者高频线。
在功率超声中其频率为15-40千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线，一般问题不大。
匹配电感连续工作8小时如果温升正常，则表明设计是成功的。