功率超聲換能器壓電元件阻抗匹配裝置的設計與制作

施浩然，孔淑婷，高桂玲，陳趙江，劉世清

（浙江師范大學物理與電子信息工程學院，浙江金華321004）

功率超聲系統一般由超聲信號源和換能器兩部分組成[1]。超聲信號源輸出一定頻率和功率的電信號，通過導線傳輸到換能器上[2]。由于信號源與換能器兩者之間可能存在阻抗失配[3]，會產生嚴重的信號反射[4]，導致功率傳輸效率很低。為解決這一問題，必須在二者之間添加阻抗匹配電路[5]，使信號源和換能器的阻抗相匹配，這樣能減小信號的反射和損耗[6]，同時提高信號源及換能器的工作穩定性及壽命。文中從功率超聲換能器壓電元件強場性能測試的實際應用出發[7-8]，對阻抗匹配技術進行了研究，設計了一種大功率可調阻抗匹配裝置，該裝置創新性地采用了多重環形鐵氧體磁環線圈結構，可通過按鍵切換阻抗變換檔位，能在較低成本下滿足相關實際應用的需求，維護使用方便，具有較好的應用前景。

1 可調阻抗匹配裝置的總體結構

可調阻抗匹配系統由獨立按鍵電路、單片機控制電路、數碼管顯示電路和磁環線圈變換機構組成。可調阻抗匹配裝置系統總體框圖如圖1所示。

圖1 可調阻抗匹配系統總體框圖

2 可調阻抗匹配裝置的硬件設計

2.1 按鍵電路的設計及制作

考慮降低阻抗匹配裝置功耗的要求，使用的按鍵數量較少，每個按鍵接口相互獨立，不會互相干擾，同時在軟件設計時采用設置檢測延時的方法，可以很好地避免誤操作的干擾，如由于按鍵接觸問題單次按壓被識別成兩次。檢測和按鍵連接的單片機對應引腳的高低電平狀態就可以判斷哪個按鍵被按下。為了保證在按鍵斷開時單片機各I/O 口保持相應的電平，每個按鍵均連接上拉或下拉電阻。

文中采用了兩個按鍵，分別為檔位按鍵和復位按鍵。

2.1.1 檔位按鍵的結構和工作原理

檔位按鍵含有一個連接電源正極的10 kΩ的上拉電阻，按鍵和單片機的P0.0 I/O 口相連，按下按鍵會使通向單片機的P0.0 電平信號由高電平變為低電平[9]。阻抗匹配裝置開啟后變換機構處于未接通狀態，不進行阻抗變換。檔位按鍵第一次按下后，變換機構將接通到一號檔位，該按鍵再次按下后，變換機構將接通二號檔位，依次類推，直至最終的七號檔位，此時按下檔位按鍵阻抗匹配裝置的變換機構恢復未接通狀態，完成一輪循環。檔位按鍵結構如圖2所示。

圖2 檔位按鍵結構

2.1.2 復位按鍵的結構和工作原理

復位按鍵含有一個連接電源負極的1.0 kΩ的下拉電阻，按鍵和單片機的RST I/O 口相連，按下按鍵會使通向單片機的RST 電平信號由低電平變為高電平。該按鍵起到復位電路的作用[10]，無論阻抗匹配裝置的變換機構處于什么阻抗變換檔位，按下該按鍵后阻抗匹配裝置的變換機構將恢復未接通狀態，不進行阻抗變換。該按鍵可以用于緊急停止系統工作，斷開信號源和負載之間的信號傳輸，保證了安全性，也可以用于快速重新選擇阻抗變換檔位。復位按鍵結構如圖3所示。

圖3 復位按鍵結構

獨立式按鍵電路配置靈活、軟件設計簡單、操作準確且方便，故該設計采用按鍵進行控制。

2.2 控制電路的結構及連接方法

為降低系統硬件成本，減小阻抗匹配裝置待機功耗，文中采用STC89C52 單片機作為控制電路的核心，其I/O 口如圖4所示。

圖4 STC89C52單片機I/O口

不同的電路通過I/O 口和單片機連接：按鍵電路使用P0.0 和RST I/O 口接收使用者按壓信號；顯示電路使用P2.0-P2.6 I/O 口輸出顯示信號；變換機構使用P3.0-P3.6 I/O 口輸出檔位信號。各電路使用的I/O口相互獨立，互不干擾。

2.3 顯示電路的結構和工作原理

阻抗變換檔位采用數碼管顯示阿拉伯數字，單片機通過P2.0-P2.6 I/O 口向數碼管輸出由高低電頻組成的顯示信號。該設計采用共陰數碼管，該數碼管含有8 個發光二極管[11]，連接數碼管的單片機I/O口輸出高電頻將會點亮數碼管對應的發光二極管，如輸出低電平則數碼管對應的發光二極管將熄滅，數碼管陰極則連接電源地端。數碼管顯示電路結構如圖5所示。

圖5 共陰數碼管結構

阻抗匹配裝置開啟后變換機構處于未接通狀態，此時數碼管顯示“0”，檔位按鍵第一次按下后，變換機構將接通一號檔位，此時數碼管顯示“1”，該按鍵再次按下后，變換機構將接通二號檔位，此時顯示“2”，依次類推，直至接通七號檔位，數碼管顯示“7”，完成一輪循環。

2.4 阻抗變換機構的設計及制作

阻抗變換機構模塊由繼電器及其附屬驅動電路和多重磁環線圈組合而成。單片機發送的電平信號經過驅動電路放大后[12]，驅動繼電器切換[13]多重磁環線圈內的初級/次級線圈匝數比，達到通過切換阻抗來變換檔位的目的。

2.4.1 繼電器及驅動電路部分的結構和工作原理

該設計采用單片機P3.0-P3.6 I/O 口輸出的由高低電平組成的檔位信號來控制繼電器。由于單片機I/O 口輸出電流能力有限，只有10～20 mA，但該可調阻抗匹配裝置在設計上考慮到大功耗工作的要求，故采用耐壓較高的繼電器保證工作的穩定性和安全性[14]，驅動這種繼電器的吸合需要較高的電流，直接由單片機I/O 口輸出的電流無法滿足要求，所以在單片機和繼電器之間添加驅動電路來保證繼電器的正常響應。

該阻抗匹配裝置有7 個阻抗變換檔位，每個檔位對應一套繼電器及驅動電路，故設置了7 套相同且相互獨立的繼電器及驅動電路，依次連接單片機P3.0-P3.6 I/O 口，單套繼電器及驅動電路結構如圖6所示。

圖6 繼電器及驅動電路結構

驅動電路采用低電平驅動，R1為連接單片機I/O口，R2為上拉電阻，當I/O 口向R1輸入低電平時，三極管Q1 飽和，從而使繼電器RL1線圈有與其相當的電流流過，繼電器吸合；相反，當輸入為高電平時，三極管截止，繼電器斷開。

為防止三極管截止造成繼電器線圈兩端產生較大的反向電動勢而損壞三極管，故添加保護電路[15]，將這個反向電動勢通過D1 續流二極管放電消除，使三極管工作在安全電壓，保護電路安全。

2.4.2 多重磁環線圈的結構和工作原理

作為可調阻抗變換裝置的核心部分，實現信號源和負載的阻抗匹配需要依靠一定輸入/輸出匝數比磁環線圈來完成，多重磁環線圈結構如圖7所示。

圖7 磁環線圈結構示意圖

磁環線圈由連接接口A 的線圈A、連接接口B 的線圈B 和磁環組成；線圈A 和線圈B 兩者通過公共地接口相連，二者都環繞在磁環內。

不同的信號源和負載之間的阻抗關系也不同，所以阻抗匹配的檔位必須是可調整的，為了實現阻抗變換檔位的靈活調整，阻抗變換裝置設置了多重磁環線圈，結構如圖8所示。通過繼電器驅動，切換不同磁環線圈內信號輸入/輸出線圈的匝數比，達到阻抗變換的目的。

圖8 多重磁環線圈內部檔位結構圖

線圈A 的匝數固定不可調節，為2 匝；而線圈B的匝數可以通過繼電器進行選擇，和阻抗變換的檔位數一樣，共有7 種匝數，分別是3、4、5、6、8、10 和12匝，通過對應檔位的繼電器吸合來改變線圈B 的匝數。兩線圈通過公共地接口連接，該接口用于連接輸入/輸出端的地端。

接口A 和接口B 均為輸入/輸出接口，但其具體功能不相同。例如，信號源連接口A，負載連接口B，此時系統輸出阻抗相對于輸入信號源阻抗有可調的放大作用；信號源連接口B，負載連接口A，此時系統輸出阻抗相對于輸入信號源阻抗有可調縮小的作用。

3 可調阻抗匹配裝置的軟件設計

可調阻抗變換系統的軟件設計全部采用C 語言編寫程序源代碼，開發調試環境采用Keil uVision4，其程序流程如圖9所示。

圖9 阻抗變換系統流程

系統上電后首先進行初始化，數碼管顯示數字“0”初始界面，繼電器全部處于初始斷開狀態，進入待命狀態，此時判斷連接檔位按鍵的P0.0 I/O 口是否為低電平、連接復位按鍵的RST I/O 口是否為高電平以確定對應按鍵是否按下。在每次檢測到有按鍵按下時，通過變量去除按鍵抖動的方法來確認是否真正有鍵按下，從而消除按鍵過程中抖動的影響。當檔位按鍵第一次被按下時，對應一號阻抗變換檔位的繼電器會吸合，使變換機構的一號檔位接通，數碼管顯示的數字變成“1”，裝置開始進入阻抗變換工作狀態；當檔位按鍵第二次被按下時，對應二號阻抗變換檔位的繼電器會吸合，使變換機構的二號檔位接通數碼管顯示的數字變成“2”，依次循環，直到切換到七號檔位時，再次按下檔位按鍵，系統會重新進入待命狀態，阻抗變換工作被關閉。

當復位按鍵被按下時，無論當前阻抗變換裝置處于哪一個阻抗變換檔位、處于何種狀態，都會立刻停止阻抗變換工作，并復位進入待命狀態。

4 可調阻抗匹配裝置的實測結果

4.1 阻抗匹配效果的測試數據

PZT 壓電陶瓷元件以其優良的力電耦合性能和較高的居里溫度被廣泛應用[16],是功率超聲換能器（如焊接、切割和清洗等）中常用的壓電陶瓷材料[17]。文中構建了高頻超聲信號激勵下PZT 壓電陶瓷的阻抗匹配效率測量系統，其中阻抗匹配裝置實物圖如圖10 所示。

圖10 阻抗匹配裝置實物圖

根據實驗要求，先在信號源中調制好需要加載的信號，然后對樣品進行電加載，激勵信號由一臺射頻功率放大器(T&C Power Conversion, AG1006)作為信號源，該信號源可以輸出設定頻率的高頻信號并顯現當前的輸出功耗和負載的反射、吸收功耗，實驗條件參數如表1所示。

表1 實驗條件及參數

首先不連接阻抗匹配裝置，射頻功率放大器產生的信號直接輸出到PZT 壓電陶瓷圓片上，觀察一定輸出功率下壓電陶瓷吸收的信號大小并計算功率吸收率，然后接上阻抗匹配裝置調節至適當檔位，觀察同種輸出功率下吸收的信號大小并計算吸收率，實驗結果如表2所示。

表2 實驗測量數據

由實驗數據可知，如果把射頻功率放大器產生的信號直接輸出到PZT 壓電陶瓷上，由于二者之間存在較大的阻抗失配，產生了嚴重的信號反射，PZT吸收的功率少，導致傳輸效率很低，接上阻抗匹配裝置調節至適當檔位后，壓電陶瓷產生的反射信號明顯降低，信號傳輸效率均得到顯著提高，阻抗匹配裝置性能符合要求，實驗取得了滿意的預期設計效果。

同時，也發現該阻抗匹配裝置存在不足，由于磁環線圈體積的限制，其輸出阻抗放大或縮小倍數有限，從激勵信號頻率為20 kHz 和50 kHz 匹配后的吸收率可以看出，由于在該頻率下PZT 壓電元件的阻抗很大，即使選擇最大的阻抗變換檔位（7 檔），也只能提升50%左右的信號吸收率。

4.2 整機的測試結果

結合以STC89C52 芯片為主控制器模塊搭建的硬件實驗平臺，分別對軟件系統中的檔位按鍵、復位按鍵、檔位顯示模塊和繼電器吸合控制功能進行了實際測試，各部件工作正常，符合程序邏輯，滿足預期要求。圖11 是檔位按鍵測試實物圖，可以看出數碼管顯示正確，對應檔位繼電器正常吸合；圖12 是復位按鍵測試實物圖，可以看到按下按鍵后數碼管顯示數字歸零，繼電器全部斷開。

圖11 檔位5測試

圖12 復位測試

5 結 論

為解決對功率超聲換能器壓電元件進行強場性能測試時的阻抗不匹配問題，文中設計并制作了一款基于多重鐵氧體磁環線圈結構且檔位可調節的阻抗變換裝置。實驗測試結果表明，該阻抗變換系統能夠實現信號源和超聲換能器壓電元件之間的阻抗匹配，且阻抗變換的檔位可以按需切換，以適應不同的負載和阻抗。該裝置可以減小功率損耗，在保證信號傳輸功率最大的同時，最大限度地延長信號源及超聲換能器的連續工作時間及工作壽命，適合在功率超聲以及醫用超聲領域推廣使用。