基于STM32的超声波电源设计与实现

压电超声波换能器应用广泛,可用于工业塑焊、测距、探伤、医学成像、碎石等.不同的换能器及负载,其谐振频率不同且会动态变化,所以需要匹配不同的电源,使换能器工作在理想状态.为此,设计一套用于工业塑焊的可自动追踪换能器谐振频率和恒定振幅的超声波电源.该电源以STM32为控制器,输出PWM波控制IGBT实现逆变,并使用LC串联型网络来匹配换能器,将负载端电流电压采集回STM32形成闭环系统,从而实现自动追频和恒定振幅控制.经验证,当换能器谐振频率偏移时,本系统能在500 ms内完成自动追频,振幅误差小于3%,加工成功率及效率提高50%以上,能在一定程度上延长换能器寿命,提升工厂加工效率、提高生产安全性.     

用于超声手术刀的夹心式换能器设计与有限元分析

传统的换能器设计方法成本高、效率低。利用理论计算并结合有限元方法设计了55 000 Hz的超声手术刀用压电换能器,以提高设计效率并验证方法的可行性。超声换能器设计为夹心式结构,使用PZT-8型压电陶瓷进行设计与仿真。首先理论设计出换能器各部件的初始尺寸并进行三维建模,将模型导入Workbench软件进行模态分析与谐响应分析,提取换能器工作时的谐振频率与输出振幅,并确定换能器最终尺寸。根据最终尺寸加工并装配得到实体换能器。最后利用阻抗分析仪对实体的谐振频率进行测量。结果表明,简化后的仿真模型谐振频率与实测值近似相等,为54 980 Hz。证明了设计思路的合理性与可行性,并对换能器的工作方式与优化设计提供了参考帮助。     

悬臂梁双晶压电能量采集装置的实验探究

为提高双晶压电振子的发电能力,探究了一种悬臂梁式双晶压电能量采集装置的发电性能。实验研究了振动台频率、激励位移、负载阻值和悬臂梁自由端质量块对悬臂梁式双晶压电能量采集装置输出电压和负载功率的影响,将两片双晶压电振子并联,探究了它们的发电性能。实验表明,存在谐振频率,使得输出电压最大;输出电压随着激励位移和负载阻值的增大而增大,并与激励位移呈一次函数关系;双晶压电振子外接匹配负载时,负载功率最大;随着质量块的质量在一定程度上的增加,输出电压随频率变化的曲线左移,峰值电压对应的频率变小;两片双晶压电振子并联且带匹配负载时,能有效提高负载功率。     

叠加式压电陶瓷智能骨料特性仿真研究

基于一维压电弹性理论建立叠加式压电陶瓷智能骨料的理论模型,并在此基础上采用数值分析方法研究压电陶瓷电学连接方式和叠加数量以及单片压电陶瓷厚度、水泥保护层厚度等关键结构参数对智能骨料的谐振频率、机电耦合系数、智能骨料激发器输出位移及传感器输出功率的影响。结果表明,智能骨料的谐振频率和反谐振频率随压电陶瓷的厚度和叠加片数、保护层厚度的增加而不断减小,且压电陶瓷串联叠加时谐振频率与反谐振频率之间的差值大于并联叠加时的对应差值;智能骨料的机电耦合系数随压电陶瓷的厚度和叠加片数的增加而增大;智能骨料激发器的输出位移与智能骨料传感器的输出功率随压电陶瓷叠加片数的增多而加大,且压电陶瓷串联叠加时的激发器输出位移和传感器输出功率均大于并联叠加时的输出值。     

外接电感对轻负载阶梯型换能器频率的影响规律

现功率超声技术已被大范围应用,在实际加工中,其振动实现器件换能器的工况取决于外接负载阻抗的大小变化以及加工过程中换能器的温度变化;随着负载变化,换能器的谐振频率也将发生改变,导致与发生器输出频率不匹配,从而对换能器的输出振幅及加工效率产生负面影响。为得到规律,分别使用换能器的理论设计、仿真以及试验方法研究了轻负载下外接电感对换能器谐振频率的影响。结果表明：随着换能器变幅杆伸入水中长度的增加,换能器的谐振频率呈上升态势;通过外接调谐电感,换能器谐振频率会得到一定量的补偿,使其重新回到预先设定的频率值;随着外接电感值的增大,换能器的谐振频率会下降。可见使用电感负载可以有效解决换能器外接负载导致的频率漂移问题。     

POM圆盘轴对称弯曲振动研究

研究了一种材料为聚甲醛(POM)的薄圆盘声波辐射体，压电换能器在其中心处产生振动激励.采用解析法设计了POM圆盘，用有限元方法对POM圆盘-换能器振动系统进行了建模、计算.在系统谐振频率处，有限元计算和实验测试了圆盘的振动位移与系统的电声效率.结果表明，POM圆盘和钢圆盘半径、厚度相同时，POM圆盘-换能器振动系统在空气中的半功率带宽更宽，而钢圆盘-换能器振动系统的电声效率更高；POM圆盘-换能器振动系统更易施加较高的电压或有功功率；激励电压相同时，POM圆盘的振动位移大于钢圆盘.     

有载超声换能器的Mbius变换分析

本文证明了压电陶瓷夹心式换能器的机械输入端和输出端的阻抗关系可表为Mbius 变换.讨论了 Mbius 变换分析方法对有载换能器的应用,并用谐振参数方程计算了有不同纯抗负载时换能器谐振频率的变化.实验结果与理论计算符合较好.     

多频段超声波发生系统应用研究

在超声波植物萃取领域,不同的植物药材对超声波的频率要求不同,且频率是影响提取率大小的重要因素,而传统的超声波发生系统,其工作频率受功率换能器固有谐振区窄带宽的影响,一般只具有一个工作频率。对此,本文提出利用多频换能器切换的方法构建了多频段超声波发生系统,并设计了软件锁频以及最大电流跟踪的复合控制策略,实现了自动查找换能器谐振点及自动频率跟踪的功能,依据换能器电流反馈来调整输出功率及阻抗匹配网络,实现动态响应不同特性的超声波换能器。通过实际实验,验证了整个超声波系统多频段高效工作的可行性。     

夹层式压电换能器开路电压影响因素

为探明压电换能器开路电压随各影响因素的变化规律,从而为提高压电路面能量收集效果提供理论依据,采用压电陶瓷晶片PZT-5H及聚氨酯基板制备了夹层式压电换能器。通过室内振动加载试验,研究压电换能器开路电压在不同荷载水平、荷载频率、压电陶瓷晶片并联数量下的变化规律。在此基础上,制备了小尺寸压电路面结构模型,并通过移动加载试验分析面层类型和面层温度对埋置在结构内部的压电换能器开路电压的影响。结果表明:开路电压与荷载水平和荷载频率正相关,但开路电压增长速度随荷载水平和荷载频率的提高逐渐变缓,荷载水平直接影响压电陶瓷晶片应力大小,当施加荷载为5kN,加载频率为4Hz时,压电换能器开路电压稳定在9.44V;开路电压随压电换能器中压电陶瓷晶片并联个数增加而减小,压电陶瓷晶片个数增加,单个压电陶瓷晶片承受荷载变小,当并联个数由1个增加到3个时,开路电压下降了26.6%;不同类型的沥青混合料力学性能不同,AC-13面层下开路电压较AC-10和OGFC-13大,AC-13面层与压电换能器匹配效果较好;温度不仅影响沥青混合料的结构性能还影响压电陶瓷晶片工作性能,温度升高,沥青混合料结构性能变差,压电陶瓷晶片工作性能降低,开路电压降低。     

多功能超声波清洗电源的设计

为解决传统超声波电源存在的动态响应慢、参数不易调节、换能器失谐、清洗盲区等不足,研究了一款多功能超声波清洗电源,采用软、硬件结合工作方式,即以ATMEGA328单片机为核心,结合模拟电路,具有PWM直接输出、频率跟踪输出、变频输出,及交流斩波调压等功能。PWM直接输出模式频率范围大、动态响应快、参数易调节;频率跟踪输出模式利用锁相反馈法保障换能器工作在最佳谐振状态;变频输出模式利用压控震荡技术实现输出频率在换能器谐振频率上下小幅度变频,削弱驻波影响,消除清洗盲区;交流斩波调压功能利用调压实现输出功率调节。     

大功率径向振动压电超声换能器

对一种大功率径向复合圆管压电超声换能器的径向振动特性进行了研究.依据机电类比原理,推出了换能器的径向振动等效电路及共振频率方程;探讨了换能器的第1、第2阶共振频率和有效机电耦合系数与压电陶瓷元件位置的关系;实验测量了换能器的径向共振频率.结果表明,换能器径向共振频率的理论值与实测值符合较好.     

热超声封装高频换能器的动力学优化设计

为提高热超声封装效率、降低封装温度,研究了高频超声换能器的动力学优化设计．基于一维振动和波动理论,建立了换能器的解析模型,得到了压电振子、指数形聚能器和劈刀的波动方程．借助有限元分析软件ANSYS参数化建模,分别对压电振子和聚能器进行优化设计．考虑材料、形状和尺寸对其振动特性的影响,得到了换能器最优模型．通过阻抗分析仪和多普勒激光测振仪对换能器进行电谐振和机械谐振测试．实验结果表明,该换能器在其工作频率附近不存在非纵振模态和其它寄生的振动形式,从而方便了超声信号发生器设计.     

基于PVDF压电片发电的特性研究

研究了高分子聚合物聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)压电片发电的特性.从理论上分析了利用压电片振动发电的机理,推导得出压电片振动产生的电功率与振动频率及外接电阻的关系,即在一定频率下,当外接电阻为某一值时输出功率达到最大,并通过实验进行了验证.结果表明,外接电阻值在一定范围内,压电片的串、并联都可以提高输出电压;在安装受限无法实现自由振动的情况下,压电片在非自由振动条件下预变形,也有利于提高输出电压.     

并联双稳态非线性悬臂压电俘能器的动力学与俘能特性的研究*

对并联的双稳态非线性悬臂压电俘能器的动力学和俘能特性进行了研究。建立了并联双稳态非线性悬臂压电俘能器的机电耦合方程。利用数值仿真方法,对非并联和并联的双稳态俘能器的混沌边缘及俘能效果进行了分析和比较。研究结果表明:并联双稳态非线性悬臂压电俘能器可以提高俘能效率;而其工作频带宽度与混沌边缘间的周期运动区域宽度相关。     

平面型热声转换装置的特性分析

利用热声效应制作出一种由加热层、绝缘层和储热层构成的平面型热声转换装置.对加热层输入交变电压信号时,由于焦耳效应及各层材料的不同热力学特性,其表面附近区域会产生相应的声波.通过对装置模型进行理论分析,推导出装置输出声压及效率的表达关系式,并利用高速数据采集系统及红外成像仪对装置工作特性进行了实验研究.结果表明:该平面型热声转换装置的输出声压和效率随输入电功率的增大而增大;环境温度对装置输出声压的影响较小;通过对装置表面静态温度场分布进行分析,得到装置结构的优化方法.该装置实现了电能、热能、声能之间的转换,具有无任何运动部件、频率可控、稳定性高等优点,因而可广泛用于电声换能领域.     

夹心式扭转-弯曲复合模式压电超声换能器的研究

在均匀截面细棒扭转及弯曲振动理论的基础上,研究了一种夹心式扭转－弯曲复合模式压电超声换能器．该换能器由均匀截面金属细棒及两组极化方向不同的压电陶瓷元件组成．文中导出了换能器的共振频率设计方程,并从理论及实验上实现了同一换能器中扭转及弯曲振动的同频共振．实验表明,换能器的扭转振动共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,实测值与设计值基本符合．     

压电换能器的声非线性

通过对输入回路中的电流进行谐波分析,得到了在不同输入信号电压下的非线性信号强度,并以此来表征压电换能器本身振动非线性的大小。     

超声悬浮轴承系统振幅衰减自抗扰控制

为提高超声悬浮轴承系统轴系转速的稳定性, 设计了自抗扰控制器, 即在保证系统的核心器件压电换能器工作在谐振状态的前提下, 通过对换能器输出振幅的控制, 实现超声悬浮轴承系统稳定运行的控制目标。根据压电换能器的机电等效模型以及实验参数, 利用Matlab 7.0软件仿真环境, 搭建了Simulink仿真系统, 测试了系统的阶跃响应、 抗扰动性能。仿真实验结果表明, 与PID(Proportion Integration Differentiation)控制器相比, 该自抗扰控制器具有较好的响应速度, 而且当工况发生变化时, 能很好地控制振幅的衰减, 抗干扰能力良好。