压电换能器驱动电路的设计
超声换能器驱动电路的设计
超声换能器驱动电路的设计
超声换能器驱动电路的设计一般包括一些基本电路，如同步电路、余弦电路、宽度调节电路、激励电路等。
1、同步电路：该电路包括一个发生器（定时器）和一些缓冲电路，借助定时器可以产生恒定的正弦波、方波、三角波等脉冲波形，用于驱动超声换能器发出振动信号。
2、余弦电路：该电路设计的目的是将同步电路产生的脉冲波形转换成恒定的余弦波，从而使超声换能器发出的超声振动的全部单元具有相同的形状和幅度，包括减小共振效应。
3、宽度调节电路：该电路是用来控制余弦信号，从而控制超声换能器发出的超声振动的频率。
4、激励电路：该电路的作用是根据所需的功率以及安全供电激发超声换能器，从而确保其正常工作。
压电换能器的结构组成
压电换能器的结构组成
压电换能器是一种能够将机械能转换为电能或电能转换为机械能的装置，其主要结构组成包括以下几个部分：
1. 压电材料：压电换能器的核心部分是压电材料，常用的压电材料有压电陶瓷、压电晶体、压电聚合物等。
这些材料在受到机械应力时会产生电荷，或者在施加电场时会产生机械变形。
2. 电极：压电材料的两侧通常覆盖有金属电极，用于施加电场或引出电荷。
电极可以是金属箔、金属片或金属涂层等形式，它们与压电材料之间形成良好的电接触。
3. 振动结构：压电换能器通常具有振动结构，用于将机械振动传递给压电材料。
振动结构可以是薄膜、板、棒、圆柱体等形式，具体形状和尺寸根据应用需求而定。
4. 外壳和封装：压电换能器通常被封装在一个外壳中，以保护内部结构并提供机械支撑。
外壳可以是金属、塑料或陶瓷等材料制成，封装方式可以是气密封装或开放式封装。
5. 连接线和接口：压电换能器通常通过连接线与外部电路相连，连接线用于传输电信号或提供电源。
接口可以是插头、插座、引线等形式，以便与其他设备进行连接。
除了以上基本结构组成部分，一些压电换能器还可能包括附加的元件，如匹配网络、滤波器、放大器等，以优化其性能和与外部系统的兼容性。
总之，压电换能器的结构组成主要包括压电材料、电极、振动结构、外壳和封装以及连接线和接口等部分，这些部分协同工作，实现了机械能与电能之间的相互转换。
压电作动器概论
2 x 2 2 V p 2 D( k ) 1 me F i [ 2 ] 2 2 f cf
In air o y x
2 2 x V pm e F i 2 4 f c f
15
声辐射力
能产生声辐射力的声场
• 驻波声场 • 聚焦声场 • 衰减的声表面波 • 具有空间衰减或梯度的行波等
声学流的解析解
求解声场的振动速度v
1
v v
Va
获得声学流的流场
O. V. Abramov, High-Intensity Ultrasonics, Gordon and Breach Science Publishers, Singapore, 1998.
9
声辐射力近似解
• 利用Gor’kov的近似方法 • 把声场中的物体等效为小球, 等效半径为R； • 波数k和等效半径R需满足：kR<<1； • 引入声场的势P (force potential)
P V [ D K (1 ) U ]
V: 小球的体积
D
3( s f ) 2 s f
上述方法的工作原理：请参阅声辐射压近似解的例子
19
声学流
声学流: 由声场振动引起的流动
1
Sound 2
3
原因：单位时间内通过单位面积 的动量的空间不均匀性
驱动力： F 0 v v (v )v
驱动力的物理意义：
< ρv2(z) >
z
<ρv2(z+Δz)>
20
雷诺应力的不平衡产生声学流
J. Lighthill, Waves in Fluids, Cambridge University Press, Cambridge, 1978.
1mhz超声波换能器收发驱动电路的设计
1mhz超声波换能器收发驱动电路的设计由于超声波技术的不断发展，超声波换能器的应用越来越广泛，如现代的空调、安防、医疗、工业控制等行业中都有超声波换能器的踪影。
1MHz超声波换能器收发驱动电路是超声波换能器应用中一个关键性部件。
1MHz超声波换能器收发驱动电路是一种高电平电路，它可以将超声波信号转换为高电压电流，以用于驱动超声波发射器。
电路既可以控制超声波换能器的收发信号，又可以进行漏振控制，以调整超声波发射器的功率。
1MHz超声波换能器收发驱动电路的设计总体分为电路框架的构建、电路电源的设计、收发控制管理电路的设计、差分放大器的设计、驱动电路的设计以及漏振调节的设计等几个方面。
1、框架的构建：在电路框架的构建中，要考虑设计电路的性能和功能，最终确定电路的器件种类、布线流程和结构形式，确保电路有良好的连接性和稳定性。
2、电源设计：电源设计是1MHz超声波换能器收发驱动电路的重要组成部分。
根据驱动电路的工作电压、功耗以及发射功率的要求，应选择合适的电源器件。
3、收发控制管理电路设计：收发控制管理电路设计是1MHz超声波换能器收发驱动电路的核心部分，要根据应用需求，采用合适的元器件组合，组成可控制超声波换能器收发信号的模块，并结合相关锁相环设计出可进行可靠而有效的收发控制和管理电路。
4、差分放大器设计：差分放大器的设计是保证超声波换能器收发驱动电路的高精度放大和比较，使收发精度更高的重要环节，采用的放大器应具有较高的额定输入电压、较快的电流响应速度以及较低的噪声水平等特性。
5、驱动电路设计：驱动电路设计是控制超声波换能器发射脉冲宽度和频率的主要环节，要求驱动电路有较高的额定输入电压、较快的响应速度及较低的噪声水平，保证超声波发射器有较好的功率性能。
6、漏振调节：漏振调节是1MHz超声波换能器收发驱动电路的重要环节，通过调节漏振的方式可以调整超声波发射器的功率，以确保超声波换能器的收发性能。
由此可见，1MHz超声波换能器收发驱动电路的设计是一个具有挑战性和复杂性的技术，它需要不断尝试和改进，以实现超声波换能器应用中更好的性能。
基于多物理场耦合的夹心式压电换能器优化设计
基于多物理场耦合的夹心式压电换能器优化设计付勇;陈晔;张伟民【摘要】针对传统解析法在压电换能器设计中存在适用范围窄、计算繁琐以及结果不精确等缺点,提出了基于Comsol的换能器优化设计.为得到夹心式压电换能器的初步尺寸,笔者基于一维细棒振动和Mason等效电路理论得到了换能器的频率方程和前后振速比公式;结合实际工况选定材料后利用1stOpt对前盖板的隐函数进行求解,设计了换能器的结构参数;基于Comsol Multiphysics的压电耦合模块对设计的换能器进行动力学仿真研究,得到了换能器的特征频率、相应振型以及正反谐振频率、基频频率和最高电导值,从而获得了换能器的节面高度、品质因数以及动态电阻等参数.模拟结果得出换能器相应参数与设计值有一定误差,可利用Comsol优化模块对前后盖板尺寸进行修正.结果表明改进后的换能器频率与设计值误差为0.067％,且节面位于陶瓷晶堆中间位置.该方法可以有效提高换能器的使用性能和缩短研制周期,对压电换能器的优化设计有一定的参考意义.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2018(036)005【总页数】9页(P1-8,13)【关键词】压电换能器;一维细棒振动理论;Mason等效电路;Comsol软件;电压方程【作者】付勇;陈晔;张伟民【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816【正文语种】中文【中图分类】TB552随着国家经济的高速发展，工业用水量和废水排放量都大幅增加，使得我国的水资源短缺和环境问题更加严重。
为响应国家可持续发展的号召，必须加大对废水的处理力度[1]。
高级氧化工艺是近年来新兴的一项水处理工艺，在对高浓度有机废水的处理方面有着独特的优势，超声波技术作为高级氧化工艺的重要一员，在废水处理方面有着巨大的应用潜力。
超声换能器作为整个超声系统的核心部件，其性能影响着整体的性能，对超声换能器的研制和优化成为超声领域的重要课题。
夹心式压电换能器最新
后盖板作用：
• 实现换能器的无障板单向辐射，保证能最小限度地从后盖 板表面辐射，从而提高前向辐射功率。一般采用重金属， 如45#钢、铜。形状主要是圆柱型或圆锥型。
• 前后盖板材料选择遵循以下原则： • 1.在工作频率范围内，材料内部机械损耗应尽量小； • 2.机械强度尽量高； • 3.价格低廉，易于加工； • 4.在有一些易于腐蚀的应用场合，还要求材料抗腐蚀能力
• 晶片选机械及介电损耗较低而压电常数和机电转换系数较 高材料，如PZT-4和PZT-8等。
• 压电片的形状和直径、数量、压电片材料和种类主要由工 作频率、工作模式、需要的输出声功率、应用场合来确定 的。换能器输入电功率比较小时，或者换能器处于非连续 工作状态（脉冲工作状态）可采用PZT-4；大功率状态下 工作，又连续长时间工作，应采用PZT-8型。
WarⅠ期间发明了探测水下潜艇的声呐。并因其 结构是“夹心式“，得名夹心式换能器。
• 形状 • 变幅比 • 应力分布 • 幅度分布
变幅器
·郎之万(1872-1946)
• 谐振频率
•
s2
(2
fs )2
K
(M1 M2) M1M 2
• K —压电堆的刚度（Siffness of Piezoelectric stack）
• 为克服这个困难，采用所谓夹心式换能器结构。
结构特点：
1 压电陶瓷圆片的极化方向与振子厚度方向一致。
压电陶瓷圆片或圆环通过高强度胶或应力螺栓与两端的金属块
2 连接在一起。
3 整个振子长度等于基波的半波长。
4
后盖板用密度较高的材料（如钢、铜等）制作，前盖板用轻金属 （如铝合金、镁等）制作。使得声能主要朝向铝盖板方向。
•
K EC Ac Lc
换能器等效电路
换能器等效电路换能器是一种能够将一种形式的能量转化为另一种形式的装置，常见的有电能与机械能之间的转换。
在实际应用中，为了更好地理解和分析换能器的工作原理和特性，人们常常使用等效电路来模拟和描述换能器的行为。
等效电路是指将复杂的电路或系统简化为能够产生相同电流-电压关系的简单电路，从而方便分析和计算。
在换能器的等效电路中，常用的模型有电阻、电感和电容等元件。
我们来讨论电能与机械能之间的转换。
以声音换能器为例，当声音信号作用于声音换能器时，声音的机械能会被转化为电能输出。
在等效电路中，我们可以用一个电容和一个电阻来模拟声音换能器。
电容代表声音振膜的质量和弹性，而电阻则代表声音振膜的阻尼特性。
通过调节电容和电阻的数值，可以调节声音换能器的频率响应和灵敏度。
类似地，光电换能器也是常见的一种换能器。
光电换能器将光能转化为电能输出，例如太阳能电池板。
在等效电路中，太阳能电池板可以被简化为一个光照下的电流源和一个二极管。
光照下的电流源代表光能的输入，而二极管则模拟了太阳能电池板的特性，如光照强度对输出电流的影响等。
除了电能与机械能之间的转换，换能器还可以实现其他形式能量之间的转换，如热能与电能之间的转换。
热电换能器就是一种将热能转化为电能输出的装置。
在等效电路中，热电换能器可以用一个热电偶和一个电阻来模拟。
热电偶代表热能输入，而电阻则代表热电偶的特性，如热敏感度等。
除了以上几种换能器，还有许多其他类型的换能器，如压电换能器、电动换能器等。
这些换能器在等效电路中也可以通过合适的电路模型进行描述和分析。
换能器的等效电路模型不仅可以帮助我们更好地理解换能器的工作原理和特性，还可以用于系统级的设计和优化。
总结起来，换能器等效电路是用来模拟和描述换能器行为的一种简化电路模型。
通过合理选择和调节等效电路中的元件数值，可以更好地分析和计算换能器的性能。
换能器等效电路的研究和应用不仅有助于我们对换能器的理解，还可以为换能器的设计和优化提供指导。
pvdf 压电 电路
pvdf 压电电路
PVDF压电薄膜是一种常用的压电材料，具有3层结构薄膜，在两个表面已经覆了很薄的铝电极。
这种材料具有较高的压电常数、居里点温度高、热稳定性好、耐腐蚀性强等优点。
在应用方面，PVDF压电薄膜主要用于制作传感器和换能器，如压力传感器、加速度传感器、流量传感器等。
在电路设计方面，以PVDF压电薄膜为材料的传感器通常需要将信号从传感器的输出端传输到后续的信号处理电路中。
为了实现这一目标，需要设计相应的电路来连接传感器和信号处理电路。
具体电路设计需要根据实际应用需求和传感器特性进行定制，但通常需要包括信号放大、滤波、调理等环节，以提高信号的信噪比和稳定性。
总之，以PVDF压电薄膜为材料的电路设计需要根据实际应用需求和传感器特性进行定制，以确保电路的性能和稳定性。
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的性 能 。而压 电换 能 器驱 动 电路 的设 计 ，涉及 阻抗 匹配 、脉 冲变 压 器 设 计 及 谐 振 变 压 器 的相 关 内 容 ，既要有 一定 的理论 基础 ，又 需要 实践 经 验 的一 门技 术 ，给广 大 的研 发 人员 的设 计 ，带来 一 定 的 困
种单 端激 励 的压 电换 能 器驱动 电路 ，利 用脉 冲变压 器进 行 阻抗 匹配 和 电压 调谐 ，具有 电路 形 式 简单 、易于
操作 的特 点 ，同时创 新性 地利 用 电压 谐 振 的 设 计 方 法 ，提 高 了压 电换 能 器 的 工作 效 率。通 过 工业 现 场 应 用 ，产品性 能指 标达 到设 计要 求 。
由于超声 波几 乎不 受光 线 、粉 尘 、烟雾 、电磁
干扰 和有 毒气 体 的影 响 ，可 以通 过 气体 、液体 和 固
体进行传播 ，所以 目 前在工业生产及其 民用领域 的 应用越来越广泛 ，例如超声测距 、超声波清洗以及 医疗 超声 检测 等 ，压 电换 能器作 为 声能 和 电能 的转
关键 词 ： 压 电换 能 器 ；脉 冲变压 器 ； 阻抗 匹配 ；电压 调谐
中图分 类号 ：Ｔ Ｂ ５ ５ ２
文献 标 志码 ：Ａ
文章 编 号 ：１ ６ ７ ３— ４ ９ ３ ９（ ２ ０ １ ５ ）０ １— ０ ０ ３ ９— ０ ４ 用他 激工作 方 式 ，换 能器 两端未 谐振 ，所 以工 作效 率低。
孥 秀 安
（ 丹 东东方测控 技 术股份 有 限公 司 电子 部 ， 辽宁 丹 东 １ １ ８ ０ ０ ２ ） 摘 要 ：压 电换 能 器驱动 电路 的设 计 ，是 整个 测量 系统 的设 计难 点 ，国 内通 常 采 用的 驱动 电路 ，工作
效率低 、测 量精度 不 能 满足设 计要 求 。文 章通过 对 一款 大功 率压 电换 能 器 的设 计 实践 ，独创 性地 设 计 报 （ 自然科 学版 ）
Ｔｏ ＝ ０． ４ ５ × ３ ３． ３ ＝ １ ５ Ｉ ｘ ｓ
第２ ２卷
（ ２ ） 变压 器变 比的确定 根据 设计 要 求 ，换 能器 发射 脉 冲 （ ３— ３ ０个 ）
时 的功率 Ｐ ＝３ ０ Ｗ ，变压 器效 率 ：７ ７ ＝ ８ ０ ％ ，电 源 电压 ｖ Ｄ ＝２ ４ Ｖ，场 效应 管 导 通 压 降 ： ｓ ＝１ Ｖ，尺 为次 级 负 载 ，Ｒ ：为次 级 反 馈 到初 级 的 等 效 阻抗 ，根据 换 能器参数 ，设计 取 ６ ０ ０ Ｑ。Ｎ 为变 压器 次级 与初 级 的 匝数 比 ，根据下 列 公式 ，一 个周
Ｖｏ １ ． ２２ Ｎ０． １
Ｍａ ｒ ．２ ０ １ ５
【 机械与电子工程】
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ４ １ ６ ８ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ － ４ ９ ３ ９ ． ２ ０ １ ５ ． ０ １ ． ０ ９
压 电 换 能 器 驱 动 电 路 的 设 计
的压 电换能 器进 行设 计具 有一 定 的指导 意 义 。
１ 驱 动 电路 的 设计原 理
难 。 目前 国 内压 电换 能 器 的驱动 电路 ，主要 采用 两 种 设计 方法 ：一 是 直接 驱动 ：采 用 固定频 率 ，通过 触 发 大 功 率 半 导 体 开 关 器 件 ，如 场 效 应 管 、可 控 硅 ，直 接驱 动压 电换 能 器工作 ，换能 器 由 电源 电压
第２ ２卷 第 １ 期
２ ０ １ ５年 ３月
辽 东学 院 学报 （自然 科 学版 ） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｌ ｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
文章 利用 Ａ Ｉ Ｒ ＭＡ Ｒ公 司 ＿ ４ 的一 款 大 功 率 压 电 换能器 （ Ａ Ｒ ３ ０ ） 驱动 电 路设 计 出 一种 单 端激 励 的 压 电换能 器驱 动 电路 。该驱 动 电路 ，利用 脉 冲变压 器 进 行 阻抗 匹配 ，同 时通过 调节 变压 器磁 芯气 隙进 行 电压调谐 ，可 以驱动 大功 率压 电换 能器 工作 ，能 显 著 提高压 电换 能 器 的电 一声转 换效 率 。该设计 采 用 电压 谐振 方法 ，可为 广大设 计 人员 提供 一种 实用 的 、操 作性 强 的设计 手段 ，对 不 同量程 和 发射频 率
人， 为 阻尼 电阻 ，Ｃ为 配谐 电容 （ 微调 ） ， 变压 器初 级供 电电源 。 为
配 ，如文献 ［ ３ ］电路 ；优点是可以驱动大功率器 件 ，缺 点是 难 以进行 阻抗 匹 配和 电压调 谐 ，由于采
收 稿 日期 ：２ ０ １ ４— ０ ７—１ ２
作者简介 ：李君安 （ １ ９ ６ ５ 一） ，男 ，辽 宁丹 东人 ，工程师 ，研究方 向：超声波信号处理 和电源设计 。
直接供电。如文献 ［ ２ ］ 电路 ；优点是 电路简单 ， 缺点是工作效率低 ，受到供电电压限制 ，无法驱动 大 功率 器件 。二 是推 挽 电路 驱动 ：采 用 固定频 率 的 双 极性 脉 冲 ，驱 动推 挽 变压器 工 作 ，推挽 变压 器次
级 与压 电换 能器 并联 ，采 用 电容 、电感 进 行 阻抗 匹
设计 采用 如 图 １ 所 示 的单 端脉 冲激 励 的设 计 电
路 ，脉冲信号是 由超声波发射模块产生的 ，脉冲频
率 和 占空 比是 可 调整 的 ，通 过 开关 型 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ，驱
动脉 冲变压器 工 作 ，变压 器 次 级 与 压 电振 子 并
联 ，两个 二 极 管 是 为 了 阻 止 接 收 的 回波 信 号 的 串