一种基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法与流程

本技术涉及信息，特别涉及一种基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法。

背景技术：

1、超声波技术凭借其独特的优势，在工业、医疗、军事等领域得到了广泛应用。作为超声波系统的核心部件，压电换能器的性能直接影响着超声设备的工作效果。为实现超声波能量的高效传输和转换，换能器的阻抗匹配至关重要。理想情况下，换能器的谐振频率与超声波发生器的激励频率相匹配时，可以达到最佳的能量传输效果。

2、然而，在实际应用中，换能器的谐振频率并非恒定不变，而是会随着工作环境温度、负载状态等因素的改变而发生漂移。当换能器谐振频率与激励频率不匹配时，会导致能量反射和损耗增大，阻抗匹配精度下降，严重影响超声波设备的工作性能和稳定性。

3、目前，针对换能器阻抗匹配问题，已有多种解决方案。其中，比较常见的是采用电感－电容（lc）匹配电路，通过调节电感或电容的值来补偿换能器谐振频率的偏移。但是，由于lc元件本身容易受温度和振动等因素的影响，难以适应动态变化的工况需求。另一种思路是在换能器端或发生器端集成阻抗变换器件，如变压器、自耦变压器等，通过改变变换比实现阻抗匹配。但这种方法会增加系统的体积和成本，且匹配精度和适用范围也受到限制。

4、此外，还有一些研究尝试采用智能算法实现自适应阻抗匹配，如遗传算法、粒子群算法等。这些算法通过优化匹配电路参数或控制策略，在一定程度上改善了阻抗匹配效果。但算法的收敛速度和稳定性仍有待提高，实时性和鲁棒性难以满足动态频率跟踪的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的换能器的谐振频率会随温度变化而漂移，导致阻抗匹配精度低的问题，本技术提供了一种基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，通过获取电压电流相位差作为频率调节的反馈量，结合模糊pid控制算法中引入相位差及其变化率和加速度的分段梯形隶属函数等，提高了阻抗匹配精度。

2、技术方案，本技术的目的通过以下技术方案实现。

3、本说明书提供一种基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，包括：对超声波压电换能器的电压和电流进行采样；其中，电流采样通过在压电换能器负载回路串联采样电阻，将电流信号转换为电压信号进行采样；对得到的电压采样信号和电流采样信号进行放大和滤波处理；其中，放大处理采用同相放大电路，滤波处理采用有源带通滤波电路；将放大滤波后的电压采样信号和电流采样信号，通过零比较电路，转换为电压方波信号和电流方波信号；其中，零比较电路包含电压跟随器和过零比较器；电压跟随器用于隔离后级电路，避免相互干扰；过零比较器采用lm311n比较器，将正弦波转换为方波；利用相位比较电路，获取电压方波信号和电流方波信号的相位差脉冲信号；其中，电压方波信号接入相位比较电路的同相端；电流方波信号接入相位比较电路的反相端；计算得到的相位差脉冲信号的相位差数字量，作为频率调节的反馈量；根据得到的相位差数字量，通过频率调节算法控制超声信号源的激励频率的输出，调节激励频率与压电换能器谐振频率一致；重复以上步骤，以使激励频率与压电换能器谐振频率同步变化，进行阻抗动态匹配。

4、其中，同相放大电路：输出信号相对于输入信号的相位不发生变化的放大电路。它用于放大电压或电流信号，提高信号的幅度，以便于后续处理。常见的同相放大电路包括非反相放大器、差分放大器等。有源带通滤波电路：使用有源器件（如运算放大器）实现的带通滤波电路。它允许特定频率范围内的信号通过，而衰减或滤除该范围以外的信号。常用于提取特定频率成分，抑制噪声干扰。零比较电路为将输入信号与零电平进行比较，输出高电平或低电平的电路。它可以实现正弦波到方波的转换，以及信号的过零检测等功能。零比较电路通常由比较器和辅助电路组成。lm311n比较器：一种高速电压比较器芯片，可以对两路模拟电压信号进行比较，输出数字电平信号。它具有速度快、延迟小、灵敏度高等特点，适用于信号处理、脉冲生成等场合。电压跟随器：一种增益为1的运算放大器电路，输出电压始终跟随输入电压变化。它具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，常用于信号缓冲、阻抗匹配、隔离等用途。激励频率：外加于压电换能器的交变电信号的频率。通过调节激励频率，可以控制压电换能器的振动状态，实现能量的高效传输和转换。谐振频率：压电换能器在谐振状态下的振动频率。在谐振频率下，压电换能器的阻抗最小，振动幅度最大，能够最有效地将电能转换为机械能。谐振频率取决于压电换能器的材料特性和结构尺寸。

5、进一步的，有源带通滤波电路的中心频率设置为超声换能器的工作频率。其中，在滤波电路中，中心频率是指滤波器的频率响应曲线上，幅度衰减最小（或增益最大）的频率点。对于带通滤波器，中心频率位于通带的中心，两侧的截止频率到中心频率的距离相等。中心频率决定了滤波器的选频特性，即让哪个频率范围的信号通过。在有源带通滤波电路中，中心频率可以通过调节有源器件（如运算放大器）的参数和外围电路的阻容值来设定。常见的调节方式包括改变电阻值、电容值，或者使用可变电阻、可变电容等元件。通过调节中心频率，可以使滤波器的通带与所需的信号频率范围相匹配，滤除其他频率成分的干扰。工作频率是指超声换能器在实际工作状态下的振动频率。超声换能器是一种利用压电效应或磁致伸缩效应，将电能转换为机械振动能的装置。当向换能器施加一定频率的交变电场时，换能器会产生相应频率的机械振动，并向周围介质辐射超声波。

6、进一步的，对得到的电压采样信号和电流采样信号进行放大，包括：放大处理采用同相放大电路，同相放大电路由opa846运算放大器构成；opa846运算放大器的同相输入端连接电压采样信号或电流采样信号，反相输入端接入由电阻和电位器构成的反馈电路；通过调节电位器改变放大倍数，使电压采样信号和电流采样信号的放大倍数相同，以保持电压采样信号和电流采样信号的相位关系；opa846运算放大器的输出端输出放大后的电压采样信号和电流采样信号。

7、其中，opa846是一款由德州仪器（texas instruments）公司生产的高速、高精度运算放大器。它是一种集成电路芯片，内部集成了高性能的模拟电路，可以对输入的电压信号进行放大、滤波、缓冲等处理。在同相放大电路中，opa846运算放大器的同相输入端连接待放大的信号（如电压采样信号或电流采样信号），反相输入端通过反馈电路（由电阻和电位器组成）连接到运放的输出端。通过调节电位器，可以改变反馈电阻的大小，从而调节放大电路的增益。

8、进一步的，利用相位比较电路，获取电压方波信号和电流方波信号的相位差脉冲信号，包括：相位比较电路采用lm311n比较器；电压方波信号接入lm311n比较器的同相输入端，电流方波信号接入lm311n比较器的反相输入端；lm311n比较器的输出端连接上拉电阻，当电压方波信号超前电流方波信号时，lm311n比较器输出高电平脉冲，表明压电换能器负载呈感性；反之，lm311n比较器输出低电平脉冲，表明压电换能器负载呈容性；lm311n比较器输出的高电平脉冲和低电平脉冲形成相位差脉冲信号。

9、其中，在交流电路中，如果电流的相位滞后于电压的相位，则称该电路呈感性特性。感性元件如电感器，其阻抗随频率升高而增大，在电路中会引起电流滞后于电压的相位差。感性负载会使电流波形相对于电压波形有一定的延迟。在交流电路中，如果电流的相位超前于电压的相位，则称该电路呈容性特性。容性元件如电容器，其阻抗随频率升高而减小，在电路中会引起电流超前于电压的相位差。容性负载会使电流波形相对于电压波形有一定的提前。在交流电路中，如果一个信号的相位比另一个信号的相位提前，则称该信号超前于另一个信号。超前的大小可以用相位角来表示，通常以度或弧度为单位。在压电换能器负载呈容性时，电流信号会超前于电压信号。在数字电路中，高电平脉冲是指电压幅度达到逻辑电路的高电平阈值的脉冲信号。高电平通常接近电源电压，表示逻辑“1”状态。在lm311n比较器中，当同相输入端的电压高于反相输入端时，输出端会产生高电平脉冲。在数字电路中，低电平脉冲是指电压幅度接近地电位的脉冲信号。低电平通常接近0v，表示逻辑“0”状态。在lm311n比较器中，当同相输入端的电压低于反相输入端时，输出端会产生低电平脉冲。

10、进一步的，计算得到的相位差脉冲信号的相位差数字量，包括：将相位比较电路输出的相位差脉冲信号连接至单片机的外部中断引脚；设置单片机的外部中断触发方式为下降沿触发，当相位差脉冲信号从高电平跳变为低电平时触发中断；在中断过程中，利用单片机的定时器对相位差脉冲信号的高电平持续时间进行计数；定时器的计数频率与单片机的时钟频率一致；通过设置定时器的预分频系数和计数初值，得到相位差脉冲宽度计数值；在相位差脉冲信号从高电平跳变为低电平的时刻，定时器计数停止，通过读取定时器计数寄存器的值，得到相位差脉冲宽度计数值；将相位差脉冲宽度计数值作为a/d转换器的模拟信号输入；通过单片机内置的逐次逼近型a/d转换器对输入的模拟信号进行采样保持和量化编码，将相位差脉冲宽度计数值转换为对应的相位差数字量。

11、其中，单片机上专门用于接收外部中断信号的引脚。当外部中断引脚检测到特定的电平跳变（如上升沿或下降沿）时，会触发单片机执行相应的中断服务程序。通过外部中断，可以实现单片机与外部设备的实时通信和同步。单片机：一种集成了cpu、ram、rom、定时器、i/o接口等功能模块的微型计算机系统。单片机体积小、成本低、功耗低，广泛应用于嵌入式系统和工业控制领域。通过编程，可以使单片机实现各种复杂的控制和数据处理任务。信号从高电平向低电平跳变的瞬间。在数字电路中，下降沿通常被用作触发信号或同步时钟。当外部中断引脚设置为下降沿触发时，单片机会在检测到输入信号从高电平跳变为低电平的时刻，触发中断服务程序。在单片机的定时器中，预分频系数用于降低定时器的计数频率。通过将单片机的时钟频率除以预分频系数，可以得到定时器的实际计数频率。调整预分频系数，可以改变定时器的计数周期，适应不同的计时需求。在相位比较电路输出的相位差脉冲信号中，高电平持续的时间。相位差脉冲宽度与电压信号和电流信号的相位差成正比，通过测量脉冲宽度，可以得到相位差的定量信息。单片机通过定时器对相位差脉冲宽度进行计数，得到相位差脉冲宽度计数值。模数转换器，将模拟信号转换为数字信号的电路。a/d转换器通过对模拟信号进行采样、量化和编码，得到与模拟信号幅值对应的数字量。单片机内置的逐次逼近型a/d转换器，可以将相位差脉冲宽度计数值转换为相位差数字量，便于后续的数字信号处理。采样保持电路对输入的模拟信号进行瞬时采样，并在采样结束后保持采样值，为a/d转换提供稳定的输入信号。采样保持电路的性能，如采样速率、保持时间等，决定了a/d转换的精度和速度。逐次逼近型a/d转换器通过与一系列基准电压进行比较，逐位确定数字输出码。量化编码的位数（如8位、12位等）决定了a/d转换的分辨率。通过量化编码，相位差脉冲宽度计数值被转换为与之对应的相位差数字量。

12、进一步的，根据得到的相位差数字量，通过频率调节算法控制超声信号源的激励频率的输出，调节激励频率与压电换能器谐振频率一致，包括：采用模糊pid控制算法作为频率调节算法；根据相位差数字量的大小、变化率和变化加速度，调整pid控制算法的比例系数、积分系数和微分系数；当相位差数字量的绝对值大于预设的第一阈值时，根据预设的第一倍数对比例系数进行放大；反之根据预设的第二倍数对比例系数进行缩小；当相位差数字量的变化率大于预设的第二阈值时，根据预设的第三倍数对微分系数进行放大；反之，根据预设的第四倍数对微分系数进行缩小；当相位差数字量的变化加速度大于预设的第三阈值时，根据预设的第五倍数对积分系数进行放大；反之，根据预设的第六倍数对积分系数进行缩小；采用分段梯形隶属函数对相位差数字量、相位差数字量的变化率和相位差数字量的变化加速度进行模糊处理，得到对应的隶属度。

13、其中，第一阈值的设置：第一阈值用于判断相位差数字量的绝对值是否较大，以此决定是放大还是缩小比例系数。第一阈值的设置需要考虑压电换能器的品质因数、谐振频率范围以及所需的频率跟踪精度。优选地将第一阈值设置为相位差数字量满量程的10%。第二阈值用于判断相位差数字量的变化率是否较大，以此决定是放大还是缩小微分系数。第二阈值的设置需要考虑压电换能器的谐振频率变化速率以及系统的响应速度。优选地将第二阈值设置为相位差数字量满量程的1%。第三阈值的设置：第三阈值用于判断相位差数字量的变化加速度是否较大，以此决定是放大还是缩小积分系数。第三阈值的设置需要考虑压电换能器的谐振频率变化加速度以及系统的稳定性。优选地将第三阈值设置为相位差数字量满量程的0.1%。

14、进一步的，还包括：根据预设的模糊推理规则，将相位差数字量的隶属度、相位差数字量的变化率的隶属度和相位差数字量的变化加速度的隶属度进行模糊推理，得到pid控制算法的比例系数、积分系数和微分系数的隶属度；采用重心法对pid控制算法的比例系数、积分系数和微分系数的隶属度进行解模糊化处理，得到自适应调整后的比例系数、积分系数和微分系数；将自适应调整后的比例系数、积分系数和微分系数代入pid控制算法，以相位差数字量作为输入，计算得到频率调节值；将频率调节值转换为dds直接数字频率合成器的频率控制字，控制dds直接数字频率合成器输出与频率控制字对应的频率的激励信号，对压电换能器的激励频率进行动态调节。

15、其中，在模糊控制中，用于描述输入变量与输出变量之间关系的语言规则。模糊推理规则通常采用“if-then”的形式，例如“if相位差数字量为正and相位差数字量的变化率为正then比例系数为大”。通过设置一系列模糊推理规则，可以根据输入变量的隶属度，推断出输出变量的隶属度，实现模糊控制。在模糊集合论中，表示一个元素对于某个模糊集合的归属程度。隶属度的取值范围通常为[0，1]，0表示完全不属于该集合，1表示完全属于该集合，介于0和1之间的值表示部分属于该集合。在模糊控制中，通过隶属函数将输入变量映射为对应模糊集合的隶属度，作为模糊推理的基础。根据模糊推理规则，将输入变量的隶属度转换为输出变量的隶属度的过程。常用的模糊推理方法有mamdani推理和sugeno推理。在模糊pid控制算法中，通过模糊推理，根据相位差数字量、相位差数字量的变化率和变化加速度的隶属度，得到pid控制算法的比例系数、积分系数和微分系数的隶属度。将模糊控制与pid控制相结合的一种控制算法。

16、通过模糊推理，根据系统的输入和输出状态，自适应地调整pid控制算法的比例系数、积分系数和微分系数，以实现更优的控制性能。模糊pid控制算法具有较强的鲁棒性和适应性，能够有效处理非线性、时变和不确定性系统。一种常用的模糊控制解模糊化方法。通过计算模糊集合的重心坐标，将模糊量转换为准确量。在模糊pid控制算法中，采用重心法对pid控制算法的比例系数、积分系数和微分系数的隶属度进行解模糊化处理，得到自适应调整后的控制参数。dds直接数字频率合成器：一种利用数字技术产生任意频率、相位可控的正弦波信号的装置。dds通过累加器、相位映射、波形存储器和d/a转换器等部件，将数字频率控制字转换为模拟正弦波信号输出。通过改变频率控制字，可以实现频率的精确调节。dds具有频率分辨率高、转换速度快、相位连续等优点，在通信、雷达、仪器仪表等领域得到广泛应用。在dds直接数字频率合成器中，用于控制输出信号频率的数字量。频率控制字的位数决定了dds的频率分辨率，位数越高，可调节的频率步进越小。

17、进一步的，采用分段梯形隶属函数对相位差数字量、相位差数字量的变化率和相位差数字量的变化加速度进行模糊处理，得到对应的隶属度，包括：确定相位差数字量、相位差数字量的变化率和相位差数字量的变化加速度的论域范围；将论域范围划分为多个模糊子集；对每个模糊子集，采用分段梯形隶属函数表示对应的隶属度函数，分段梯形隶属函数包含四个参数，分别为梯形的左底边界、左上边界、右上边界和右底边界；根据相位差数字量的大小，确定对应的模糊子集，将相位差数字量代入确定的模糊子集对应的分段梯形隶属函数，计算得到相位差数字量的隶属度；根据相位差数字量的变化率的大小，确定对应的模糊子集，将相位差数字量代入确定的模糊子集对应的分段梯形隶属函数，计算得到相位差数字量的变化率的隶属度；根据相位差数字量的变化加速度的大小，确定对应的模糊子集，将相位差数字量代入确定的模糊子集对应的分段梯形隶属函数，计算得到相位差数字量的变化加速度的隶属度。

18、其中，在模糊集合论中，一个模糊集合可以划分为多个模糊子集，每个模糊子集表示一个语言变量的取值范围。例如，将相位差数字量的论域划分为“负大”“负中”“负小”“零”“正小”“正中”“正大”等模糊子集。每个模糊子集对应一个隶属度函数，表示输入变量对该子集的隶属程度。通过模糊子集的划分，可以将连续的输入变量转换为离散的语言描述，便于进行模糊推理。分段梯形隶属函数中，梯形左侧底边的边界值。对于一个模糊子集，左底边界表示输入变量完全不属于该子集的下限值。当输入变量小于左底边界时，其隶属度为0。左底边界的设置决定了模糊子集的起始位置和模糊化程度。分段梯形隶属函数中，梯形左侧上边的边界值。对于一个模糊子集，左上边界表示输入变量开始完全属于该子集的下限值。当输入变量大于等于左上边界时，其隶属度为1。左上边界的设置决定了模糊子集的核心区域的起始位置。分段梯形隶属函数中，梯形右侧上边的边界值。对于一个模糊子集，右上边界表示输入变量开始不再完全属于该子集的上限值。当输入变量小于等于右上边界时，其隶属度为1。右上边界的设置决定了模糊子集的核心区域的终止位置。分段梯形隶属函数中，梯形右侧底边的边界值。对于一个模糊子集，右底边界表示输入变量完全不属于该子集的上限值。当输入变量大于右底边界时，其隶属度为0。右底边界的设置决定了模糊子集的终止位置和模糊化程度。

19、进一步的，分段梯形隶属函数表达式如下：

20、

21、其中，表示隶属度函数，x表示输入变量；a表示梯形左底边界，即隶属度为0的左边界；b表示梯形左上边界，即隶属度从0开始上升的拐点；c表示梯形右上边界，即隶属度从1开始下降的拐点；d表示梯形右底边界，即隶属度降为0的右边界；表示变化率因子，用于调节隶属度函数对输入变量变化率的敏感程度；表示加速度因子，用于调节隶属度函数对输入变量加速度的敏感程度；r表示输入变量x的变化率，a表示输入变量x的加速度。

22、进一步的，r和a计算公式如下：，，通过引入变化率因子k1和加速度因子k2，可以使分段梯形隶属函数对输入变量的动态变化更加敏感，从而提高模糊控制的适应性和鲁棒性。同时，通过调整k1和k2的值，可以灵活地控制隶属度函数的形状，适应不同的控制需求。

23、相比于现有技术，本技术的优点在于：

24、通过对超声波压电换能器的电压电流信号进行采样、放大滤波、方波转换等处理，获取电压电流相位差作为频率调节的反馈量，可以精确反映换能器的阻抗特性和谐振频率变化，为实现动态阻抗匹配提供了可靠的频率调节依据，避免了换能器谐振频率漂移导致的阻抗失配问题。

25、采用同相放大电路和有源带通滤波电路对电压电流采样信号进行放大和滤波处理，有效提高了信号的信噪比和幅频特性，确保了相位差检测的准确性和可靠性。

26、利用过零比较器将正弦波信号转换为方波信号，简化了相位差检测电路，降低了系统复杂度和成本；同时通过电压跟随器隔离后级电路，避免了互相干扰，提高了检测精度。

27、采用模糊pid控制算法对频率进行自适应调节，根据相位差数字量的大小、变化率和加速度动态调整pid控制器的参数，提高了频率跟踪的响应速度和准确性。

28、在模糊pid控制算法中引入相位差及其变化率和加速度的分段梯形隶属函数，通过变化率因子和加速度因子增强了算法对相位差动态变化的适应性，改善了频率跟踪性能。

29、利用单片机定时器和a/d转换器实现相位差脉冲信号的测量和数字量转换，避免了额外的相位差检测芯片，减小了系统的硬件开销。

30、将pid控制算法的输出转换为dds直接数字频率合成器的频率控制字，实现了激励频率的精确调节，与换能器谐振频率实现同步变化，保证了双方的阻抗动态匹配，从而有效提高了换能器的能量转换效率，降低了能量损耗。

技术特征：

1.一种基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，包括：

2.根据权利要求1所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，其特征在于：

技术总结
本申请公开了一种基于超声波压电换能器频率动态跟踪的阻抗匹配方法，涉及信息技术领域，包括：对超声波压电换能器的电压和电流进行采样；对电压采样信号和电流采样信号进行放大和滤波处理；将放大滤波后的电压采样信号和电流采样信号，通过零比较电路，转换为电压方波信号和电流方波信号；利用相位比较电路，获取电压方波信号和电流方波信号的相位差脉冲信号；计算得到的相位差脉冲信号的相位差数字量；根据得到的相位差数字量，通过频率调节算法控制超声信号源的激励频率的输出，调节激励频率与压电换能器谐振频率一致；针对现有技术中换能器的谐振频率会随温度变化而漂移，导致阻抗匹配精度低，本申请提高了阻抗匹配精度。

技术研发人员：冯晓祥,黄风平,潘娟娟,苏背背
受保护的技术使用者：杭州鸿鹄电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23