施浩然，孔淑婷，高桂玲，陳趙江，劉世清

（浙江師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江金華321004）

功率超聲系統(tǒng)一般由超聲信號(hào)源和換能器兩部分組成[1]。超聲信號(hào)源輸出一定頻率和功率的電信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)綋Q能器上[2]。由于信號(hào)源與換能器兩者之間可能存在阻抗失配[3]，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)反射[4]，導(dǎo)致功率傳輸效率很低。為解決這一問(wèn)題，必須在二者之間添加阻抗匹配電路[5]，使信號(hào)源和換能器的阻抗相匹配，這樣能減小信號(hào)的反射和損耗[6]，同時(shí)提高信號(hào)源及換能器的工作穩(wěn)定性及壽命。文中從功率超聲換能器壓電元件強(qiáng)場(chǎng)性能測(cè)試的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)[7-8]，對(duì)阻抗匹配技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種大功率可調(diào)阻抗匹配裝置，該裝置創(chuàng)新性地采用了多重環(huán)形鐵氧體磁環(huán)線圈結(jié)構(gòu)，可通過(guò)按鍵切換阻抗變換檔位，能在較低成本下滿足相關(guān)實(shí)際應(yīng)用的需求，維護(hù)使用方便，具有較好的應(yīng)用前景。

1 可調(diào)阻抗匹配裝置的總體結(jié)構(gòu)

可調(diào)阻抗匹配系統(tǒng)由獨(dú)立按鍵電路、單片機(jī)控制電路、數(shù)碼管顯示電路和磁環(huán)線圈變換機(jī)構(gòu)組成?？烧{(diào)阻抗匹配裝置系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 可調(diào)阻抗匹配系統(tǒng)總體框圖

2 可調(diào)阻抗匹配裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 按鍵電路的設(shè)計(jì)及制作

考慮降低阻抗匹配裝置功耗的要求，使用的按鍵數(shù)量較少，每個(gè)按鍵接口相互獨(dú)立，不會(huì)互相干擾，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用設(shè)置檢測(cè)延時(shí)的方法，可以很好地避免誤操作的干擾，如由于按鍵接觸問(wèn)題單次按壓被識(shí)別成兩次。檢測(cè)和按鍵連接的單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳的高低電平狀態(tài)就可以判斷哪個(gè)按鍵被按下。為了保證在按鍵斷開(kāi)時(shí)單片機(jī)各I/O 口保持相應(yīng)的電平，每個(gè)按鍵均連接上拉或下拉電阻。

文中采用了兩個(gè)按鍵，分別為檔位按鍵和復(fù)位按鍵。

2.1.1 檔位按鍵的結(jié)構(gòu)和工作原理

檔位按鍵含有一個(gè)連接電源正極的10 kΩ的上拉電阻，按鍵和單片機(jī)的P0.0 I/O 口相連，按下按鍵會(huì)使通向單片機(jī)的P0.0 電平信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖絒9]。阻抗匹配裝置開(kāi)啟后變換機(jī)構(gòu)處于未接通狀態(tài)，不進(jìn)行阻抗變換。檔位按鍵第一次按下后，變換機(jī)構(gòu)將接通到一號(hào)檔位，該按鍵再次按下后，變換機(jī)構(gòu)將接通二號(hào)檔位，依次類(lèi)推，直至最終的七號(hào)檔位，此時(shí)按下檔位按鍵阻抗匹配裝置的變換機(jī)構(gòu)恢復(fù)未接通狀態(tài)，完成一輪循環(huán)。檔位按鍵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檔位按鍵結(jié)構(gòu)

2.1.2 復(fù)位按鍵的結(jié)構(gòu)和工作原理

復(fù)位按鍵含有一個(gè)連接電源負(fù)極的1.0 kΩ的下拉電阻，按鍵和單片機(jī)的RST I/O 口相連，按下按鍵會(huì)使通向單片機(jī)的RST 電平信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?。該按鍵起到復(fù)位電路的作用[10]，無(wú)論阻抗匹配裝置的變換機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)將恢復(fù)未接通狀態(tài)，不進(jìn)行阻抗變換。該按鍵可以用于緊急停止系統(tǒng)工作，斷開(kāi)信號(hào)源和負(fù)載之間的信號(hào)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(fù)位按鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 復(fù)位按鍵結(jié)構(gòu)

獨(dú)立式按鍵電路配置靈活、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作準(zhǔn)確且方便，故該設(shè)計(jì)采用按鍵進(jìn)行控制。

2.2 控制電路的結(jié)構(gòu)及連接方法

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

圖4 STC89C52單片機(jī)I/O口

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

2.3 顯示電路的結(jié)構(gòu)和工作原理

阻抗變換檔位采用數(shù)碼管顯示阿拉伯?dāng)?shù)字，單片機(jī)通過(guò)P2.0-P2.6 I/O 口向數(shù)碼管輸出由高低電頻組成的顯示信號(hào)。該設(shè)計(jì)采用共陰數(shù)碼管，該數(shù)碼管含有8 個(gè)發(fā)光二極管[11]，連接數(shù)碼管的單片機(jī)I/O口輸出高電頻將會(huì)點(diǎn)亮數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，如輸出低電平則數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管將熄滅，數(shù)碼管陰極則連接電源地端。數(shù)碼管顯示電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)

阻抗匹配裝置開(kāi)啟后變換機(jī)構(gòu)處于未接通狀態(tài)，此時(shí)數(shù)碼管顯示“0”，檔位按鍵第一次按下后，變換機(jī)構(gòu)將接通一號(hào)檔位，此時(shí)數(shù)碼管顯示“1”，該按鍵再次按下后，變換機(jī)構(gòu)將接通二號(hào)檔位，此時(shí)顯示“2”，依次類(lèi)推，直至接通七號(hào)檔位，數(shù)碼管顯示“7”，完成一輪循環(huán)。

2.4 阻抗變換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作

阻抗變換機(jī)構(gòu)模塊由繼電器及其附屬驅(qū)動(dòng)電路和多重磁環(huán)線圈組合而成。單片機(jī)發(fā)送的電平信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大后[12]，驅(qū)動(dòng)繼電器切換[13]多重磁環(huán)線圈內(nèi)的初級(jí)/次級(jí)線圈匝數(shù)比，達(dá)到通過(guò)切換阻抗來(lái)變換檔位的目的。

2.4.1 繼電器及驅(qū)動(dòng)電路部分的結(jié)構(gòu)和工作原理

該設(shè)計(jì)采用單片機(jī)P3.0-P3.6 I/O 口輸出的由高低電平組成的檔位信號(hào)來(lái)控制繼電器。由于單片機(jī)I/O 口輸出電流能力有限，只有10～20 mA，但該可調(diào)阻抗匹配裝置在設(shè)計(jì)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(wěn)定性和安全性[14]，驅(qū)動(dòng)這種繼電器的吸合需要較高的電流，直接由單片機(jī)I/O 口輸出的電流無(wú)法滿足要求，所以在單片機(jī)和繼電器之間添加驅(qū)動(dòng)電路來(lái)保證繼電器的正常響應(yīng)。

該阻抗匹配裝置有7 個(gè)阻抗變換檔位，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)一套繼電器及驅(qū)動(dòng)電路，故設(shè)置了7 套相同且相互獨(dú)立的繼電器及驅(qū)動(dòng)電路，依次連接單片機(jī)P3.0-P3.6 I/O 口，單套繼電器及驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 繼電器及驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電路采用低電平驅(qū)動(dòng)，R1為連接單片機(jī)I/O口，R2為上拉電阻，當(dāng)I/O 口向R1輸入低電平時(shí)，三極管Q1 飽和，從而使繼電器RL1線圈有與其相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^(guò)，繼電器吸合；相反，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，三極管截止，繼電器斷開(kāi)。

為防止三極管截止造成繼電器線圈兩端產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)而損壞三極管，故添加保護(hù)電路[15]，將這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)通過(guò)D1 續(xù)流二極管放電消除，使三極管工作在安全電壓，保護(hù)電路安全。

2.4.2 多重磁環(huán)線圈的結(jié)構(gòu)和工作原理

作為可調(diào)阻抗變換裝置的核心部分，實(shí)現(xiàn)信號(hào)源和負(fù)載的阻抗匹配需要依靠一定輸入/輸出匝數(shù)比磁環(huán)線圈來(lái)完成，多重磁環(huán)線圈結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 磁環(huán)線圈結(jié)構(gòu)示意圖

磁環(huán)線圈由連接接口A 的線圈A、連接接口B 的線圈B 和磁環(huán)組成；線圈A 和線圈B 兩者通過(guò)公共地接口相連，二者都環(huán)繞在磁環(huán)內(nèi)。

不同的信號(hào)源和負(fù)載之間的阻抗關(guān)系也不同，所以阻抗匹配的檔位必須是可調(diào)整的，為了實(shí)現(xiàn)阻抗變換檔位的靈活調(diào)整，阻抗變換裝置設(shè)置了多重磁環(huán)線圈，結(jié)構(gòu)如圖8所示。通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)，切換不同磁環(huán)線圈內(nèi)信號(hào)輸入/輸出線圈的匝數(shù)比，達(dá)到阻抗變換的目的。

圖8 多重磁環(huán)線圈內(nèi)部檔位結(jié)構(gòu)圖

線圈A 的匝數(shù)固定不可調(diào)節(jié)，為2 匝；而線圈B的匝數(shù)可以通過(guò)繼電器進(jìn)行選擇，和阻抗變換的檔位數(shù)一樣，共有7 種匝數(shù)，分別是3、4、5、6、8、10 和12匝，通過(guò)對(duì)應(yīng)檔位的繼電器吸合來(lái)改變線圈B 的匝數(shù)。兩線圈通過(guò)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(hào)源連接口A，負(fù)載連接口B，此時(shí)系統(tǒng)輸出阻抗相對(duì)于輸入信號(hào)源阻抗有可調(diào)的放大作用；信號(hào)源連接口B，負(fù)載連接口A，此時(shí)系統(tǒng)輸出阻抗相對(duì)于輸入信號(hào)源阻抗有可調(diào)縮小的作用。

3 可調(diào)阻抗匹配裝置的軟件設(shè)計(jì)

可調(diào)阻抗變換系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)全部采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序源代碼，開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境采用Keil uVision4，其程序流程如圖9所示。

圖9 阻抗變換系統(tǒng)流程

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，數(shù)碼管顯示數(shù)字“0”初始界面，繼電器全部處于初始斷開(kāi)狀態(tài)，進(jìn)入待命狀態(tài)，此時(shí)判斷連接檔位按鍵的P0.0 I/O 口是否為低電平、連接復(fù)位按鍵的RST I/O 口是否為高電平以確定對(duì)應(yīng)按鍵是否按下。在每次檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，通過(guò)變量去除按鍵抖動(dòng)的方法來(lái)確認(rèn)是否真正有鍵按下，從而消除按鍵過(guò)程中抖動(dòng)的影響。當(dāng)檔位按鍵第一次被按下時(shí)，對(duì)應(yīng)一號(hào)阻抗變換檔位的繼電器會(huì)吸合，使變換機(jī)構(gòu)的一號(hào)檔位接通，數(shù)碼管顯示的數(shù)字變成“1”，裝置開(kāi)始進(jìn)入阻抗變換工作狀態(tài)；當(dāng)檔位按鍵第二次被按下時(shí)，對(duì)應(yīng)二號(hào)阻抗變換檔位的繼電器會(huì)吸合，使變換機(jī)構(gòu)的二號(hào)檔位接通數(shù)碼管顯示的數(shù)字變成“2”，依次循環(huán)，直到切換到七號(hào)檔位時(shí)，再次按下檔位按鍵，系統(tǒng)會(huì)重新進(jìn)入待命狀態(tài)，阻抗變換工作被關(guān)閉。

當(dāng)復(fù)位按鍵被按下時(shí)，無(wú)論當(dāng)前阻抗變換裝置處于哪一個(gè)阻抗變換檔位、處于何種狀態(tài)，都會(huì)立刻停止阻抗變換工作，并復(fù)位進(jìn)入待命狀態(tài)。

4 可調(diào)阻抗匹配裝置的實(shí)測(cè)結(jié)果

4.1 阻抗匹配效果的測(cè)試數(shù)據(jù)

PZT 壓電陶瓷元件以其優(yōu)良的力電耦合性能和較高的居里溫度被廣泛應(yīng)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(gòu)建了高頻超聲信號(hào)激勵(lì)下PZT 壓電陶瓷的阻抗匹配效率測(cè)量系統(tǒng)，其中阻抗匹配裝置實(shí)物圖如圖10 所示。

圖10 阻抗匹配裝置實(shí)物圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，先在信號(hào)源中調(diào)制好需要加載的信號(hào)，然后對(duì)樣品進(jìn)行電加載，激勵(lì)信號(hào)由一臺(tái)射頻功率放大器(T&C Power Conversion, AG1006)作為信號(hào)源，該信號(hào)源可以輸出設(shè)定頻率的高頻信號(hào)并顯現(xiàn)當(dāng)前的輸出功耗和負(fù)載的反射、吸收功耗，實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)

首先不連接阻抗匹配裝置，射頻功率放大器產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)大小并計(jì)算功率吸收率，然后接上阻抗匹配裝置調(diào)節(jié)至適當(dāng)檔位，觀察同種輸出功率下吸收的信號(hào)大小并計(jì)算吸收率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，如果把射頻功率放大器產(chǎn)生的信號(hào)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(chǎn)生了嚴(yán)重的信號(hào)反射，PZT吸收的功率少，導(dǎo)致傳輸效率很低，接上阻抗匹配裝置調(diào)節(jié)至適當(dāng)檔位后，壓電陶瓷產(chǎn)生的反射信號(hào)明顯降低，信號(hào)傳輸效率均得到顯著提高，阻抗匹配裝置性能符合要求，實(shí)驗(yàn)取得了滿意的預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)該阻抗匹配裝置存在不足，由于磁環(huán)線圈體積的限制，其輸出阻抗放大或縮小倍數(shù)有限，從激勵(lì)信號(hào)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(hào)吸收率。

4.2 整機(jī)的測(cè)試結(jié)果

結(jié)合以STC89C52 芯片為主控制器模塊搭建的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)軟件系統(tǒng)中的檔位按鍵、復(fù)位按鍵、檔位顯示模塊和繼電器吸合控制功能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，各部件工作正常，符合程序邏輯，滿足預(yù)期要求。圖11 是檔位按鍵測(cè)試實(shí)物圖，可以看出數(shù)碼管顯示正確，對(duì)應(yīng)檔位繼電器正常吸合；圖12 是復(fù)位按鍵測(cè)試實(shí)物圖，可以看到按下按鍵后數(shù)碼管顯示數(shù)字歸零，繼電器全部斷開(kāi)。

圖11 檔位5測(cè)試

圖12 復(fù)位測(cè)試

5 結(jié) 論

為解決對(duì)功率超聲換能器壓電元件進(jìn)行強(qiáng)場(chǎng)性能測(cè)試時(shí)的阻抗不匹配問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)并制作了一款基于多重鐵氧體磁環(huán)線圈結(jié)構(gòu)且檔位可調(diào)節(jié)的阻抗變換裝置。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該阻抗變換系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)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(yīng)不同的負(fù)載和阻抗。該裝置可以減小功率損耗，在保證信號(hào)傳輸功率最大的同時(shí)，最大限度地延長(zhǎng)信號(hào)源及超聲換能器的連續(xù)工作時(shí)間及工作壽命，適合在功率超聲以及醫(yī)用超聲領(lǐng)域推廣使用。