王語(yǔ)彤，白景峰,2，吉翔,2

(1.上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海 200030；2.上海Med-X工程技術(shù)中心，上海 200030)

0 引言

治療超聲因其非侵入性和可重復(fù)治療等優(yōu)點(diǎn)，已在物理治療、藥物遞送和高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)等領(lǐng)域取得重大進(jìn)展[1]。治療超聲系統(tǒng)的超聲換能器作為電-聲轉(zhuǎn)換的核心部件，其阻抗特性和驅(qū)動(dòng)功率直接關(guān)系臨床治療的有效性和安全性[2]。因此，監(jiān)測(cè)治療超聲換能器工作時(shí)的電阻抗和驅(qū)動(dòng)功率，對(duì)治療超聲系統(tǒng)的正常工作具有重要意義。

目前測(cè)量超聲換能器的電阻抗主要有兩種方法：(1)使用阻抗分析儀(Impedance Analyzer,IA)或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)進(jìn)行離線測(cè)量[3]；(2)通過(guò)測(cè)量換能器的電壓、電流和相位差來(lái)計(jì)算阻抗。離線測(cè)量所用儀器價(jià)格昂貴(約$21 000)，換能器通常為容性負(fù)載，工作狀態(tài)下阻抗與靜態(tài)下所測(cè)結(jié)果可能不同。傳統(tǒng)的電壓-電流-相位差法使用電壓探頭和電流探頭連接示波器進(jìn)行測(cè)量，該方法可通過(guò)計(jì)算得到換能器工作狀態(tài)下的阻抗，但是探頭的線纜內(nèi)阻以及外部抖動(dòng)等因素可能使結(jié)果產(chǎn)生偏差，同時(shí)電流探頭受電流-頻率限制會(huì)在較高頻率下可能超出測(cè)量范圍[4-6]。對(duì)多陣元HIFU系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要對(duì)每路換能器添加一套探頭設(shè)備，成本過(guò)高。

通過(guò)電壓-電流-相位差法可得到換能器的驅(qū)動(dòng)功率[7]，還可使用功率計(jì)結(jié)合功率傳感器進(jìn)行測(cè)量[8-9]。是德公司自動(dòng)補(bǔ)償板(U1880A)可補(bǔ)償電壓探頭(AgilentTechnologies,Infiniivision DSOX4024 A)和電流探頭(Agilent Technologies,N2782B Cur‐rent Probe)的相位差，結(jié)合示波器自帶的功率組件(DSOX4PWR)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流以及兩者相位差和功率等的測(cè)量[10]。該方法測(cè)量簡(jiǎn)單但所需儀器較多，無(wú)法直接得到入射功率和反射功率，更適用于單個(gè)換能器驅(qū)動(dòng)功率的監(jiān)測(cè)。功率計(jì)與功率傳感器結(jié)合可得到換能器的入射功率、反射功率和駐波比等參數(shù)。功率計(jì)具有高精度和高靈敏性等優(yōu)點(diǎn)，但是難以集成。大多數(shù)功率計(jì)受采樣率影響更適用于連續(xù)波功率的檢測(cè)，能夠測(cè)量瞬時(shí)功率的功率計(jì)通常需要改變電路連接進(jìn)行侵入式測(cè)量。功率計(jì)和雙定向耦合器結(jié)合可監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)功率[11-12]，該方法易集成，但只適用于正弦波信號(hào)，通常需要提前測(cè)量正弦信號(hào)與實(shí)際輸出功率的關(guān)系再進(jìn)行擬合。

本文提出了一種可同時(shí)監(jiān)測(cè)換能器阻抗和驅(qū)動(dòng)功率的方法，并實(shí)現(xiàn)其測(cè)量裝置。分別使用諧振頻率為1.36 MHz 和3 MHz 的換能器，將該裝置測(cè)量得到的復(fù)阻抗、入射功率及有功功率與示波器電壓探頭、電流探頭和功率計(jì)測(cè)得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果驗(yàn)證了本方法的可行性和有效性。

1 換能器阻抗及驅(qū)動(dòng)功率測(cè)量原理及其實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證

1.1 阻抗及驅(qū)動(dòng)功率測(cè)量原理

通過(guò)換能器兩端的電壓和電流可計(jì)算得到換能器的阻抗和功率。將換能器兩端的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后相除得到換能器阻抗的幅度和相位。

其中：u(t)和i(t)分別是換能器的瞬時(shí)電壓和電流；U(f)和I(f)分別對(duì)應(yīng)u(t)和i(t)的傅里葉變換結(jié)果。φU(f)是電壓信號(hào)的相位，φI(f)是電流信號(hào)的相位。換能器阻抗的幅度和相位的計(jì)算公式為

換能器阻抗Z(f)表示為

其中：R(f)為換能器阻抗的實(shí)部；X(f)為換能器阻抗的虛部。R(f)和X(f)的表達(dá)式為

因此，通過(guò)工作中換能器的電壓和電流信號(hào)計(jì)算出其在諧振頻率點(diǎn)的阻抗，還可通過(guò)電壓和電流信號(hào)計(jì)算出換能器總功率，再通過(guò)換能器阻抗的相位計(jì)算出換能器的總功率P和有功功率Pa，表達(dá)式分別為

通過(guò)P和Pa計(jì)算換能器在工作狀態(tài)下的反射系數(shù)τ、電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)、入射功率Pf和反射功率Pr。

其中：Z0為功率放大器的輸出阻抗，一般為50 Ω。

1.2 阻抗及驅(qū)動(dòng)功率測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)

測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了電壓-電流信號(hào)的測(cè)量及其測(cè)量結(jié)果的采集和處理。

1.2.1 電壓-電流測(cè)量

電壓和電流的測(cè)量須通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，但工作中換能器的電壓和電流無(wú)法直接采樣，需添加前置轉(zhuǎn)換電路，電路的拓?fù)淙鐖D1所示。圖1(b)中C為寄生電容，L為寄生電感。

圖1 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖[13]Fig.1 The diagram of voltage-current conversion circuit[13]

圖1 中，Vin(f)為激勵(lì)源電壓，Vout(f)為負(fù)載電壓，I(f)為主回路電流，前置轉(zhuǎn)換電路包括電壓分壓電路和電流信號(hào)檢測(cè)電路。設(shè)計(jì)電路板時(shí)選用的貼片電阻R1、R2和RS通常使用等效電路(圖1(b))來(lái)研究高頻下電阻工作特性。

圖1(b)的等效阻抗為

電壓分壓電路的基本原理為：通過(guò)R1和R2進(jìn)行串聯(lián)分壓，R1和R2的阻值要遠(yuǎn)大于負(fù)載阻值，C1和C2為可調(diào)電容，為抵消高頻工作下R1和R2的寄生電容和寄生電感的影響。輸出電壓V1(f)和Vout(f)負(fù)載電壓之間的關(guān)系為

其中：Z1，Z2分別為R1和R2的等效阻抗。因RS阻值需遠(yuǎn)小于負(fù)載阻值故VS(f)遠(yuǎn)小于Vout(f)，當(dāng)C2滿足：

可得：

電流檢測(cè)電路的基本原理為，通過(guò)RS將主回路的電流轉(zhuǎn)化為電壓，RS阻值需遠(yuǎn)小于負(fù)載阻值，C3和R3的作用是抵消高頻工作時(shí)RS的寄生電容CS和寄生電感LS。輸出電壓V2(f)的計(jì)算公式為

其中：ZS為RS的等效阻抗。兩式合并可得到：

其中：

當(dāng)滿足：

可得：

V2(f)通過(guò)差分放大電路后直接用于采樣。考慮到實(shí)際工作中換能器的電壓和電流的大小，R2為1 MΩ，R1由電阻分別為4.7，6.8，7.5 MΩ 的三個(gè)電阻串聯(lián)組成，因此該電壓分壓電路的分壓比為1/19。RS的阻值為0.1 Ω， 差分放大電路的放大倍數(shù)為20，因此電流轉(zhuǎn)換系數(shù)為2 V·A-1。

對(duì)電路板原理圖進(jìn)行仿真，缺少可調(diào)電容C1、C2、C3及可調(diào)電阻R時(shí)的仿真結(jié)果如圖2所示。其中，紅色、藍(lán)色、綠色和黃色信號(hào)分別對(duì)應(yīng)Vout(f)、VS(f)、Vin(f)和V1(f)，Ipp為通過(guò)負(fù)載電阻的電流峰峰值。理想狀態(tài)下應(yīng)滿足：四路信號(hào)的相位一致；紅色信號(hào)與藍(lán)色信號(hào)、綠色與黃色信號(hào)在刻度值比值為20 倍情況下基本重合，紅色信號(hào)峰峰值為電流峰峰值的2倍。圖2中的結(jié)果顯示在缺少可調(diào)電容和電阻時(shí)，電壓衰減比值小于20倍，且信號(hào)間存在相位差。如圖3所示，加入可調(diào)電容C1、C2、C3和電阻R后，信號(hào)間關(guān)系基本滿足理想情況。貼片電阻的阻值準(zhǔn)確度為±1%，通過(guò)C1、C2、C3和R3可將電壓和電流的測(cè)量誤差保持在5%以內(nèi)。實(shí)際采樣電路中，使用C1(0～6 pF)，C2(0～50 pF)，C3(0～6 pF)，R3(0～2 kΩ)進(jìn)行調(diào)試。

為驗(yàn)證實(shí)際電路板中電壓分壓電路和電流檢測(cè)電路是否達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)換比值，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生同頻正弦信號(hào)經(jīng)AB類功率放大器輸出，經(jīng)采樣裝置后連接在50 Ω 射頻電阻的虛擬負(fù)載上，測(cè)得負(fù)載兩端的電壓信號(hào)及其衰減后的電壓信號(hào)，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電容直至獲得預(yù)定電壓轉(zhuǎn)換倍數(shù)的波形。同理，在50 Ω 虛擬負(fù)載兩端串聯(lián)電流轉(zhuǎn)化模塊，測(cè)得負(fù)載的電流信號(hào)和輸出電壓信號(hào)，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電容直至獲得預(yù)定電流轉(zhuǎn)換倍數(shù)的波形。圖4表明電壓分壓電路已達(dá)到預(yù)定電壓轉(zhuǎn)換倍數(shù)，黃色為虛擬負(fù)載兩端的電壓信號(hào)，藍(lán)色為轉(zhuǎn)換后的分壓信號(hào)，兩者比率約20倍。

圖4 電壓分壓電路測(cè)試結(jié)果Fig.4 The test result of voltage divider circuit

圖5表明電流信號(hào)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)換倍數(shù)，綠色為流過(guò)虛擬負(fù)載的電流信號(hào)，紅色為經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)，兩信號(hào)的比值為2。轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)和電流信號(hào)與原信號(hào)之間存在固定的相位差，通過(guò)歸一化標(biāo)定處理。使用經(jīng)過(guò)電壓、電流轉(zhuǎn)換測(cè)試和標(biāo)定后的電路板進(jìn)行工作中超聲換能器阻抗及功率的實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖5 電流檢測(cè)電路測(cè)試結(jié)果Fig.5 The test result of current detection circuit

1.2.2 數(shù)據(jù)采集和處理

圖6 為NI 集成系統(tǒng)，內(nèi)部配置SCOPE 數(shù)據(jù)采集卡。SCOPE 數(shù)據(jù)采集卡共有8 個(gè)端口供同時(shí)采樣，采樣率為60 MHz，采樣位數(shù)為16 bit，量程為10 V。電壓和電流轉(zhuǎn)換電路通過(guò)調(diào)整可調(diào)電容和可調(diào)電阻，將轉(zhuǎn)換后的電壓、電流信號(hào)接入SCOPE采集卡端口采樣，結(jié)果經(jīng)LabVIEW 程序重采樣，再通過(guò)傅里葉變換計(jì)算工作中換能器的實(shí)時(shí)阻抗和驅(qū)動(dòng)功率。采樣數(shù)據(jù)在LabVIEW 程序中進(jìn)行傅里葉變換后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化標(biāo)定處理。

圖6 數(shù)據(jù)采集和處理模塊Fig.6 Module of data acquisition and processing

1.3 阻抗及驅(qū)動(dòng)功率測(cè)量可行性驗(yàn)證

圖7為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所使用儀器布設(shè)示意圖。在功率放大器與電壓電流轉(zhuǎn)換電路之間連接功率計(jì)來(lái)測(cè)量入射功率、反射功率和駐波比。將電壓探頭和電流探頭兩端分別連接示波器來(lái)測(cè)量電路中電壓信號(hào)和電流信號(hào)的幅度和相位差再進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定流程如下：(1)從1.36 MHz和3 MHz的換能器中隨機(jī)各取一個(gè)，在電壓有效值分別為30、40、50 mV的條件下分別記錄示波器與采樣模塊的數(shù)據(jù)，求出不同幅度下的相位差，將得到相位差值的平均值在Lab‐VIEW程序中進(jìn)行標(biāo)定。求得在不同電壓下示波器與采樣模塊的阻抗幅度的比值，取比值的平均值進(jìn)行標(biāo)定。功率標(biāo)定也取比值的平均值在LabVIEW程序中進(jìn)行。(2)使用示波器和采樣模塊測(cè)量頻率為1.36 MHz 和3 MHz 的換能器，換能器分別經(jīng)過(guò)三個(gè)同一批次的電路板后得到的阻抗和功率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示同一換能器在不同電路板下測(cè)量結(jié)果基本一致。表1為所使用的測(cè)量裝置及儀器。

表1 換能器阻抗和功率實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)試所用儀器Table 1 Instruments used for real-time measurement of impedance and power of transducers

圖7 換能器測(cè)試驗(yàn)證所用儀器布設(shè)示意圖Fig.7 Layout diagram of instruments for test and verification of transducer

1.3.1 示波器與數(shù)據(jù)采集模塊的阻抗和相位對(duì)比

使用示波器的功率組件測(cè)量換能器的阻抗和功率，以示波器的測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)，與數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，比較分析誤差。以諧振頻率為1.36 MHz(3 個(gè))、3 MHz(3 個(gè))的換能器為負(fù)載，信號(hào)發(fā)生器輸出電壓有效值為30～70 mV、步長(zhǎng)有效值為10 mV。以示波器的阻抗和相位為基準(zhǔn)，相位角精度為0.01°，阻抗精度為0.01 Ω。將采樣結(jié)果與之對(duì)比，差值表達(dá)式為

其中：ZNI、φNI分別為采樣得到的阻抗與相位，ZOSC、φOSC分別為示波器測(cè)量得到的阻抗與相位。

1.3.2 功率計(jì)與數(shù)據(jù)采集模塊的功率對(duì)比

使用功率計(jì)與功率傳感器相結(jié)合的方式來(lái)測(cè)量入射功率、反射功率和駐波比。以諧振頻率分別為1.36 MHz(3 個(gè))、3 MHz(3 個(gè))的換能器為負(fù)載，信號(hào)發(fā)生器輸出電壓有效值為30～70 mV，步長(zhǎng)有效值為10 mV，功率精度為0.01 W。以功率計(jì)的入射功率、反射功率以及有功功率為基準(zhǔn)，將功率計(jì)與采樣的功率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差表達(dá)式為

其中：δf、δa分別為入射功率和有功功率的相對(duì)誤差。Pf、Pa為本裝置中采樣得到的入射功率和有功功率；Ppf、Ppa為功率計(jì)測(cè)量得到的入射功率和有功功率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 和圖9 為信號(hào)發(fā)生器輸出電壓有效值為30～70 mV，步長(zhǎng)有效值為10 mV正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)AB類功率放大器后，諧振頻率分別為1.36 MHz 和3 MHz的換能器各三個(gè)測(cè)量結(jié)果與示波器測(cè)量結(jié)果對(duì)比。圖8為阻抗測(cè)量結(jié)果對(duì)比，橫坐標(biāo)Urms為有效電壓，實(shí)線和虛線分別表示阻抗的模和阻抗相位角。圖9為驅(qū)動(dòng)功率測(cè)量結(jié)果對(duì)比，藍(lán)色和綠色分別表示總功率和有功功率。結(jié)果表明，在相同的電壓激勵(lì)下，通過(guò)實(shí)現(xiàn)裝置測(cè)量的阻抗和功率與示波器結(jié)果有較高一致性。其中，阻抗幅度的誤差平均值為2 Ω，阻抗幅度的最大差值為5.25 Ω，阻抗相位的誤差平均值為2°，阻抗相位誤差最大為3.46°?？偣β屎陀泄β势骄`差分別為0.3 W和0.2 W，最大誤差為0.98 W和0.55 W。

圖8 不同激勵(lì)電壓下本裝置測(cè)量的換能器與示波器阻抗測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of the impedances of transducers measured by the developed device and the oscilloscope at different driving voltages

圖9 不同激勵(lì)電壓下本裝置測(cè)量的換能器與示波器驅(qū)動(dòng)功率測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of the driving powers of transducers measured by the developed device and the oscilloscope at different driving voltages

為研究工作狀態(tài)與靜態(tài)時(shí)換能器阻抗的變化情況，使用阻抗分析儀得到1.36 MHz 換能器T1～T3在諧振頻率下復(fù)阻抗分別為150.60－j29.27、126.64－j39.93、145.46－j11.70。諧振頻率為3 MHz換能器T4～T6在諧振頻率下復(fù)阻抗為13.18－j11.86、16.63－j11.22、20.50－j12.78。結(jié)果顯示在工作狀態(tài)下?lián)Q能器的阻抗會(huì)發(fā)生變化。

為研究本裝置可測(cè)量頻帶范圍，信號(hào)發(fā)生器分別輸出頻率為1 MHz、2 MHz 和3 MHz 的正弦信號(hào)，負(fù)載為50 Ω射頻電阻，圖10所示為本裝置與示波器測(cè)量結(jié)果對(duì)比，圖10(a)實(shí)線表示阻抗幅度，虛線表示相位。圖10(b)實(shí)線表示總功率，虛線表示有功功率 。結(jié)果表明在1～3 MHz 頻率范圍內(nèi)阻抗模差值可保證在±3 Ω 內(nèi)，相位角變化在±2°內(nèi)，功率差值在±0.2 W內(nèi)。在相同激勵(lì)電壓信號(hào)下隨頻率增大負(fù)載阻抗模和相位角變大，呈感性，總功率和有功功率逐漸變小。使用阻抗分析儀測(cè)得在頻率為1 MHz、2 MHz 和3 MHz 時(shí)50 Ω 射頻電阻的阻抗51.73+j4.17、51.89+j8.02、51.99+j11.93。結(jié)果顯示在工作狀態(tài)下50 Ω 射頻電阻的阻抗也會(huì)發(fā)生類似變化。

圖10 不同激勵(lì)電壓下本裝置測(cè)量的負(fù)載50 Ω 射頻電阻在不同頻率的阻抗和驅(qū)動(dòng)功率與示波器測(cè)量結(jié)果的比較Fig.10 Comparison of the impedances and driving powers of the load of 50 Ω RF-resistor measured by the developed device and by the oscilloscope at different frequencies with different voltages

圖11為使用諧振頻率為1.36 MHz 和3 MHz 換能器在本測(cè)量裝置得到的入射功率、有功功率與功率計(jì)測(cè)量結(jié)果的誤差δf、δa和實(shí)際功率P的散點(diǎn)圖，共包含30 組樣本。入射功率的平均測(cè)量誤差為2.2%，最大誤差為6.8%。有功功率平均測(cè)量誤差為4.8%，最大誤差為12.7%。當(dāng)實(shí)際功率過(guò)小時(shí)，測(cè)量誤差可能導(dǎo)致示波器與本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差大于10%。

圖11 本文裝置測(cè)量的1.36 MHz 和3 MHz 換能器入射功率、有功功率與Bird4421功率計(jì)所測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差Fig.11 The relative errors of incident power and active power of the 1.36 MHz and 3 MHz transducers measured by the developed device and by Bird 4421 power meter

3 分析與討論

換能器阻抗和驅(qū)動(dòng)功率的實(shí)時(shí)檢測(cè)是治療超聲系統(tǒng)質(zhì)量保證的重要組成部分。本裝置使用諧振頻率分別為1.36 MHz 和3 MHz 的換能器驗(yàn)證換能器實(shí)時(shí)阻抗和驅(qū)動(dòng)功率測(cè)量的可行性和準(zhǔn)確性。Jin等[6]提出改進(jìn)后電壓-電流法(Improved Voltage-Current,IVC)和相位差(Phase Difference,PD)法實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗的在線測(cè)量，兩種方法阻抗模和相位角誤差保持在3.9%和13.11%。其中IVC 方法由于探頭噪聲的影響在3 MHz及以上高頻存在一定程度偏差。受非理想線纜影響頻率越低時(shí)PD法的測(cè)量結(jié)果誤差越大，PD 法的激勵(lì)信號(hào)類型受限為極短脈寬的方波。本研究中諧振頻率在3 MHz以下?lián)Q能器的阻抗模和相位角測(cè)量結(jié)果誤差均在5%以內(nèi)，使用自制電路板進(jìn)行電壓、電流信號(hào)采樣，在一定程度上避免了電壓、電流的探頭噪聲和測(cè)量誤差。Adams等[10]同樣使用電壓-電流方法進(jìn)行功率測(cè)量，使用測(cè)量得到的有功功率對(duì)聲功率進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示誤差為5%，該誤差僅為測(cè)量得到電功率預(yù)測(cè)的聲功率與實(shí)際聲功率誤差，未考慮因線纜、探頭噪聲造成的電功率測(cè)量本身的測(cè)量誤差。該方法對(duì)于正弦波和方波皆適用，可以有效補(bǔ)償?shù)珶o(wú)法避免諧波失真。龐博等[12]將雙定向耦合器與功率檢波器結(jié)合，得到入射功率和有功功率誤差分別低于10%和5%。受耦合器方向性限制存在一定的測(cè)量誤差。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別以功率計(jì)和示波器的功率組件為參考，在進(jìn)行阻抗測(cè)量的同時(shí)直接得到實(shí)時(shí)功率，測(cè)量得到的入射功率和有功功率平均誤差為2.2%和4.8%。

如圖8、9 中所示，不同激勵(lì)電壓下，諧振頻率為1.36 MHz 換能器的阻抗模和相位角存在不一致性，即阻抗模差值超過(guò)±15 Ω，相位角差值超過(guò)±15°。諧振頻率為3 MHz換能器的測(cè)量結(jié)果一致性較好，但是阻抗模和相位角仍有一定變化。以上結(jié)果說(shuō)明激勵(lì)電壓會(huì)引起換能器的阻抗變化，原因可能是不同激勵(lì)電壓使阻抗產(chǎn)生溫度漂移[14]。不同激勵(lì)電壓下示波器和本系統(tǒng)測(cè)量的工作中換能器阻抗結(jié)果對(duì)比顯示，誤差最大不超過(guò)5%。對(duì)比實(shí)際工作時(shí)換能器阻抗與靜態(tài)阻抗測(cè)量結(jié)果，結(jié)果表明，在工作狀態(tài)下?lián)Q能器的阻抗模和阻抗角均會(huì)發(fā)生較大改變，這可能是非冷卻條件下?lián)Q能器工作時(shí)溫度上升產(chǎn)生的阻抗溫漂所導(dǎo)致。圖10 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本裝置可在0～3 MHz頻帶下準(zhǔn)確測(cè)量換能器的阻抗和功率，帶寬主要受電路中運(yùn)算放大器和采集模塊的采樣率限制。如圖11所示，在頻率1.36 MHz 和3 MHz 處，換能器的有功功率相對(duì)誤差比入射功率大，且較為分散。這是因?yàn)樵?～10 W 功率范圍內(nèi)，功率計(jì)測(cè)量得到反射功率約1 W，讀數(shù)誤差較大導(dǎo)致計(jì)算得到的有功功率相對(duì)誤差較大。

4 結(jié)論

本文研制了一種采用電壓-電流-相位角法的實(shí)時(shí)阻抗和功率測(cè)量裝置。結(jié)果表明該裝置可在0～3 MHz頻帶內(nèi)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量換能器阻抗和驅(qū)動(dòng)功率，阻抗幅度的平均誤差為±2 Ω，相位平均誤差為±2°，入射功率的平均相對(duì)誤差為2.2%，有功功率的平均相對(duì)誤差為4.8%。大多數(shù)治療超聲系統(tǒng)如HIFU、碎石機(jī)等都使用脈沖波工作模式，本文采用正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，下一步可以將本裝置拓展至測(cè)量脈沖波模式下?lián)Q能器的阻抗和驅(qū)動(dòng)功率。治療超聲常用壓電陶瓷材料制作換能器，本文未考慮換能器溫度改變對(duì)阻抗特性和驅(qū)動(dòng)功率的影響[15]，也并未對(duì)換能器的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可添加溫度測(cè)量裝置研究換能器溫度-阻抗以及溫度-驅(qū)動(dòng)功率變化。