压电换能器匹配电路的设计

压电换能器阻抗计算
压电换能器是一种能将机械能转化为电能的装置，其主要原理是利用压电材料的压电效应。

在应用中，常需要计算压电换能器的阻抗，以便确定其电路参数和性能特点。

压电换能器的阻抗计算是基于其电路模型和材料特性进行的。

首先，需要了解压电换能器的电路模型。

一般而言，压电换能器可以简化为一个等效的电路模型，包括一个压电元件和一个负载电阻。

压电元件可以用一个电容和一个电感来模拟，而负载电阻则代表了外部电路的阻抗。

接下来，需要考虑压电材料的特性。

压电材料具有特定的压电系数，即在施加力或应力时，会产生相应的电荷或电势。

这个压电系数可以用来计算压电元件的电容和电感。

在计算压电换能器的阻抗时，可以通过分析电路模型和材料特性，结合基本的电路理论和计算方法来进行。

其中，压电元件的电容和电感可以通过材料特性和几何尺寸来计算，而负载电阻则可以通过外部电路的特性来确定。

需要注意的是，压电换能器的阻抗计算需要考虑频率的影响。

由于压电材料具有频率依赖性，其电容和电感在不同频率下会有不同的数值。

因此，在计算阻抗时，需要考虑工作频率对电路模型和材料特性的影响。

压电换能器的阻抗计算是基于电路模型和材料特性的分析和计算。

通过合理的电路设计和材料选择，可以实现压电换能器在特定频率范围内的高效能转换。

这对于压电技术的应用具有重要的意义，例如在能量收集、传感器、声波发射和接收等领域中的应用。

目录前言 (1)第1章超声波清洗的原理与应用 (3)1.1 超声波清洗的原理 (5)1.2 超声波清洗的应用 (5)1.2.1超声波清洗的主要应用范围 (6)1.2.2通用超声波清洗机应用 (8)1.2.3 专用超声波清洗机应用 (10)1.2.4超声波清洗机应用于电镀前处 (11)第2章超声波发生器与换能器的概述 (12)2.1 产生超声波的功率源电路 (12)2.1.1声跟踪 (13)2.1.2电跟踪 (13)2.1.2.1阻抗电桥形式的动态反馈系统 (14)2.1.2.2负载分压方式的反馈系统 (15)2.1.2.3锁相式频率自动跟踪 (17)2.2 超声换能器的概述 (18)第3章超声波发生器与换能器的匹配设计 (19)3.1 匹配概述 (19)3.2 阻抗匹配 (20)3.2.1工作磁通密度B的选取 (20)3.2.2 要保证初级电感量足够大 (21)3.2.3 要考虑“集肤效应”的影响 (21)3.3 调谐匹配 (23)3.4 关于匹配电感的设计 (25)结束语参考文献致谢摘要清洗是一种与人们生活实践关系十分密切的劳动，人类从远古时期就开始从事这种劳动。

由于传统清洗操作简单，或只是作为一道工序依附于生产过程中，没有引起广泛关注。

进入21世纪，人们生活已经从温饱阶段进入到舒适时代，对于清洗产品越来越多的需求，加速了新产品研发步伐；同时，制造业的高速发展，也促进了清洗设备、清洗剂等企业的快速进步。

民用、工业两大清洗领域巨大的市场需求，造就了中国清洗行业崭新的未来。

清洗可以从不同的角度进行分类，根据清洗范围的不同，目前通常将清洗分为民用清洗和工业清洗两类,近年来，新技术也不断地被应用于清洗技术之中，如随着生物技术的发展，越来越多的酶和微生物在清洗技术中被使用。

这利用的是生物化学反应；在空气净化和水处理过程中，活性炭的使用也越来越普及，这利用的是吸附作用，另外，还有电解清洗等，因此，将清洗简单地分为几类，已经不能完全涵盖当前清洗技术飞速发展的现实状况。

Design of Input Matching Network for 150W PT
Power Converter
作者： 刘元超 张卫平 张晓强 张瑞
作者机构： 北方工业大学信息工程学院,北京100144
出版物刊名： 北方工业大学学报
页码： 23-27页
年卷期： 2014年 第3期
主题词： 压电变压器 窄带控制 输入匹配网络 谐振槽路
摘要：根据压电变压器（PT）的电气特性以及工作原理,本文提出了通过设计合理的PT输入匹配网络实现PT功率变换器窄带控制的新颖设计方法.本文的主要贡献是：1）分析输入匹配网络的功能,提出设计方法,并给出了计算网络参数的方法;2）Pspice仿真结果表明系统性能满足设计要求;3）制作了带有输入匹配网络的变换器原理样机,实物样机测试结果表明变换器能够实现窄带控制以及零电压开启,输出功率为150W,PT的效率约为90%.。

时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。

由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。

中国超声波论坛二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。

一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。

即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。

目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。

由高阻抗变换为低阻抗。

一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。

变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。

则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。

输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。

超声波换能器的匹配设计一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。

由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。

二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。

一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：式中，V Am为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。

即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。

目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。

由高阻抗变换为低阻抗。

一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。

变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。

则变压器初级的若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。

输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。

专利名称：压电超声换能器的LC匹配建模方法
专利类型：发明专利
发明人：王金栋,段发阶,蒋佳佳,彭呈祥,黄婷婷,程沁蕊申请号：CN201810680605.8
申请日：20180627
公开号：CN108920808A
公开日：
20181130
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及超声换能技术领域，为提出压电超声换能器的LC匹配系统。

为此，本发明采用的技术方案是，压电超声换能器的LC匹配建模方法，步骤如下：1)模型准备；2)模型假设；3)模型构成：确定各个常量、变量之间的约束关系，并简化，根据设计初衷，选择模型输入量、输出量，根据约束关系，推导输入量、输出量之间的函数关系；4)模型求解；5)模型分析；6)模型检验；7)模型应用：根据上述分析，分析上述优化的匹配方式的应用领域，并给出相应的器件选择、频率跟踪时的建议和策略。

本发明主要应用于压电超声换能器设计制造场合。

申请人：天津大学
地址：300072 天津市南开区卫津路92号
国籍：CN
代理机构：天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：刘国威
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电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering电子技术Electronic Technology 匹配电路的设计马跃李海峰(海装驻北京地区第八军事代表室北京市100000)摘要：本文根据匹配电路的技术指标，计算了匹配电路的电气参数，设计了匹配电路的组成器件，研制了匹配电路样机，并经测试 检验了设计的正确性。

关键词：发信机；匹配电路；可调电感1概述1.1主要指标匹配电路主要实现发信机输出阻抗与天线反馈阻抗的匹配，将输出功率最有效地传送到天线上，根据发信机整机方案，确定了匹配电路主要技术指标如下：(1) 承载功率：2l O O O k W;(2)频率范围：甚低频；(3) 冷却方式：自然冷却；(4) 匹配阻抗：输入8Q/输出10Q;1.2匹配电路组成图1:匹配电路原理匹配电路由2个可调电感线圈、1个电容装置和1个开关装置组成。

2匹配电路原理2.1电路原理信号功率由一电路传输至另一电路时，阻抗匹配非常重要，即要获得最大的功率输出，发信机输出的阻抗必须等于天线的阻抗。

甚低频发信机匹配电路的作用主要是将发信机功率放大器输出阻抗值变换的与假负载的阻值相等，以便设备首先在假负载上进行阻抗 匹配，获得了最大的功率后，再连接天线进行调试，以达到在天线 上辐射功率最大的目的匹配电路设计主要是设计将图1中的输入阻抗R1变换为阻抗 R2输出的匹配网络，R1为发信机功放分系统的输出阻抗，R2为 代替天线用于日常维护、调试发信机的假负载阻值，L I、L2为可 调电感装置，C为电容装置。

为满足发信机全频段工作的需要，根据频率的范围将发信机的 发射频率分为高、中、低三个波段，发信机工作时调节可调电感装 置L l、L2和增大或者减小电容装置C的电容量达到功放分系统输 出阻抗与假负载阻值（设定i o n)匹配，匹配电路具体的设计电路 原理图见图1。

发信机工作在不同的频段阻抗匹配所需要的电容值不同，低频 段需要的电容值最大，高频段需要的电容值最小。

超声波发生器与换能器的匹配设计时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。

由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。

中国超声波论坛二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。

一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。

即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。

目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。

由高阻抗变换为低阻抗。

一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。

变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。

则变压器初级的6.5Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。

压电换能器在谐振频率附近的等效电路仿真及实验研究付美荣;唐勇军;陈猛【摘要】For the difficult problems in determining the optimal parameters during matching impedance near the parallel resonant frequency of the piezoelectric transducer,the parameters of matching inductance were anylyzed imitatively during matching impedance using saber software. The effects of the inductance parameters matched on either large or small of the electric cuttent in the range of resonant series and parallel frequency and on the difference of phase between current and voltage in secondaryof high frequency transformer were studied. And the experimental studies and verifications were carried on the range of series and parallel resonant frequency under conditions of no-load or load. The results show that the piezoelectric transducer output current is at its maximum,and secondary side current and voltage phase difference of high frequency transformer is zero,when the matching inductor was adjusted to a suitable size. Under condition of no load,piezoelectric transducer working with series resonant will has a better work performance. However,under condition ofload,piezoelectric transducer works efficiently under parallel resonance zone.%针对压电换能器的串并联谐振频率附近难以确定其最优匹配阻抗参数等问题，采用saber软件对阻抗匹配过程中匹配电感的参数进行仿真分析，以研究匹配电感参数对串并联谐振频率区电流大小及高频变压器次级电流电压相位差的影响。

超声波发生器与换能器的匹配设计选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：陈思忠一、超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。

由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。

二、为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。

一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：式中，VAm为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。

即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。

目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。

由高阻抗变换为低阻抗。

一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。

变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。

则变压器初级的6.5Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。

输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。

第 43 卷第 5 期2023 年 10 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 5Oct.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis超声喷丸换能器的高电压阻抗匹配设计∗施陆锴，芦小龙，李武琴，钱丰，曹达，李华峰（南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京，210016）摘要研究了超声喷丸换能器在不同电压下的阻抗特性，设计了针对高电压驱动工况的阻抗匹配方法。

首先，采用功率放大器和示波器获取高电压下换能器两端的电压、电流以及相位差，计算得到阻抗特性曲线；其次，以工作频率下的阻抗为基准，计算并联匹配和串联匹配时的电感值，通过对比优选负载电路呈纯阻性的匹配方式，实现有功功率的最大化；最后，将匹配电路结合自制的驱动电源设计了超声喷丸成形驱动系统，利用激光位移传感器对比了匹配前后喷丸枪撞针振幅的变化。

结果表明，当以2.6 mH电感串联匹配时测得接入匹配电路后喷丸撞针冲击振幅由2.7 mm升至4.9 mm，验证了所提匹配方法的有效性。

关键词超声喷丸换能器；谐振频率；阻抗特性；匹配电路中图分类号TH39；TH69引言超声喷丸成形技术是一种利用超声换能器驱动金属介质（撞针或弹丸）产生高频冲击作用于金属表面，实现钣件成形与校形的先进冷加工无模成形技术［1‑2］。

超声喷丸成形技术具有能量密度高、操作方式灵活、加工成本低和绿色无污染等特点，目前已经在飞行器、船舶及汽车等工业领域得到广泛使用。

例如，法国SONATS的STRESSVOYAGER设备和德国KSA的7轴数控喷丸系统均在波音、空客等公司的诸多项目中发挥着重要作用，而国内相关的研制工作仍处于起步阶段［3‑5］。

作为超声喷丸成形系统的核心部件之一，超声喷丸换能器的工作特性直接决定了喷丸成形的效果。

由于在低频超声领域内对换能器功率以及端面振幅的要求较高，夹心式构型的超声换能器获得了广泛应用［6］。