换能技术论文

2024-10-15

换能技术论文（共7篇）

换能技术论文篇1

摘要：采用高强度聚焦超声 (HIFU) 治疗肿瘤是近年来众多学者研究的领域, 如何增强超声波束在病变区域的辐照能量从而提高治疗效率是一个很关键的问题。文章基于目前常用的聚焦换能器, 归纳介绍了当前关于聚焦换能器的研究成果和进展, 研究对比了新型换能器的聚焦特性, 提出了新的思路和方案。

关键词：高强度聚焦超声,换能器,研究

(一) 引言

高强度聚焦超声 (High intensity focused ultrasound简称HIFU) 技术起源于20世纪40年代, 其基本原理如图1所示, 是通过一定的方式使超声波透过体表后聚集在病灶组织上, 经过细胞与超声的相互作用, 在病灶组织内产生不可逆转的凝固性坏死, 从而达到治疗目的。该技术以其无创、无害、安全、有效等优势得到了国内外许多学者、医生及广大患者的重视和关注。目前, HIFU技术已在泌尿学、肿瘤学、神经外科、妇科、眼科等医学领域中被广泛应用和推广。

(二) 聚焦超声换能器

HIFU技术的核心器件是超声聚焦换能器, 它的任务是将电信号转换为超声波信号, 并通过一定的方式使超声能量高度集中在病灶部位, 形成很高的聚焦超声能量以达到消除病灶的目的。HIFU技术的应用对象是有生命的活体, 治疗过程中要利用高强度超声能量消除病灶, 但更重要的是要保证治疗对象的安全性, 所以实现超声能量精准聚焦即超声换能器的聚焦特性是HIFU技术治疗的关键。

常用的超声换能器一般都是用压电陶瓷、压电复合材料等制成, 这些材料具有压电效应和逆压电效应, 能够实现声能与电能的转换, 是超声换能器的功能部件。与光学聚焦原理相类比, 实现超声波聚焦有三种方式:凹球面自聚焦、反射镜聚焦、声透镜聚焦, 聚集原理如图2所示。

这三种超声换能器都能在一定条件下实现超声能量的聚焦。凹球面自聚焦是主动式声聚焦, 声透镜聚焦是辅助式的声聚焦, 而反射式聚焦则是被动式的。近年来, 研究人员将多个小压电陶瓷片镶嵌在一起, 通过电子调相, 将电子聚焦与声学聚焦结合在一起实现超声聚焦, 此类聚焦称为电子相控聚焦。

在高强度超声技术中多采用凹球面自聚焦、声透镜聚焦和电子相控阵等方式聚焦。凹球面自聚焦换能器的优点是可以根据病灶的不同深度进行调整, 工作时一般采用机械扫描方式, 是一种简单而常被采用的聚焦换能器。声透镜聚焦系统可根据临床需求实现焦距的变化, 在声源尺寸要求较小和浅表性病灶情况下具有优势。相控阵聚焦换能器是通过电子调相, 利用超声波换能器阵列探头来实现超声聚焦, 优点是不需要机械移动、扫描速度快、, 精确度高, 而且可以根据肿瘤的大小和位置来设定聚焦方式, 在临床治疗中有很强的实用价值;缺点是电子控制线路庞大而复杂, 在一定程度上限制了其发展与应用。

(三) 对聚焦换能器的技术改进

1. 聚焦方式的研究与改进

(1) 平面环形阵列换能器。在圆形活塞源中心挖掉一个同心的小圆形区, 就形成了环形平面声源。环形平面声源在空间任意点产生的声压可看成一个环的外径所围的正圆形平面活塞源和一个环的内径所围的负圆形平面活塞源在该点产生的声压叠加的结果。当多个圆环同时激励时, 各个圆在声轴上某点产生的声压会有相位差异。根据各圆环在声轴上某点产生的声压的相位, 就可计算出各环上所加电激励信号所需的延时, 使得各环在该点产生的声压同相, 即可在该点实现超声聚焦。

钱盛友等人引入负声源计算了凹球面状环形阵列换能器的声场特性, 研究分析了多环组合和多环相控时的聚焦情况。研究表明, 较小肿瘤治疗时选用单个窄环, 对于大范围治疗区域可通过多环组合实现多点加热治疗。这种换能器设计可以充分将自聚焦和相控聚焦结合起来, 适于高温使用, 结构简单, 是高强度超声加热治疗的理想声源。

(2) 凹球面状环形阵列换能器。由于球缺架构的自聚焦换能器具有良好的耐高温及聚焦性能等优点, 因此近年来人们主要研究这一类架构的相控问题。将凹球面压电陶瓷片分割成许多独立的环, 调整各环所加电激励信号, 使得在声场中某点的声压同相以实现超声聚焦。

钱盛友等人对热疗用凹球面状环形超声聚焦换能器的研究结果表明, 在凹球面换能器的自聚焦作用下, 单个凹球面状圆环在空间产生的声场仍然具有聚焦效果, 但焦点位置与环的宽度、孔径等因素有关, 且不在几何焦点处。多环组合后, 声场中的焦点不与单环辐射时的聚焦点对应, 当改变凹球面状圆环组合方式、各环激励信号的幅度或频率时, 声场的分布将发生变化, 且可获得多个焦点。对多环进行相控聚焦时, 焦点的位置在一定范围内可调, 但要注意凹面曲率半径的选择, 否则可能无法聚焦, 同时要充分考虑近场区的影响。当治疗较大区域肿瘤时, 可通过多环组合实现多点加热, 获得更好的治疗效果。这种聚焦换能器是将自聚焦和相控聚焦的特点结合起来, 结构简单且耐高温, 是高强度超声加热治疗的理想声源。

(3) 凹球面扇形阵列换能器。实践表明, 在频率和组织吸收系数不变的情况下, 声强越大、辐照时间越长、组织吸收的热量就越多, 温度上升也越快, 组织就越容易受损伤。因此, 治疗过程中要尽量减少健康组织所受的辐照量。孙俊霞等人从降低发射源声强和减少健康组织受辐照的时间这两方面考虑, 设计出了凹球面扇形阵列换能器。该换能器凹球面是由几个面积相等、形状相同的凹扇形换能器围成的换能器组, 图3 (a) 是换能器的立体模型, (b) 是换能器在与凹球面轴向垂直的平面内的投影。治疗时采取换能器轮流工作的方式, 每次只有相对的两个换能器工作, 同一时间内健康组织受辐照的面积将减少。

结果表明, 焦点位置相对变化非常小, 聚焦效果较理想, 并且对减少健康组织受到的辐照量非常有利。但是采用这种聚焦使健康组织所受辐射量减少, 同时病变组织所受的辐照量也减少, 超声聚焦效果有所减弱, 进而影响治疗效果。

2. 复频聚集超声换能器的研究

在实现超声聚焦时, 传统的方法都大多采用单一频率的超声波换能器, 而用同一聚焦系统实现两种频率超声的聚焦目前报道甚少。1996年日本学者S.Umemura等人在研究使用超声波激活酸性红杀死肿瘤细胞的实验中, 为了实现二次谐波和基波叠加而研制了一种特殊的复频聚焦超声换能器。它是将不同频率的PZT晶片各16个分别用环氧树脂粘在铝球壳凸面上, 结果在铝球壳凹面一侧就实现了两种频率超声的聚焦, 并且两个焦点重合。1999年, 沈壮志、尚志远等人通过研究双低频超声空化的现象发现, 在一定条件下, 双频声空化明显优于单频超声。后来他们又研制了一种新型复频聚焦换能器——400 kHz+800 kHz复频换能器, 以激活卟啉及其衍生物。是用环氧树脂将发射型高频PZT小圆片放在低频PZT圆环之中一起粘在有机玻璃透镜的平面上, 有机玻璃的辐射端做成凹球面以使两种频率超声的焦区基本重合, 实现两种频率超声叠加聚焦的目的。朱旭宁等人对复频聚焦超声换能器声场进行研究后发现, 复频换能器产生的两列声波发生声散射后变宽了声场频谱, 增加了空化核发生空化的机率, 从而加强超声空化效应, 提高了超声与血卟啉的协同抗癌效应。

He P Z等研制出了双频共焦的复合HIFU换能器, 该方法是将凹球面压电陶瓷晶片以同心圆切割成两个换能器, 采用双频工作模式。结果显示, 双频模式下频差声波促进了空化效应, 从而引起双频工作模式下的HIFU换能器产生的焦斑比单频模式下的焦斑区域明显偏大。

除此之外, Wu Xia和Michael Sherar等利用双声透镜研制出了可形成多焦点的、声束可控的换能器。北京仁德盛科技有限责任公司对单元式换能器的结构进行了改进, 在压电晶体的反面留有一个空腔, 让向后传播的那部分超声波有规律的反射回来恰好与向前传播的声波能量叠加, 以提高超声波换能器的效率。有学者从降低发射源声强和减少健康组织辐照的时间考虑对换能器进行改进, 提出引入具有双频工作模式和单频工作模式的新型HIFU换能器, 并用两种模式对离体猪肝组织进行辐照对比。结果在相同的辐照条件下, 双频模式HIFU产生的损伤明显大于单频模式时的损伤, 而且与相控阵聚焦换能器相比具有结构简单、成本低廉等优点。

3. 其它类型超声换能器的研究

由于气体和骨骼对声束的吸收、反射聚作用使得HIFU技术在该类介质中的应用受限, 有学者提出设计采用分片轮流发射的换能器思路。John Civale等将换能器的凹球面压电陶瓷晶片分割成面积相等的十片, 每片压电晶片都有一个驱动电源。在治疗过程中, 当遇到肋骨阻挡其中某一片的声波时, 可以通过关闭驱动电源使其停止工作。这样既避免肋骨对声场的影响, 又避免了HIFU治疗时对肋骨可能造成的损伤。

Otteson等设计的“双联模式”相控阵列聚焦换能器既具治疗功能又具成像功能。这种换能器是将一个球状阵列表面划分为2048个阵元, 其模拟声场显示出很好的聚焦特性。

(四) 研究展望

HIFU技术临床应用的关键就是使超声能量高度集中在特定位置处以增强病变区域的幅照效果和能量沉积, 这既要求超声换能器具有精准的聚焦特性, 又要尽量减少对健康部位的幅照损伤。鉴于HIFU技术的使用特点及其作用对象的特殊性, 改进和研制新型高强度聚焦超声换能器的聚焦系统、声学结构及聚焦方式等, 对提高HIFU技术治疗效果和临床推广有着重要意义。目前正在研究的一些改进方案有:用1-3型压电复合材料解决单元凹球壳形换能器沿辐射表面传播的板波附加辐射所引起近场干扰;用环形薄透镜代替单元平板附加透镜式换能器, 以减弱凹透镜外边沿厚度引起的附加衰减及相位变化;用随机稀疏布阵来克服多元相控阵换能器中因规律排列引起的旁瓣及栅瓣效应等。

随着科学研究的深入及所取得的一些突破性进展, HIFU的实用价值将被更深刻地认识, 其安全性、有效性的特点将使HIFU技术可能成为中晚期肿瘤主要的辅助治疗措施甚至可能取代部分手术, 加之一些应用研究领域的拓展, 将会使HIFU创造出更高的社会效益, 使该技术更好地服务于人类。

参考文献

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换能技术论文篇2

本文从濒海训练过程中发现的两栖装备碰撞损坏问题出发, 总结得出目前存在以下几个重要问题:①装备靠人工导航登舰, 登舰的方位容易偏离正确的行驶线路, 发生战车和登舰跳板钢缆的碰撞事故, 造成登陆舰舱门和车辆不同程度的损坏, 如图1所示。据统计, 某部5年海训下海装备故障统计, 装备上下登陆舰碰撞率在50%~60%之间, 造成了开展海训演习大项任务后大量两栖装备需要维修。②如果碰撞严重, 可能会撞坏两栖装备浮箱, 影响装备下水后的浮力, 甚至撞坏登陆舰登舰跳板的牵引钢缆, 使舰艇不能登舰。在登陆作战时, 这样的事故将大大降低装备完好率, 甚至影响战局的成败。③由于人工目视登舰, 在装备不能完全对准舰艇舱门时, 只能重新驶离舱门, 重新开始下一轮登舰操作, 影响作战预备时间, 降低作战效率。④在风浪较大的时候, 仅靠人工目视指挥根本无法执行登舰操作。⑤由于缺乏盲视登舰设备, 目前登舰操作一般只能在白天进行, 不符合实战化训练的要求。因此, 亟需研究一种性能可靠, 适用于全天候复杂海况, 类似于舰载飞机的盲降导航系统, 应用于两栖装备的高精度入舰导航, 用来引导装备以正确的航线和航行姿态登舰, 减少装备与登陆舰舱门的碰撞机率。

本课题的研究成果可以直接应用于功能用途相近的装备上, 其主要意义如下:①提高恶劣海况下的两栖装备登舰能力, 解决以往恶劣海况无法登舰的问题;②解决了夜间登舰的问题, 使两栖装备的登舰从白天扩展到全天候登舰;③缩短了常规战前预备时间, 提高部队快速反应能力;④减少每年濒海训练阶段两栖装备的损坏率, 降低日常维护费用。

从国内外公开发行的资料和各种网上信息来看, 目前没有直接应用于两栖装备入舰导航的专用系统。但从单纯的导航和盲降、盲驶技术来分析, 目前普遍使用的导航 (引导) 技术包括:GPS全球定位导航技术、基于GPRS和CDMA的定位导航技术、电磁感应制导技术、磁制导技术、光学制导技术、舰载飞机着陆导航系统和汽车倒车引导系统。通过对从上述几种导航技术的比较可以得出, 这些常用的这些导航和引导技术都有各自应用的领域, 但对于两栖装备入舰导航并不适合。因此, 必须从两栖装备的特点出发, 设计一种性能可靠、精度高、适合海上作业的入舰引导系统。

1 系统设计

1.1 基本功能及技术指标

入舰引导系统工作示意图如图2所示, 在半径为200 m, 发射角为120°的扇形工作区间里, 各种两栖装备随车安装的导航系统通过水下探测器接收到登陆舰发射的超声定位脉冲信号, 通过车载终端的分析和计算, 获得当前车辆的实际位置, 通过驾驶员前的显示屏, 发出车辆的位置和偏离航线情况, 实现盲视驾驶, 提高恶劣海况和黑夜中的登舰作业能力。

因此, 两栖装备入舰引导系统应具有以下功能:①解算装备的运动参数。利用水声定位与导航技术, 解算装备的运动参数, 比如装备与舰门中心线的偏离参数。②基于实时场景图像的登舰引导。通过实时显示装备的当前方位与舰门中心线偏离图像信息, 引导装备向舰门的中心线航行并登舰。

系统主要技术指标为:①50 m以外的测向误差小于1°;②50 m以内的测向误差小于0.5°, 测距误差小于10%;③最大声纳导航范围为150 m;④最大图像引导范围为300 m。

高精度导航系统主要由舰载设备、水下设备和车载设备所构成。其中, 舰载设备包括超声信号源和调制器、发射机、射频同步信号发射机和舰载电源;水下设备由发射换能器和接收换能器组、进舱电缆、水密接线盒等部件组成;车载设备主要由接收机、同步信号接收器、信号处理单元、嵌入式系统、车载触摸屏和车载电源所组成。系统方案设计框图如图3所示。

1.2 分系统功能描述

各子系统功能描述如下。

1.2.1 信号发生及调制子系统

该子系统产生的超声信号与一般的测距系统不同, 根据系统精度和响应速度的要求, 选择一种调制的脉冲超声波作为本系统的基站信标。由于系统有两个基站, 所以分A、B两套信号标识系统, 用不同的发射频率进行同步发射, 在接收机端分别用水听器和接收器进行区分, 获得两个基站的信号。

1.2.2 射频同步信号发射器和接收器

同步控制器有两个作用:①控制两路信标发生器在同一时间发射超声波脉冲;②启动接收电路计数器, 接收电路先后接收到的两路超声波脉冲形成与距离成正比宽度的脉冲信号。其可分为一个发射模块和三个接收模块。

1.2.3 发射机

根据超声频率和换能器的不同以及作业范围的大小, 选择设计高性能的超声波信号发射机。本系统选择的发射机功率在400 W左右。

1.2.4 发射换能器

超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶体换能器两类。属于磁致伸缩换能器的有镍片换能器和铁氧体换能器。镍片换能器的工艺复杂, 价格昂贵, 所以至今很少使用;铁氧体换能器的电声转换效率比较低, 一般使用1~2年后效率下降, 甚至几乎丧失电声转换能力。目前, 广泛使用压电晶体换能器。这种换能器电声转换效率高, 原材料价格便宜, 制作方便, 也不容易老化。常用的材料有石英晶体、铁酸钡 (Ba Ti O) 和错钦酸铅 (Pb Ti Zr O, 简称PZT) 。

1.2.5 水听器

可以采用增压型水听器杆的方式来实现。增压型水听器杆是由多片压电陶瓷PZT薄圆片按一定间距, 同轴安装在由两个半圆拼合而成的长圆柱金属杆内。其形状为长圆柱, 也被称为杆型水听器。由于该水听器的一阶谐振频率较高, 特别适用于作为小信号的宽带发射换能器或作为宽带接收传感器使用。

1.2.6 接收机和信号预处理单元

包括前置低噪声放大电路、滤波电路和信号整形电路。其结构如图4所示。

2 换能器方案论证

发射换能器的宽带技术、发射机之间宽带匹配技术以及接收基阵的减振、降噪技术是本课题的技术难点。目前, 国内市面上销售的低功耗超声波探头, 一般不能用于探测长距离。美国AIRMAR公司生产的Airducer AR30超声波传感器的作用距离很远, 但价格较贵。目前作用距离近百米 (空气中) 的换能器, 一般工作频率不高, 为十几千赫兹, 功耗和体积较大, 发散角较小, 其内部结构多为压电晶体型, 可承受大电压, 对电流要求不高。本系统中使用的长距离超声测距传感器也属于压电晶体型, 考虑到超声测距传感器的性能、安装尺寸和现场测试等问题, 所选换能器的工作频率范围通常在10~20 k Hz之间, 同时增大换能器的输出能量, 可以制成较大作用距离的超声波传感器。为了获得较好的声场, 发射换能器所发出的声信号要具有理想的发射参数。为了实现换能器的宽带工作, 同时减小发射基元的研制风险, 将对多种方案同时研究, 选取最佳方案来实现本课题的发射换能器。本系统有两个基站, 频率不同, 所以要求换能器有带宽要求。

2.1 方案一:用匹配层换能器作为发射基元

一种方案是采用匹配层换能器来作为发射基元, 如图5所示。匹配层技术主要是在换能器辐射面与水介质之间增加一层或数层具有一定声特性阻抗的材料。粘贴匹配层材料对于换能器相当于增加了参与振动的部件, 或者说增加了负载质量, 换能器的基频就会降低。由于匹配层材料的声特性阻抗小于换能器上任意部件的特性阻抗, 它的第二谐振频率 (厚度振动频率) 同样降低, 这就形成两个靠近的谐振峰, 从而拓宽了工作频带。这两个谐振峰的大小和间距取决于匹配层的厚度、声速、密度, 也与换能器本身的特性有关, 如图6、图7所示。

2.2 方案二:用特定的宽带换能器

另一种方案是采用纵向振动与换能器前盖板弯曲振动的相复合的宽带换能器, 如图8所示。这类换能器的工作频带中有两个模态参与振动:一个是换能器的纵向振动模态, 另一个是换能器前盖板的弯曲振动模态。换能器的实测电压发送响应和换能器的实测指向性如图9和图10所示。

3 发射基阵设计与仿真

发射基阵由48个发射模块所组成, 每个模块包含有18个发射换能器, 波束宽度为1°, 其示意图如图11所示, 发射基阵在纵向方向上的指向性如图12所示。

为了使发射基阵具有比较大的波束偏转角, 单个发射换能器在水平维上必须具有足够宽的指向性, 即单个发射换能器在水平维上的尺寸a≤λ/2。单个换能器的指向性如图13所示。

两个发射模块在0°、-30°-60°和-75°时的横向波束如图14所示:

在两个发射模块中, 在不同的相位延迟角下, 所对应的波束转动角、指向性指数和指向性指数下降量如表1所示。

当基阵进行大角度旋转时, 基元上的相位延迟角与实际波束转动角之间会存在一定的偏离, 我们称之为主波束偏离。其产生的主要原因是基阵最终的方向性是由基阵因子 (无方向性点元所构成基阵的方向性) 和基元方向性的乘积而成的, 即:

式 (1) 中:P (θ, θ0) 为基阵最终的方向性, E (θ) 为基元的方向性, Ax (θ, θ0) 为基阵因子。

当θ=θ0时, 基阵因子Ax (θ, θ0) =1, 达到最大值;当θ稍小于θ0时, 尽管Ax (θ, θ0) 略为减小, 而基元方向性E (θ) 却有较大的增加, 总的结果使作为E (θ) 和Ax (θ, θ0) 乘积的P (θ, θ0) 有所增加, 且在θ1处使P (θ, θ0) 达到最大。此时, 主波束偏离角为Δθ=θ1-θ0, 基阵因子越小时, 主波束偏离角就越小;基元因子越大, 主波束偏离角也越小。这个现象在大角度扫描的基阵中都会出现的。

为了防止在大角度旋转时出现比较大的旁瓣, 对发射阵中的基元采取幅度加权。加权方案是采用线性衰减, 其加权系数与基元的位置坐标如图15所示。

加权之后, 两个发射模块在0°、-30°-60°和-75°时的横向波束如图16所示。

加权以后, 在不同的相位延迟角下, 所对应的波束转动角、指向性指数如表2所示。

4 车载信号模块设计

当两栖装备入舰引导系统正常工作时, 随着两栖车辆由远及近航行, 车载换能器的输出信号幅度会逐渐增大, 信号最大幅度与最小幅度的比值达到50倍以上。如果放大器的放大倍数固定, 很可能引起信号限幅现象。因此, 在作A/D采样前, 必须动态调整信号放大器的倍数。这主要通过自动增益控制 (AGC) 模块来实现。在车辆航行时, 螺旋桨、结构件的振动噪声比较大。为了降低处理频段之外的干扰对有用信号的影响, 在前置信号调理器内增加了有源带通滤波器, 很好地滤除了低频和高频声干扰成分。

根据系统的功能要求, 设计了车载信号模块的硬件原理图, 如图17所示。图17中换能器端的前置放大、电路板1上的带通滤波和TVG均属于信号调理器, 主要实现模拟信号的滤波、放大等功能。电路板1上A/D采集和大容量数据缓冲区用于采集模拟信号。电路板2上的信号发生器和功率放大模块用于发射避障脉冲。工控机用于接收和处理数字信号、送显处理结果, 控制系统的运行等。

4.1 信号处理

两栖装备入舰引导系统的核心是实时估计装备的对中偏角和距离。作数字处理信号时, 先截取PCW信号, 估计出装备运动引起的多谱勒频移, 并对多谱勒频移作补偿, 计算多组拷贝信号, 然后对降采样后的基带信号作匹配滤波, 计算三路宽带脉冲信号到达车载接收换能器的时刻点, 再计算它们的时延, 最后利用球面波传播模型计算出坦克对中偏角和距离, 信号处理流程如图18所示。

目标的距离估计精度受制于发射基阵物理孔径的大小。这是由于目标距离越远, 声信号的球面波传播模型越来越接近平面波模型, 对中偏角的估计精度降低很少, 但距离估计误差越来越大。

4.2 模型仿真

对4.1中所述的球面波传播模型进行计算机仿真, 发射阵孔径设置为8 m (即阵元间距为4 m) , 接收端在正横方向 (即0º方向) , 目标的距离由远及近逐渐改变, 利用球面波模型模拟出不同距离下的声信号, 再迭加各向同性、空间均匀的海洋环境噪声, 对此模拟信号作信号处理, 估计目标距离。多次作模拟, 横坐标表示设定的距离, 纵坐标表示信号处理的估计结果。结果如图19所示。

从图19可以看出, 随着目标距离的增大, 估计出的距离越来越发散, 即距离估计误差在增大。这些仿真并没有考虑多路径传播、多谱勒频移、发射换能器的安装位置误差等因素, 实际的距离估计误差大于仿真值。

实际发射换能器阵的基阵孔径约5.3 m, 远处目标的距离估计误差非常大。根据海洋原理验证实验的处理结果和实际登舰引导的需求, 初步选择50 m作为一个门限。连续多批估计距离小于此值时, 就认为装备已经前进至50 m内。此时, 将绘制出距离-方向历程图, 即装备的近距离航迹图。由于距离估计误差较小, 航迹图比较连续, 便于引导驾驶员登舰。否则, 仅绘制方向历程图。

三路宽带脉冲信号传播时, 所经过的海洋信道接近, 它们的多路径传播特征很相似, 图20表示复杂环境下的一组多路径结构图, 各个脉冲信号的多路径特征有很多相似性, 通过作谱相关处理就可以准确估计出通道间的时延, 从而准确估计出装备的距离和方向。

为了补偿目标相对运动引起的多谱勒频移, 先根据PCW信号粗算多谱勒频移, 再以此多谱勒频移作为中心频率, 划分一个可能的频移区间。根据宽带信号的多谱勒容限, 生成覆盖该频移范围的多个拷贝信号, 分别与接收的宽带导航信号作匹配滤波, 如图21所示。匹配滤波后的相关峰越高, 说明多谱勒补偿越好, 最后选择相关峰最高的相关谱作后续处理。

由于信号处理方案充分考虑到海洋声道的复杂性并采取了必要措施, 从几次实验结果可以看出导航算法在原理上的可行性。实际对中偏角估计精度远高于技术指标, 距离估计精度能够满足技术指标。

5 海上实验

为进一步验证入舰引导方案, 我们在真实海洋环境进行实车实验。实验内容主要包括:①通过静态试验.验证引导算法在浅水波导条件下的性能, 比较分析各个宽带脉冲的多路径传播现象, 验证提高时延估计精度的谱相关计术。②作动态试验。在接收端运动的情况下, 分析多谱勒频移对估计精度的影响, 对拷贝信号作多谱勒频移补偿, 验证运动状态下导航算法的可行性及性能。静态实验结果及软件界面见图22。

通过本次实验, 可得到如下结论:①在水声情况比较复杂的海洋环境, 表现出明显的多路径传播现象, 如图23所示。采用谱相关处理, 能够大大提高导航算法的可靠性和稳定性。②目标相对运动引起的多谱勒频移, 会大大降低匹配滤波器的相关性, 从而降低时延差估计精度。对拷贝信号作多谱勒频移补偿后, 引导算法的性能接近静止状态下的性能。因此, 无论是在静止还是在运动状态下, 两栖装备入舰引导算法是可行的, 性能可靠、稳定。作多谱勒补偿和谱相关处理后的一组动态实验结果如图24所示。

6 小结

本系统以水下声波作为导航信号的载波, 循环发送导航信号, 不受电子干扰的影响, 能实现全天候工作, 尤其可以引导驾驶员晚上登舰, 并以图形、数字和语音的形式将装备的当前位置信息提示给驾驶员, 引导两栖装备从海上顺利登舰, 大大降低了装备碰撞登陆舰的概率, 解决了装备登舰过程中的近距离引导难题。

摘要：针对两栖装备上登陆舰面临的自动化程度较低、无法全天候实施的问题, 为提高恶劣海况和黑夜中的登舰作业能力, 设计了一种两栖装备入舰引导系统。通过水下探测器接收到登陆舰发射的超声定位脉冲信号, 获得当前车辆的实际位置, 发出车辆的位置和偏离航线信息, 实现驾驶员盲视驾驶。针对系统两个不同频率的基站, 提出了两种不同的换能器带宽技术方案。通过对发射模块的指向性仿真, 用换能器组成发射基阵。在此基础上, 完成车载信号模块的硬件设计, 并对三路宽带脉冲信号进行仿真, 验证了导航算法的原理可行性。最后通过海上实车实验, 进一步验证了算法的可行性和稳定性。

关键词：两栖装备,登陆舰,引导系统,换能器

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旋转超声换能器的建模与仿真篇3

旋转超声加工是集传统超声加工与磨粒磨削加工为一体的复合加工, 是加工硬脆性材料的一种有效方法。换能器是超声加工机床的重要组件之一, 用以将超声频电振荡信号转化为机械振动输出。常用的换能器主要有磁致伸缩式和压电式两种类型, 其中夹心式压电换能器结构简单、电声转化效率高, 是普遍使用的一种结构类型[1]。一维纵振超声振动系统的振动规律比较复杂, 目前其设计依据主要以理论分析与实验为核心, 而借助于计算机软件MATLAB进行仿真分析的研究还较少。本文在满足工程要求的条件下, 利用牛顿定律将换能器抽象为动力学模型, 并采用MATLAB软件对系统模型进行仿真处理。应用计算机仿真技术对换能器的动态工作特性进行分析, 可在设计阶段预测其运行结果, 并能实现换能器的结构优化。MATLAB/Simulink仿真模块能方便地定义和修改输入参数, 通过模型化图形输入/输出系统模型, 可高效地实现动态建模、仿真与分析。为了验证MATLAB仿真研究的合理性, 利用软件ANSYS对换能器系统进行有限元分析, 观察所得结果与MATLAB仿真是否一致。

1 换能器空载受力分析

设换能器末端的机械负载阻抗为ZL, 它与F3、u觶3满足如下关系式:F3=ZLu觶3。 (3)

F1、F2、F3分别代表换能器后盖板、压电陶瓷片、前盖板所受的作用力。空载时, ZL=0, 综合式 (1) ~ (3) 可得:

换能器各组件的尺寸值及其材料属性如表1所示。

2 换能器各组件的等效物理参数[4]

2.1 等效质量

质量是衡量物质惯性力大小的量, 在求解等效质量时需遵循能量守恒原则, 保证系统转换前后的振动动能不变。旋转超声加工为一维纵振, 则换能器的等效质量可近似等效为各组件的质心质量。

2.2 等效刚度

2.3 等效阻尼

由于材料的黏弹性而产生的内部阻力F=-cv, 在振动中这些阻力称为阻尼, 阻尼力在一个周期内所做的功为:

多数金属 (如钢、铝) 的阻尼在一个很大频率范围内与频率ω无关, 而在一个周期内所消耗的能量与振幅的平方成正比, 即W=αX2, α为常数, 是黏性阻尼比。

即等效阻尼与系统频率ω (超声振动系统的频率为20 k Hz) 成反比。后盖板、压电陶瓷和前盖板的黏性阻尼比α分别取α1=0.005, α2=0.01, α3=0.03。

3 建立换能器的动力学模型与数值仿真

3.1 建立超声换能器的动力学模型

系统的数学模型是描述输入、输出变量及内部各变量之间关系的数学表达式, 最常用的数学模型有微分方程与差分方程。正确的数学模型是原型系统的一次近似, 是建立仿真模型的依据。当换能器的径向尺寸小于介质中传播的波的四分之一波长时, 根据一维纵振理论, 忽略泊松效应和径向振动效应, 有利于分析、建立换能器的数学模型[5]。

将换能器抽象为集中质量的质量—刚度—阻尼系统, 忽略电极建立的三自由度模型如图2所示。

超声换能器矩阵形式的运动微分方程为[6]:

M、C、K分别是3×3阶的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵, F为激励力矩阵。利用影响系数法[7]建立系统矩阵如下:

3.2 建立换能器的仿真模型

正确的仿真模型是数学模型的近似, 即原型系统的二次近似。在MATLAB/Simulink模块中, 换能器系统可以采用以下方法建立仿真模型[8]:1) Integrator模块建模。换能器系统的数学模型为一个线性微分方程组, 采用Integrator建模速度较快, 但可读性较差;2) S-function模块建模。用MATLAB语言、C语言或C++等语言构成S函数模块, 以在Simulink模型中通过S函数直接调用, 具有编程灵活的特点;3) State-space模块建模。根据MATLAB语言编写一个计算参数值的M文件, 再进入Simulink环境设置相关仿真参数, 应用简单灵活。

3.2.1 将微分方程化成状态方程

3.2.2 利用State-space模块建立仿真模型

启动MATLAB/Simulink之后, 采用Continuous模块库中的State-space模块建立模型, 选择Sources模块组中的Sine Wave模块为输入信号, 输出子模块库中的Scope模块来显示仿真结果[9]。

采用State-space模块库建立的仿真模型如图3所示。

1) 模块参数设置。

采用State-space模块建立的模型需要设置各模块参数, 在运行仿真前新建一个M文件, 输入计算A、B、C、D的程序代码, 仿真时在MATLAB命令窗口中调用此M文件。换能器系统进行仿真分析的程序代码如下:

双击Sine Wave Function模块, 在弹出的对话框中, Amplitude设置为向量[0.171 54.2 477], Frequency为2*pi*20000, 其余为默认值。双击State-space模块, 设置参数A为A, B为B, C为C0, D为D, 初始条件设为0。

2) 仿真参数配置。

在对模型进行仿真之前需要配置仿真参数, 在模型窗口中, 选择Simulation主菜单下的Configuration Parameters命令, 在Solve参数配置界面中设置仿真start time为0, stop time设为0.25。解算器选项配置Solver options中, Type设为Variable-step, 解算方法Solve采用ode45类型, 其余采用默认设置。

3) 运行仿真模型及分析仿真结果[10]。

执行窗口菜单Simulink→Start, 再点击各个示波器Scope, 对应传递函数的图形结果将显示出来。其中, 换能器系统仿真位移幅值—时间曲线如图4所示。

由图可知, 换能器末端输出位移振幅可达0.001mm, 满足超声振动加工要求。利用Simulink仿真, 可以方便地在模型窗口上画出各个环节传递函数模型图, 以对系统进行仿真与分析。

4 ANSYS软件仿真验证与结论

通过有限元仿真软件ANSYS Workbench中的模态分析模块, 可以方便地得到换能器的固有振动特性。设定换能器的工作频率为f=20 k Hz, 因超声换能器暴露在空气中, 所以进行模态分析时, 只需要在压电陶瓷片上施加零电压载荷便可得到超声换能器的固有频率和振型。仿真得到换能器的三阶纵振频率f=20.10 k Hz, 模态振型如图5所示。

由振动模型图分析知, 换能器在频率为20 101 Hz时沿轴向作一维纵向振动, 此频率和激励频率的误差为0.505%, 误差在允许的范围之内, 满足工程设计的要求。

5 结语

本文根据换能器的结构特征, 求得各组件的等效物理参数, 并利用牛顿运动定律建立超声换能器振动系统的动力学方程, 采用影响系数法求出系统的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵, 建立了一维纵振超声波换能器加工系统的数学模型。基于MATLAB/Simulink软件进行了数值仿真, 并通过ANSYS Workbench软件进行了有限元分析, 验证了建模和数值仿真方法的可行性。通过对三自由度换能器振动系统的仿真研究, 为处理整个超声振动系统的仿真提供了理论依据, 可应用于超声振动系统的结构优化设计。

摘要：在输入功率一定的一维纵振旋转超声加工系统中, 为高效、精确地获取加工刀具末端的输出振幅, 文中根据牛顿定律将换能器抽象为一个由质量、刚度和阻尼3个参数来描述的动力学模型。然后利用MATLAB/Simulink软件对换能器系统进行动力学仿真, 分析超声换能器的数学模型及状态空间仿真模型, 并利用有限元分析软件ANSYS验证MATLAB/Simulink仿真的准确性。换能器末端输出振幅的大小直接影响超声振动系统的加工性能, 得到的仿真结果为超声振动系统的设计和改进提供了理论依据。

关键词：超声换能器,MATLAB/Simulink,数学模型,仿真建模

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换能技术论文篇4

LTC3330 是一款毫微功率降压-升压型DC/DC转换器, 采用了能量收集电池寿命延长技术, 可连接到压电换能器上提供能量, 为Dust Networks节点供电。LTC3330 集成了一个高压降压型能量收集电源和一个降压-升压型DC/DC转换器, 该转换器由主电池供电, 产生一个输出始终接通的电源, 为安装在偏远地点的Dust节点供电。

当振动能量可用时, LTC3330 用振动能量而不是电池作为电源。当振动能量短期不可用时, LTC3330 对超级电容器进行充电和平衡, 超级电容器在需要时可接通以支持负载。LTC3330的能量收集和超级电容器充电/ 平衡电路相结合, 可使主电池寿命延长数个量级, 从而显著减少了要求更换电池的维护需求 (乘以所安装的传感器/ 控制器数量, 就是节省的总费用) 。

1 连接LTC3330 与Dust节点

图1显示, LTC3330 连接了一个输出超级电容器、一个Dust节点、一个安装的电池和EH_ON连接至OUT2。在这一配置中, 当EH_ON为低时, VOUT设定为2.5V, 当EH_ON为高时, VOUT设定为3.6V。一个Midé V25W压电换能器以机械方式连接至一个振动源, 其电气连接点连至LTC3330 的AC1 和AC2 引脚。该振动源在60Hz加速度时产生1gRMS的力, 这产生10.6VPEAK的开路电压。图2 显示, V25W压电换能器给输入电容器再充电。该输入电容器在208ms时间内从4.48V充电至5.92V。V25W提供的功率为648µW。

在所加电压为5.0V时, 22µF电容器仅为18µF, 因此每个VIN_UVLO_RISING和FALLING事件都产生26µC电荷, 再减去效率为90% 的LTC3330 降压型稳压器消耗的电量, 就得到传送给输出的电荷量。图3 显示, 输出超级电容器用Midé V25W换能器充电至3.6V。输出超级电容器充电至3.6V大约需要3300 秒时间。

在图1中, 当EH_ON为低时, VOUT设定值为2.5V, 当EH_ON为高时, VOUT设定值为3.6V。图4 中的第一个标记指示振动源激活点;VIN上升至高于VIN_UVLO_RISING门限。EH_ON变高, 导致VOUT向着3.6V上升 (VOUT从2.5V开始, 因为电池中有电荷) 。随着EH_ON变高, PGVOUT变低, 因为新的3.6V VOUT值还未达到。随着VIN上的电荷传送到VOUT, VIN放电, 当VIN达到其UVLO_FALLING门限时, EH_ON变低, 从而使目标VOUT再次为2.5V。

考虑到输出电容器非常大, 同时平均负载低于Midé 压电换能器提供的输入功率, 所以输出电压要经过很多个周期才能上升到3.6V的较高设定点。在从2.5V BAT设定点转变到3.6V能量收集器设定点时, VOUT高于2.5V PGVOUT门限, 因此每次EH_ON变低时, PGVOUT都变高。这个周期一直重复, 直至VOUT达到针对3.6V VOUT设定点的PGVOUT门限为止。图5显示, 当振动源去掉时, VOUT就放电, 同时VIN降至低于UVLO_FALLING门限, 导致EH_ON变低。VOUT上的超级电容器将一直放电至新的2.5V目标电压, 在这个点上, 降压-升压型稳压器将接通, 给Dust节点供电。VOUT上的超级电容器通过放电, 在振动源短时间不可用时提供能源, 从而延长了电池寿命。

摘要：Smart Mesh传感器和控制器常常部署在无法便利地提供电力连接的地方。本文介绍了毫微功率降压-升压型DC/DC转换器LTC3330。实验表明, LTC3330采用Midé V25W压电换能器和连接至BAT引脚的主电池, 为用振动源给Dust Networks节点供电提供了一个完整解决方案。V25W压电换能器用一个振动源支持输出功率需求, 因此延长了电池寿命。在此基础上再给VOUT连接一个超级电容器后, LTC3330还可以进一步延长电池寿命, 从而减少了要求更换电池的维护需求。

磁致伸缩换能器驱动电路设计篇5

磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料及线圈组成的。磁致伸缩材料是一种新型功能材料, 具有比压电材料高数十至数百倍的磁致伸缩应变值, 并且有输出功率大、微秒量级响应速度、工作频带宽等优异特性, 因而广泛地应用于电子机械、办公自动化装置、仪器仪表、减振降噪系统等领域。

用磁致伸缩材料制成的换能器具有以下优点: (1) 具有较高的能量转化效率, 在静磁场下, 磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩应变是镍的30倍或PZT (压电换能器) 的3-5倍, 在谐振的情况下, 比静态应变还要高出数倍; (2) 具有非常快的响应速度, 磁致伸缩材料响应时间小于1μs, 器件的响应时间主要取决于驱动电路信号的频率, 约为10μs左右; (3) 具有性能稳定特性, 一般说来磁致伸缩材料的居里温度较高, 不会出现高温极化现象, 而且使用磁致伸缩材料制作的换能器可以在较低电压下工作, 不容易出现PZT换能器的高压击穿故障; (4) 具有宽频带响应特性, 工作频率范围可以从几十赫兹到几十千赫兹。

由于磁致伸缩换能器具有以上特点, 因此在工业管道除垢领域得到了广泛应用。在国外磁致伸缩换能器驱动电路比较成熟, 特别是俄罗斯、日本及欧美已经广泛应用于工业除垢领域, 现阶段国内磁致伸缩换能器驱动电路主要存在功率小, 频率固定不可调等问题。文章设计的驱动电路解决了功率小, 频率不可调等问题, 与磁致伸缩换能器组成了工业管道除垢装置具有无污染、不需要拆卸、操作方便简单、可在线工作等优点, 具有广泛的应用前景。

2磁致伸缩换能器的驱动电路设计

2.1 STM32信号产生电路

文章驱动IGBT (绝缘栅型晶体管, Insulated Gate Bipolar Tran- sistor) 的信号是由STM32f103zet6来完成的, STM32f103zet6是意法半导体公司生产的一款32位单片机, 该芯片具有精度高, 成本低廉, 功耗小, 性价比高, 可以高达512K的数据存储能力, A/D转换速度更快更精确等优点。它具有72MHz的高速处理能力, 7个DMA控制器, 2个12位ADC, 多达16路的PWM (脉宽调制, Pulse-Width Modulation ) 输出等功能, 文章使用它产生两路互补带死区的PWM信号, 并且通过按键可以改变PWM信号的频率 (频率在5k-30k) , 数码管的作用是显示当前的频率。

2.2 IGBT的驱动

文章使用IGBT作为换能器驱动电路的功率元件, 是因为其具有耐高压及大电流特性, 高输出功率满足了换能器对大能量的要求。因为IGBT大多数情况下应用于高压、大功率场所, 所以整个控制电路与驱动电路在电位上需要完全隔离。隔离的方法一般有两种。第一种是采用光电耦合器进行隔离。优点是:体积小、结构简单、应用方便、输出脉宽不受限制, 缺点是:共模干扰抑制差、响应时间较长、不适用于高频情况下, 并且辅助电源需要相互独立隔离。第二种是采用变压器进行隔离。优点是:响应时间短, 具有较好的共模干扰抑制效果, 缺点是:信号的传输会受到磁芯饱和特性的限制、制作工艺复杂。

文章设计的IGBT驱动电路采用第二种方方法, 其中Q1~Q4组成变压器初级驱动电路, 工作原理为Q1、Q4和Q2、Q3的轮流导通, 将驱动信号加至变压器T1的初级, 变压器的次级通过电阻R1、并联的二极管与IGBT的栅极相连, R1、R2的作用有两个: (1) 防止IGBT栅极开路。 (2) 提供充放电回路。为了提高IGBT的开关速度, 在R1上并联了加速二极管。过高的栅射电压可能导致击穿栅极, 因此在栅极端加了稳压管VS1、VS2, 目的是限制加在IGBT栅极电压。

2.3 IGBT半桥逆变

因为磁致伸缩换能器中的高频线圈需要通交流电, 所以文章需要将直流电转换成交流电来驱动换能器。文章采用了IGBT半桥逆变, 与IGBT全桥逆变相比具有电路简单, 成本低优点。电路的工作过程大体可分为三个阶段:第一阶段:IGBT-1导通, IGBT-2关断, 此时线圈两端的电压为母线电压的一半, 电流方向由A到B。第二极端:IGBT-1关断, IGBT-2关断, 此时没有电流。第三阶段:IGBT-2关断, IGBT-2导通, 此时线圈两端的电压基本上也为母线电压的一半, 电流方向由B到A, 通过三个阶段的工作把直流电转换为交流电。为了满足加载负载上的流过的正向电流和反向电流一样, 选择电容C1, C2时量满足C1=C2。

图1是流过负载L1的仿真波形图。从图中可知电流的峰值大约为0.48A, 其中直流电压VCC为200伏、C1和C2的值为220μF, L1为100Mh, 驱动信号的频率为10K。

2.4电源

文章所需要的电源有:STM32工作所需的3.3V直流电源, 驱动IGBT所需的30V直流电源和半桥逆变所需的200V直流电源。3.3V直流电、30V直流电及200V直流电都要经过变压器变压, 全桥整流和LC滤波。图2是产生直流200V的电路图。

3结束语

文章实现了应用于工业管道中的磁致伸缩换能器的电路设计, 输入电压为交流220V, 功率100W, 该装置具有输出功率大、驱动信号频带宽、适应性好 (频率可调) 等特点。由该驱动电路和磁致伸缩换能器组成的工业管道中除垢装置, 取得了良好的除垢效果。

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压电换能器装配液压扭矩扳手设计篇6

超声学出现于20世纪初, 经过近一个世纪的发展, 它不仅在一些传统的工农业技术中获得广泛应用, 而且已经渗透到国防、生物、医学及航空航天等高技术领域[1]。换能器是进行能量转换的器件, 将一种形式的能量转化为另一种形式的能量。这里主要是指电能和声能之间的转换。换能器与超声学的关系是密不可分的, 它在超声的研究与应用中起着重要的作用, 是声能与其他形式的能相互转化的“媒介”[2]。

在传统装配中, 压电换能器主要采用扳手或扭矩扳手进行装配。采用扳手进行装配不仅不能保证每次装配时的力矩相等, 而且劳动强度大, 作业效率低。扭矩扳手虽然有所改进但仍然难以在每次装配时都获得恒定的力矩, 不仅无法做到准确、统一, 而且会影响到压电换能器的谐振频率和阻抗[3]。

本研究通过对液压扭矩扳手结构及其工作原理的分析, 给出液压扭矩扳手的工作原理, 并对换能器装配中液压扭矩扳手进行设计。

1 压电换能器的结构及其装配要求

压电换能器的结构图如图1所示。压电换能器的前端盖﹑后端盖﹑螺钉﹑电极片都需要根据实际使用要求进行材料选择和提出一定的加工要求。

对于前端盖﹑后端盖和电极片, 材料内部均要求结构紧密, 无缩孔, 特别是压电陶瓷片与金属块的所有接触面平整度均要求达到微米级。螺钉是夹心式换能器的关键零件, 它的质量好坏直接影响到换能器的使用寿命, 关系到装配的质量, 因为螺钉是连接前端盖﹑后端盖并夹紧压电陶瓷片的, 它在紧固时受到一定的拉力, 在工作时又要受到较大的动态应力, 故要求选用45号钢或其他强度较高的材料[4]。为了避免应力集中, 螺杆与螺钉头连接处要圆滑过渡, 螺钉截面积在满足强度要求的情况下, 要选择截面积小的螺钉, 以提高它的动态顺性。同时, 要保证压电陶瓷片与前端盖﹑后端盖接触良好, 对压电陶瓷片﹑前后端盖﹑电极片的接触面都要进行严格的清洗处理, 并保证压电陶瓷片﹑前后端盖同心, 装配时要注意压电陶瓷片的极化方向在电气上为并联。通常压电陶瓷片的预应力为3 000 N/cm2～3 500 N/cm2。

夹心式压电换能器的装配工艺关键是拧紧螺钉, 对于单螺钉结构, 拧紧时要使压电陶瓷堆与前、后端盖先压紧, 然后拧紧;对于多螺钉结构, 要保证压电陶瓷片受力均匀, 必须要对称排列螺钉, 并均匀地拧紧。

2 压电换能器装配机

装配体是由液压缸和装配支架台构成, 液压缸提供预压力, 在液压缸和压电换能器之间有一块动板和一块垫片。在工作时液压缸的活塞推动动板向上移动, 使得压电换能器在衬套上顶紧, 以此获得装配所需的预压力。在工作过程中, 利用计算机控制步进电机来控制液压泵的溢流阀和单向阀, 使液压缸的压力和液压扳手的输出扭矩非常平稳和准确。液压缸的法兰通过4个螺钉连接到底座上, 衬套紧固在基座上, 底座和基座用一连接螺杆相连[5]。电荷量通过双极的电荷采集仪器采集并显示, 利用光电隔离的RS232串口与微型计算机串口连接, 步进电机的转动轴与液压泵的溢流阀连接起来, 采用计算机串口控制步进电机, 使步进电机按照指定的速度运行, 以达到液压扳手的恒扭矩输出, 完成压电换能器的恒扭矩装配。整体结构如图2所示。

3 液压扭矩扳手结构及其工作原理

液压扳手由动力源和执行机构两大部分组成。液压泵作为动力源, 用液压油来驱动拆装执行机构, 完成大直径螺栓的拧紧和拆卸作业。液压传动由于结构紧凑, 输出功率及输出扭矩大, 工作可靠, 并易于实现变量, 特别是超高压液压系统的日益成熟, 使其能够胜任大扭矩紧固件拆装设备的动力源[6]。

液压扳手执行机构的工作原理:从变量液压泵站输出高压油, 推动液压缸的活塞杆, 液压缸缸底一端铰接于机架, 活塞杆一端和摇臂的一端铰接。摇臂的另一端是棘轮棘爪机构, 实现单向间歇转动。液压缸活塞杆的往复运动使得摇臂带动紧固件转动, 完成拆装作业[6]。执行机构示意图如图3所示[7]。实物图如图4所示。

4 液压扳手扭矩计算

机构运动示意图如图5所示。摇臂O2A1在液压缸O1A1活塞杆的推力F的作用下绕O2点从位置1转到位置2 (虚线表示) , 转过的角度为θ1, θ2处的棘轮棘爪机构带动作业对象 (螺栓或螺母) 拆松或拧紧。忽略机构中的摩擦阻力, 则输出扭矩为:

式中 M—任意位置的拆装扭矩;F—活塞杆的理论推力;L2—摇臂长度;γ—任意位置的传动角。

由式 (1) 可以看出机构的拆装力矩M和液压缸的输出推力F﹑摇臂长度L2以及传动角γ的正弦值成正比。液压缸输活塞杆的推力F和摇臂的长度L2的大小与机构传动过程中所处的位置无关, 而传动角γ的大小则由机构所处位置来决定。由机械原理知识可知在机构工作过程中传动角γ的值愈大对机构的工作愈有利。假设机构在转动过程中为液压缸的长度为L, 根据图5, 由余弦定理可得机构传动角的表示式:

设γ1和γ2分别为位置1和2处的γ值, 则有:

式中 L1—机架的长度;L2—摇臂的长度;L—机构在运动过程中液压油缸的长度 (由三角形边长原理可得摇臂长度的范围为: (L1-L2≤L≤L1+L2) [8,9]。

将式 (3) 两边对L求导数, 并且令 $\frac{\partial γ}{\partial L} = 0$ , 则有:

即当 $L = \sqrt{| L_{1}^{2} - L_{2}^{2} |}$ 时传动角取得最大值γmax。

将式 (6) 代入式 (3) , 则可求得:

当L2<L1时, γmax=90°;

当L2≥L1时, $γ_{\max} = \cos^{- 1} \sqrt{1 - (L_{1} / L_{2})^{2}}$ 。

在图5中, θ1为机构在一个工作过程中摇臂O2A1转过的角度, 即为机构的工作角。为了提高工作效率, 在机构设计时, 应使θ1的值越大越好, 根据余弦定理可得:

式中 L3—液压缸在活塞杆完全缩回时的长度, 简称液压缸的最小长度;L4—液压缸在活塞杆完全伸出时的长度, 简称液压缸的最大长度;活塞的行程为L4-L3。

由三角函数关系式可得:

将式 (10) 、式 (11) 代入式 (9) 得:

$\begin{array}{l} \cos (θ_{1}) = \cos (θ_{0} + θ_{1}) \cos (θ_{0}) + \\ \sqrt{1 - \cos^{2} (θ_{0} + θ_{1})} \times \sqrt{1 - \cos^{2} (θ_{0})} (12) \end{array}$

将式 (7) 、式 (8) 代入式 (12) 得到传动角θ1的余弦值表达式:

$\begin{array}{l} \cos (θ_{1}) = \frac{(L_{1}^{2} + L_{2}^{2} - L_{4}^{2}) \times (L_{1}^{2} + L_{2}^{2} - L_{3}^{2})}{4 \times L_{1}^{2} \times L_{2}^{2}} + \\ \frac{\sqrt{4 \times L_{1}^{2} \times L_{2}^{2} - (L_{1}^{2} + L_{2}^{2} - L_{3}^{2})^{2}} \times \sqrt{4 \times L_{1}^{2} \times L_{2}^{2} - (L_{1}^{2} + L_{2}^{2} - L_{4}^{2})^{2}}}{4 \times L_{1}^{2} \times L_{2}^{2}} (13) \end{array}$

若假设工作过程中任一位置的力臂用l来表示, 则式 (1) 可表示为:

其中, l=L2×sin (γ) =L1×sin (∠O2O1A1) 。

5 结束语

本研究在分析和研究了液压扭矩扳手的结构特点及其设计关键的基础上, 给出了压电换能器装配中液压扭矩扳手的具体设计方案。其提高了装配的稳定性和精确性, 实现了大批量压电换能器装配扭矩恒定的的要求。研究结果表明, 该设计解决了压电换能器装配中的扭矩不稳定的问题, 为压电换能器实现自动装配奠定了基础。

参考文献

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换能技术论文篇7

关键词：超声换能器,医学超声成像,压电陶瓷

0 引言

医学超声成像技术具有无损伤、无电离辐射、无痛苦、实时性好、价格低廉等突出优点,已经在各级医疗机构普遍装备,广泛应用于人体肝胆肾脾胰、心脏、甲状腺、血管、皮肤、肌肉等全身实质性组织和脏器的疾病诊断。换能器作为超声成像装置的核心部件,对仪器的整体性能起着至关重要的作用。

1 临床应用需求新变化

近几年来,超声诊断仪器的临床需求变化有以下趋势:

1.1 专科应用需求

超声诊断仪器跳出专门的B超室,广泛应用于医院中其他科室,是近年来的一个重要发展趋势,如:

消化内科应用:超声内镜(EUS)检查是将超声探头和内镜技术相结合的新技术。即常规内镜检查发现粘膜表面病变后,用内镜中的超声探头进行实时超声扫描,观察消化道管壁各层组织结构及其邻近器官的超声图像,用于对消化道肿瘤、粘膜下肿瘤、胰腺病变等疾病的诊断和鉴别诊断。通过超声引导穿刺活检确定肿瘤类型,评估手术切除可能性及预后,并为患者制定最佳治疗方案提供了科学依据。

心脑血管科应用:血管内超声(IVUS)利用安装在心导管顶端的微型超声探头,可实时显示血管的截面图像,获取管壁结构的厚度、管腔大小和形状及截面积等信息,辨认钙化、纤维化和脂质池等病变,辅助并评价介入手术。

外科手术室应用:(1)术中探头探查,对病灶的探测,辅助手术的进行,如原发或继发性肝肿瘤、胆石诊断,比术前超声检查、CT及剖腹探查等具有更高的敏感性及特异性;(2)手术导航:将术前获得的CT、MRI等影像学资料与实时超声图像融合,获得手术部位的三维图像信息。手术过程中,通过手术器具上的定位装置精确定位病灶部位,避开重要结构或功能区,引导医生提高手术质量和手术成功率;(3)超声内镜引导下的微创手术:可以使切口和创伤非常小,手术风险小,病人的恢复期更短。

此外,还有眼科、妇产科、皮肤科等专科应用,这些应用呈现出应用专业化、宽频带、高频、高灵敏度、高分辨率和微型化等特点,对超声换能器带来新的、更高的要求。

1.2 重大疾病早期筛查需求

恶性肿瘤和心、脑血管疾病已成为严重影响人类健康的重大疾病,其死亡率呈逐年攀升及发病低龄化趋势。据卫生部统计,上述疾病已占我国居民因病死亡总人数的70%左右。这些疾病被发现并确诊时往往已经发展到了中晚期阶段,此时绝大多数已经不可逆转,即使勉强手术,也很难治愈,这也是这类疾病死亡率很高的主要原因。多数学者认为,早查、早诊、早治是未来相当长时期大幅度提高重大疾病治疗效果,提高病人生存质量,延长病人寿命的发展方向。

作为无辐射、病人无痛苦、低价普及的医学影像技术,高频、高分辨率的超声诊断系统及配套的超声换能器必将成为重大疾病早期筛查的有效手段。

1.3 环保法令

铅是已知毒性最大、累积性极强的重金属之一,对人体健康有百害而无一利,各国政府正设法通过立法来减少和限制铅污染。2001年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令并从2006~2008年起逐步实施,铅被列入其中。

以含铅的锆钛酸铅(PZT)系材料为主的传统铁电压电陶瓷,其主要成分是氧化铅(高达60%~70%以上),从其材料烧结到最终废弃的过程中不可避免地对环境带来铅污染,危害人类健康。尽管含铅压电陶瓷元器件的替代由于技术难度太大,暂未列入欧盟限制法令。但是毫无疑问,以无铅基的铁电压电陶瓷替代含铅压电陶瓷生产超声换能器,已经迫在眉睫。

2 研究和应用现状

针对临床上对超声换能器宽频带、高频化、高分辨率、微型化和高灵敏度等方面的需求,以及环境友好的需要,超声换能器材料的研究重点出现在驰豫铁电单晶材料、复合压电材料、无铅压电材料等方面,并出现了有别于传统换能器制作工艺制作的c MUT超声换能器。

2.1 换能器材料

2.1.1 驰豫铁电单晶材料

具有符合钙钛矿结构的(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(简称PMN-PT)和(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(简称PZN-PT)弛豫铁电单晶压电材料的成功制备,被认为是50年来铁电领域最激动人心的一次突破,成为最近十年压电材料领域的一个研究重点。PMN-PT的关键性能指标d33和k33分别高达2500pC/N和94%左右,明显高于传统PZT压电材料的700pC/N和70%左右,其电声能量转换效率更是提高了80%以上,频带宽度也有了大幅度的扩展,为新一代高性能医用超声诊断仪的实现提供了可能。

PMN-PT单晶的结构比较均匀,很少缺损和缺漏,也没有粒子界面,如图1所示。在进行任意方向的极化时,双极子的取向几乎完全一致(接近100%),极大地提高了机电特性。目前直径超过75mm的PMN-PT单晶的制备已获得成功,并在少数高端仪器上以“纯波探头”为名得到应用,使得其超声图像质量有了突破性提高。但由于PMN-PT单晶在晶体生长过程中易出现非铁电性的烧绿石相,制备难度大,尽管各大公司和组织投入了大量的人力物力开展研究,至今仍未突破规模化生产的瓶颈。

2.1.2 无铅压电材料

钙钛矿结构中的(Bi0.5Na0.5)TiO3(简称BNT)基、K1-xNaxNbO3(简称KNN)基和BaTiO3基,以及含铋层状结构、钨青铜结构是无铅压电陶瓷的主要研究对象。其中钙钛矿系特别是KNN和BNT无铅压电陶瓷因其压电性能明显优于含铋层状结构系和钨青铜结构系压电陶瓷,制备工艺也与传统的铅基压电陶瓷兼容等优点,得到了深入的研究,取得了一定的成果。任晓兵博士领导的团队已经在日本国家材料研究所成功制备了在压电性能上毫不逊色于传统PZT压电陶瓷的锆钛酸钡钙体系压电材料Ba Zr0.2Ti0.8O3-x Ba0.7Ca0.3Ti03(BZT-x BCT),证明了“大压电性能与铅没有必然的联系”,增强了人们以无铅压电陶瓷替代传统的铅基压电陶瓷的信心。

另外,无铅压电陶瓷的新体系构建、压电铁电性能强化以及相变机制等方面的研究,也取得了较大的进展。

无铅压电陶瓷要能够逐步替代传统的含铅压电材料,除了要求材料体系本身不含有对生态环境造成损害的物质,以及在制备、使用及废弃后处理过程中也不对人类及生态环境造成危害外,还需要在压电性能和制备成本上与传统材料相当。然而,与发展成熟的铅基压电陶瓷相比,无铅压电陶瓷的性能还存在着较大差距,再加上制备工艺要求高,目前还未进入产业化阶段,铅基压电陶瓷在实际应用中仍占主导地位。

2.1.3 铁电厚膜材料

由块体压电材料转向膜压电材料,是近年来压电材料领域研究的一个热点。压电厚膜是指厚度在数十微米级的压电膜,与块体材料相比,有工作电压低、工作频率高等突出优点。

由PZT厚膜制作的工作频率为80~200 MHz的超声换能器已经成功制备并已进入产品化,而块体压电材料制作的超声换能器工作频率通常在20MHz以下。除制备方法比较成熟的PZT厚膜外,KNN厚膜和0-3复合KNN厚膜等也已陆续制备成功。目前压电厚膜的研究重点开始转向对厚膜的掺杂改性研究,以进一步优化压电厚膜的结构和提高压电厚膜的压电性能。

2.2 高频换能器

近年来,新型高频换能器的研发受到世界各国的广泛重视。在高频超声换能器研发方面代表了国际最高水平的美国南加州大学NIH医学超声换能器技术中心,Shung K.K教授领导的团队设计并研制成功多种高频超声换能器及阵列,包括中心频率在67 MHz和100MHz的32阵元的超声换能器阵列。加拿大Sunnybrook研究中心S.Foster教授的小组,利用PZT压电陶瓷等制备出30~80 MHz高频超声换能器,在45MHz中心频率下的插入损耗为17.5 dB。美国TRS公司采用微加工工艺发展了压电单晶与聚合物的1-3复合材料,并制备出中心频率为40MHz,带宽为100%的复合材料超声换能器。工作频率在20MHz以上的高频超声成像换能器和系统的生产厂家主要集中在欧美几家大公司。美国波士顿科学公司(Boston Scientific)生产的iCross心血管内导管超声系统,采用了40MHz机械旋转超声换能器。美国火山公司(Volcano)生产的Revolution心血管内导管系统,采用了45MHz的相控阵超声换能器。

工作频率在20MHz以上的高频超声换能器,其横向和纵向分辨率均可达0.5mm以下,已广泛应用于眼科、皮肤科和浅表血管的疾病诊断,以及作为超声内镜、血管内探头通过人体各腔道或血管探查人体内部组织的病变情况,实现对重大疾病的早期检查是其重要发展方向。

2.3 cMUT技术

电容式微加工超声换能器cMUT(Capacitive micromachined ultrasonic transducers)是应用大规模集成电路技术制作的,最先是由美国斯坦福大学的B.T.Pierre Khuri-Yakub教授在上世纪90年代末提出。cMUT一经提出就备受关注,经过十几年的大量研究,目前已有部分高频cMUT换能器完成产品化。cMUT是利用半导体加工技术在硅片上通过纳米级空隙形成许多超微细振动膜,在硅片和振动膜里独立地埋入电极,在两电极间加电压,使空隙内产生静电场,其结构如图2所示。

cMUT超声换能器的制作工艺与传统的压电陶瓷换能器的制作工艺截然不同,具有灵敏度高、带宽宽、易于制造、尺寸小、一致性好、工作温度范围宽及易于实现电子集成等优点,明显优于传统压电材料换能器制作工艺,是一个十分值得关注的发展领域。

3 展望

宽频带、高频、高灵敏度、高分辨率和微型化等依然是未来超声换能器发展的主要方向。驰豫铁电单晶材料、压电复合材料、无铅压电材料和压电有机高分子聚合材料等压电材料的性能提升研究将不断深入。

cMUT技术的成功产品化,将使1.5D和2D探头的制造变得更加简单方便,性能更加优越。需要特别指出的是,cMUT的生产制作技术一旦成熟,将给传统的压电换能器制造业带来巨大的冲击。

参考文献

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