换能器影响论文（共7篇）
换能器影响论文 篇1
0 引言
蓄电池、电机/发动机组成的再生制动系统,虽然能量密度高,但功率密度低,限制了制动能量的回收。而由蓄能器、泵/马达组成的液压再生制动系统,不仅成本较低,而且功率密度高,能量密度适中。在城市制动频繁的道路上行驶,如装备高功率密度的液压再生制动系统,则制动能量回收更有效。并联式液压制动能量回收系统是在不改变传统汽车底盘布局的前提下,通过耦合器并联一套液压系统到原传动系上。由于其节能环保、改动简单以及造价成本低的特点,它作为一种新的动力混合形式受到关注。R.P.Kepner[1]设计了液压再生制动系统,将液压系统组装到福特皮卡上,并与美国环境署合作,实验测得液压再生制动系统的汽车燃油消耗量显著减少,且尾气排放的有害气体也明显减少;Young Jae Kim and Zoran Filipi[2]以轻型卡车为对象,进行了制动能量回收的仿真研究,研究结果表明纯市区燃油消耗量节省约48%~65%,纯高速燃油消耗量节省约11%;Hiroki Shimoyama,Shigeru Ikeo and Eitaro Koyabu等人[3]对恒定压力的液压再生制动系统进行研究,并进行了相关实验,仿真和实验研究均表明能量回收效率均在73%左右;谢峰,刘昕晖[4]对液压再生制动系统的动力性匹配进行研究,并搭建相关实验台架进行实验,实验结果为整车参数匹配提供依据;刘涛,刘清河和姜继海[5]对再生制动影响因素进行研究,通过理论分析和仿真研究,表明驱动方式、耦合器耦合比和蓄能器相关参数对能量回收均有较大影响;王海飞,孔燕,徐飞宁,贾坤坤[6,7]研究了二次元件的排量对能量回收的影响,使回收的能量最大化;王国海,韩以伦[8]匹配了动力系统部件各参数,采用正交试验设计方法对这些参数进行优化,节能效率提高了21.6%;黄梦阳,吴涛[9]研究了蓄能器的储能状态对工况的影响。
本研究分析蓄能器多个参数对能量回收效率和制动安全性能的综合影响,进行仿真和台架的对比实验,并用ADAMS-car和Simulink进行整车联合仿真分析。最后,用正交优化实验法对参数进行优化,得出最优参数组合,为整车实验提供依据。
1 并联式液压制动能量回收系统的原理和数学模型
并联式液压制动能量回收系统的工作原理可以归纳为:当汽车制动时,利用汽车中的传动轴带动泵/马达旋转,此时泵/马达以液压泵的形式工作,将液压能储存在液压蓄能器中。当汽车启动、加速时,泵/马达以马达的形式工作,其将蓄能器中的液压能转化为汽车的动能,协助发动机给汽车提供能量。其原理图如图1所示。
本研究建立了液压再生制动系统试验台架,采用飞轮模拟汽车动能,试验台原理如图2所示。
1—电机;2—电磁离合器;3—飞轮;3—油箱;4—变量泵/马达;5—压力计;6—单向阀;7—节流阀;8—蓄能器;9—溢流阀
1.1 飞轮
在图2中,电机1带动飞轮3旋转,当飞轮3达到设定的稳定转速后,断开与电机连接的离合器2,结合与液压泵/马达连接的离合器2,飞轮3带着液压泵5转动。根据转矩建立飞轮模型,有:
式中:Tp—泵对蓄能器的转矩,J—飞轮的转动惯量,w—飞轮的角速度。
1.2 二次元件液压泵/马达
根据功率建立二次元件数学模型[10]:
式中:P—二次元件出口油压力,Q—二次元件的流量,T飞轮—飞轮的制动力矩,W飞轮—飞轮的旋转角速度,η—传动效率。
其中:
式中:q—二次元件的排量,n—二次元件的转速。
式中:n飞轮—飞轮的转速,r/min。
将式(2,3)代入式(1)中,可得:
1.3 蓄能器模型
笔者选择气囊式蓄能器。由Boyle定律可知:
式中:P0—蓄能器初始充气压力;P1—系统最低工作压力;P2—系统最高压力;n1—多变指数;V0,V1,V2—对应压力的蓄能器气体体积;Vx—蓄能器有效容积。
为了简化实验,在此假设蓄能器在压缩和释放的过程中是绝热状态[11,12,13,14,15],所以n1取1.4;在实验过程中油液是不可压缩的。蓄能器在最低工作压力时,要保证足够的制动力,以确保飞轮可以在短时间内停止,因此:
式中:F—液压泵/马达所受的制动阻力,m—飞轮质量,r—飞轮半径。
由经验得到:P1=(0.6~0.85)P2,所以蓄能器制动回收的能量为[10]:
式中:P—蓄能器最终压力。
能量回收的效率:
式中:w0—飞轮初始转速,wt—飞轮最终转速。
飞轮最后是停止的,取wt=0。这样能量回收的效率可简化为:
2 仿真数据和实验数据对比分析
2.1 仿真模型
在Matlab/Simulink中,本研究建立与试验台一致的模型,仿真模型由蓄能器、泵/马达、三位四通电磁阀等液压元件,传感器以及耦合器组成,一起控制飞轮的运行。液压再生制动仿真模型如图3所示。
feilun—飞轮仿真模型;ouhe—耦合器仿真模型;hydraulic system—液压系统仿真模型
2.2 实验台架
主要元件的参数如表1所示。
压力传感器,转速传感器,USB2812数据采集卡如图4所示。
台架如图5所示。
2.3 台架与仿真对比实验
2.3.1 泵/马达排量不同的对比实验
电机带动飞轮旋转,当飞轮达到设定的实验初始值后,断开与电机连接的离合器,结合与泵/马达连接的离合器,液压泵被飞轮带着转动,同时对飞轮液压制动。
实验一:在蓄能器体积为10 L、蓄能器的初始压力为4 MPa、系统最高压力为31.5 MPa、飞轮初始转速为3 000 r/min时,进行泵/马达排量分别为6 ml/r、8 ml/r、10 ml/r共3种不同情况的仿真。蓄能器压力仿真结果如图6所示。
蓄能器压力实验结果如图7所示。
从图6可以看出,蓄能器最终压力分别约为4.7 MPa、4.9 MPa、5.1 MPa。从图7可以看出,蓄能器最终压力分别约为4.35 MPa、4.5 MPa、4.7 MPa。随着泵/马达排量的增大,仿真和实验中,蓄能器最终压力都呈增大趋势。
仿真和实验压力起点差异说明:由于在台架试验中,液压管路比较长,管路的压力要过一段时间才能达到蓄能器初始压力。因为初始条件不同,这个时间又是不固定的,从而才出现图7所示的情况。
飞轮转速仿真结果如图8所示。
飞轮转速实验结果如图9所示。
从图8可以看出,飞轮停止时间分别约为16 s、14 s、12 s。泵/马达排量变大,由公式(5)得液压泵阻力力矩变大,飞轮停止时间变短。由图9可以看出,飞轮制动时间分别为14 s、10 s、8 s。随着泵/马达排量的增大,仿真和实验中,飞轮的制动停止时间都呈减小趋势。
2.3.2 蓄能器初始压力不同的对比实验
实验二:在飞轮转速为3 000 r/min、蓄能器体积为10 L、系统最高压力为31.5 MPa、泵排量为10 ml/r,进行蓄能器初始压力分别为3.5 MPa、3.8 MPa、4.0 MPa共3种不同情况的仿真。结果如图10所示。
蓄能器压力实验结果如图11所示。
从图10可以看出,蓄能器最终压力分别约为4.58 MPa、4.9 MPa、5.1 MPa。从图11可以看出,蓄能器最终压力分别约为4.1 MPa、4.35 MPa、4.75 MPa。随着蓄能器初始压力的增大,仿真和实验中,蓄能器最终压力都呈增大趋势。
飞轮转速仿真结果如图12所示。
飞轮转速实验结果如图13所示。
从图12可以看出,飞轮制动时间分别约为13 s、12.5 s、12 s。蓄能器初始压力变大,由公式(5)得液压泵阻力力矩变大,飞轮停止时间变短。从图13可以看出,飞轮制动时间分别约为9.2 s、9 s、8 s。随着蓄能器初始压力的增大,仿真和实验中,飞轮的制动停止时间逐渐减小。
综合实验一、二得,实验台架存在摩擦,所以实验数据略小于仿真数据,但仿真趋势与实验趋势一致,液压仿真模型计算结果与实验相符。
3 整车联合仿真
3.1 整联合仿真模型
本研究采用ADAMS/Car软件搭建了某车型模型。系统模型在Matlab下的Sim Hydraulic模块中建立,主要由蓄能器、泵/马达、三位四通电磁阀等液压元件,传感器以及耦合器组成。液压再生制动模型如图14所示。
整车主要参数如表2所示。
3.2 整车仿真实验
仿真中不变因素:泵/马达排量为30 m L/r、汽车初始车速为60 km/h。
3.2.1 蓄能器初始充气压力变化
本研究在蓄能器总体积为55 L、系统最高压力P2为31.5 MPa时,分别进行蓄能器初始压力P0为10MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa共4种不同情况的仿真,得到仿真结果如表3所示。
由表3可以看出,蓄能器达到最高压力的时间分别约为14 s、10 s、8 s、5 s,蓄能器体积不再变化的时间分别约为14 s、10 s、8 s、5 s。分析得,蓄能器达到最高压力后,蓄能器体积不再变化,即此后液体就通过溢流阀流回储油箱,不再向蓄能器充液。系统初始压力越低,蓄能器达到最高压力的时间越长,能回收的能量越多。
P0—蓄能器初始压力;P—蓄能器最终压力;t1—蓄能器达到最高压力的时间;t2—蓄能器体积达到最小的时间;Tmax—最大液压制动力矩;t—汽车制动停止时间;ε—制动能量回收效率
又由公式(14)计算出4种情况的回收效率分别为86.59%、85.78%、84.85%、76.01%。由此得出,当蓄能器体积、系统最高压力和车速一定时,随着蓄能器初始压力的升高,回收的制动能量在减少。
由表3可以看出,车轮制动力矩分别约为780 N·m、1 180 N·m、1 380 N·m、1 580 N·m,车速达到0 m/s的时间分别约为15 s、11 s、9 s、7.5 s。分析得,随着蓄能器初始压力的增大,车轮液压制动力矩增大,导致制动减速度增大,从而制动时间变小。由此得出,当蓄能器体积、系统最高压力和车速一定时,随着蓄能器初始压力的升高,制动时间变小。
综合分析,其他条件一定,随着P0的减小,制动能量回收效率是增大的,但是制动时间却变长了,出于对制动安全的考虑,在选择蓄能器初始压力的时候,应以GB7258—2012为依据,在满足制动安全性能的前提条件下,再尽可能地减小蓄能器初始压力,从而既兼顾了制动安全性也使能量回收效率最大化。
3.2.2 系统最高压力变化
本研究在蓄能器总体积为55 L、P0=21.52 MPa时,分别进行P2=23.5 MPa、P2=27.5 MPa、P2=31.5 MPa共3种不同情况的仿真,得到仿真结果如表4所示。
Pmax—系统最大压力;P—蓄能器最终压力;t1—蓄能器达到最高压力的时间;t2—蓄能器体积达到最小的时间;Tmax—最大液压制动力矩;t—汽车制动停止时间;ε—制动能量回收效率
从表4可以看出,蓄能器达到最高压力的时间分别约为2 s、5.1 s、7.5 s,蓄能器体积不再变化的时间分别约为2 s、5.1 s、7.5 s。分析得,蓄能器初始压力相同,当蓄能器达到最高压力时,蓄能器的体积也达到最小,就不再回收剩余的能量。系统最高压力越低,蓄能器达到最高压力的时间越短,从而导致蓄能器的回收效率降低。
又由公式(14)计算出3种情况的回收效率分别为24.41%、69.56%、85.28%,与上述分析一致。由此得出,当蓄能器体积、蓄能器初始压力和车速一定时,随着蓄能器最高压力的升高,能量回收效率增加。
由表4可以看出,随着蓄能器最高压力的增大,车轮液压制动最大力矩分别为1 100 N·m、1 300 N·m、1 400 N·m,车速达到0 m/s的时间分别约为9.5 s、8.8 s、8.7 s。分析得,随着蓄能器最高压力的增大,制动力矩增大,使制动减速度增大,从制动时间减小。
综合分析,仿真结果表明蓄能器的最高压力的增大,不但可以兼顾制动安全性,而且可以使蓄能器的有效容积变大,所以在设置蓄能器最高压力时,可以以蓄能器能够承受的最大压力为系统最高压力。
3.2.3 蓄能器总体积变化
当P0=21.5 MPa、P2=31.5 MPa时,分别进行蓄能器体积为10 L、20 L、30 L、40 L、50 L共5种不同情况的仿真,得到仿真结果如表5所示。
V—蓄能器总体积
由表5可以看出,蓄能器达到最高压力的时间分别约为1 s、2 s、4 s、6 s、7.5 s,蓄能器体积达到最小的时间分别约为1 s、2 s、4 s、6 s、7.5 s。分析可知,蓄能器总体积越小,蓄能器压力越先达到最高压力,此后,就不再回收剩余的能量,导致蓄能器的回收效率降低。
又由公式(14)计算出5种情况的回收效率分别为20.08%、40.15%、60.24%、80.30%、82.35%。由此得出当蓄能器初始压力,蓄能器最高压力和车速一定时,随着蓄能器总体积的升高,回收的能量增加。
由表5可以看出,汽车减速为0 m/s的时间分别约为7.4 s、7.5 s、7.6 s、8 s、8.2 s,制动力矩达到最大值的时间分别约为1 s、2 s、4 s、6 s、8.2 s,而且最高制动力均为1 580 N·m,只有V0=50 L时,最大制动力为1 420 N·m。分析得,当蓄能器的体积增大时,达到最大制动力矩的时间就越长,因此汽车制动停止的时间就越长。
综合分析,随着蓄能器体积的增大,制动能量回收的效率增大,但是制动停止的时间变长。所以在选择蓄能器时,本研究在满足制动法规GB7258—2012的前提下,选择体积稍微大点的蓄能器。
3.3 整车仿真实验总结
综合以上3个实验得出,蓄能器初始压力、蓄能器体积对回收效率影响与制动时间的影响相反;系统最高压力对二者的影响一致。
4 优化设计
笔者采用正交试验法,对液压系统各参数进行研究,选择最优参数组合。正交实验表如表6所示。
V0—蓄能器初始体积;P0—蓄能器初始压力;Pmax—系统最大压力
极差分析表如表7和表8所示。
从表6所示的能量回收效率ε极差分析结果可以看出,V0、P0、Pmax的极差R分别为32.5%、39.7%、36.7%。所以蓄能器初始压力P0对回收效率影响最大,其次是系统最高压力Pmax,最后是蓄能器体积V0。最优参数组合为蓄能器体积55 L、蓄能器初始压力10MPa、系统最高压力31.5 MPa。
从表7制动停止时间t极差分析结果可知,V0、P0、Pmax的极差R分别为2.6%、3.9%、0.4%。蓄能器初始压力P0对制动时间影响最大,其次是蓄能器体积V0,最后是系统最高压力Pmax。最优参数组合为蓄能器体积15 L、蓄能器初始压力23 MPa、系统最高压力27.5 MPa。
能量回收效率最优参数组合和制动时间最优参数组合是不一样的。下面讨论分析,选出兼顾二者的最优组合。
由表7和表8可知,P0选择10 MPa和23 MPa,对能量回收效率的影响由67.7%变化到28%,变化率约为58.6%;对t影响由13.2%变化到9.3%,变化率约为29.5%。很明显如果要想制动时间变短一点,就要损失很多能量。如果P0选择20 MPa,则对ε的影响为47.9%,对制动时间t的影响是9.5%,与P0取10 MPa相比,对ε影响变化率约为29.2%,对t影响变化率约为28.0%。所以本研究兼顾制动停止时间和能量回收效率,选择P0为20 MPa。
由表7和表8可知V0选择15 L和55 L,对ε影响由27.7%变化到60.2%,变化率约为117.3%;对t影响由9.3%变化到11.9%,变化率约为28.0%。由此可见V0对能量回收效率影响远远大于对制动时间的影响,所以本研究以最大能量回收效率为目标,选取V0为55 L。
由表7和表8可知Pmax选择27.5 MPa和31.5 MPa,对ε影响由53.9%变化到63.2%,变化率约为17.3%;对t影响由10.4%变化到10.8%,变化率约为3.8%。由此可见Pmax对能量回收效率影响远远大于对制动时间的影响,所以本研究以最大能量回收效率为目标,选Pmax为31.5 MPa。
综合制动停止时间和能量回收效率选择最优组合为蓄能器体积55 L、蓄能器初始压力20 MPa、系统最高压力31.5 MPa。
5 结束语
首先笔者通过试验与仿真研究了液压制动能量回收系统,然后通过整车仿真分析蓄能器参数对能量回收效率和制动时间的影响,最后通过正交优化设计优化蓄能器参数,结果表明:
(1)仿真与台架实验表明了液压仿真模型的正确性。
(2)蓄能器初始压力、蓄能器体积对回收效率影响与与制动时间的影响相反;系统最高压力对二者的影响一致。
(3)通过正交试验,选择蓄能器最优参数组,为整车实验提供了依据。
参量换能器收发电路设计 篇2
关键词：声参量阵,参量换能器,发射电路,接收电路
1 引 言
声参量阵(Parametric Array)是利用媒质的非线性效应,使用换能器(阵)沿同一方向传播两个高频初始波,获得差频、和频等声波的声发射装置。由于声吸收系数与频率的平方成正比,在声波的传播过程中,频率较高的超声波和频信号衰减很快,经过一段距离后,仅剩下频率较低的差频信号。与常规声纳相比,该差频信号具有如下特点:首先,差频波几乎没有旁瓣,避免了在浅海沉底或沉积物探测过程中由于边界不均匀性所带来的干扰和信号处理的复杂性。其次,与常规换能器相比较,差频波具有更好的指向性。例如,工作频率为2 kHz的线阵,要得到3°的波束宽度,线阵的长度大约为25 m,而得到同样波束宽度的参量阵换能器发射孔径仅需36 cm×36 cm(主频为100 kHz),这就有利于开发窄波束声源用于探测浅水域尺寸远远小于水柱深度的物体。第三,差频声波具有大于10 kHz的带宽,故可以采用先进的扩频检测算法。
目前,参量阵技术的研究与应用开发以成为声学技术领域的前沿课题之一。例如,以美国ATC公司为代表的一些企业,正在研发各种系列参量扬声器,实现了声音的定向传播[1]。德国的INNOMAR公司利用罗斯托克大学水下声学研究小组的研究成果,生产出了SES-96和SES-2000系列的参量阵测深/浅地层剖面仪,是目前广泛应用的一种强有力的浅海水下探测仪器[2]。在国内,中国科学院东海研究站早在1995年就为澳大利亚DSTO研制了一套单波束参量阵探雷仪器,1997年又研制了用于江河侦察的530参量阵声纳,近期又研制成功了参量阵“堤防隐患监测声呐”,可以对江河湖底和海底沉积层进行探测识别或对堤防损毁程度进行探测评估[3]。国内的一些大学和声学研究机构也开展了利用空气参量阵来实现声波定向传播的应用研究,并取得了阶段性成果。
2 参量换能器的原理
2.1 参量阵的工作原理
声参量阵是利用介质的非线性特性,使用2个沿同一方向传播的高频初始波在远场中获得的差频及和频波的声发射装置。参量阵声纳在高压下同时向媒介发射2个频率相近的高频声波信号(f1,f2 )作为主频,声波在介质中传播时由于介质的非线性效应而形成差频波,改变2个主频频率就可以控制差频波的频率,当换能器发射声波作用于媒介体时,在换能器的发射方向会产生一系二次频率,如 f1,f2,(f1+f2),(f1-f2 ),2f1,2f2的声波信号,因f1、f2的频率非常接近,所以差频(f1-f2 )的频率很低,具有很强的沉积层穿透力,可以用来探测海底浅部地层结构,而反射的主频声波信号则用于精确的水深测量。由于主频的频率高,换能器可以制作得很小。产生的差频声波信号强度比主频声波强度稍高,衰减较慢,传播达到1个衍射单位长度时,声强最大,然后逐渐衰减。差频声波信号与高频时的波束角非常接近,且没有旁瓣,因此波束指向性好,具有较高的分辨率,可控的差频声波信号可以承载更多的沉积层信息,以便于对埋入沉积层的目标进行分类识别。
与常规的换能器相比,参量换能器除了具有上述优点之外,也有比较明显的缺点:
(1) 为了实现非线性声学效应,要求原波的声源级(SL)较高,当原波平均频率为40 kHz时,通常要求原波的声源级为238 dB[4]。应当指出,如果换能器的发射功率太大,在水下应用时有可能出现空化现象。
(2) 参量换能器的能量转换效率较低,一般很难超过1%。
2.2 参量换能器的系统设计
(1) 换能器设计
换能器结构的正确选择,对于本参量换能器实验验证系统的设计是至关重要的。根据参量阵的发射原理,我们选择圆形压电陶瓷换能器来发射原波信号,并利用传声器进行回波接收。如图1所示。压电陶瓷换能器是当前水声领域中广泛使用的一类换能器,它具有电声转换效率高、灵敏度好、容易成形等特点。文献[4]中指出,如果原波频率太高,就会使频率下降比(即原波频率与差频波频率之比)增加,从而降低能量转换效率;反之,如果原波频率太低,则需要较大的换能器发射孔径,才能获得较好的声波指向性。因此,在参量换能器的设计应折衷考虑上述两个因素。在本实验中,选择了谐振频率为87 kHz,带宽为14 kHz的换能器。该换能器的尺寸规格为Φ25 mm×1 mm。为了接收差频声波,选择频率范围为20～20 000 Hz的全指向性驻极体电容传声器作为回波信号接收器,其尺寸规格为Φ9.7 mm×6.7 mm。
(2) 参量换能器系统设计
参量换能器系统主要由PC机、超声波发射电路、声波接收电路、发射换能器、传声器和数据采集卡组成。本文拟建立如图2所示的参量换能器实验验证系统。其中超声换能器和传声器是用来实现超声波信号发射和声波信号接收的装置;超声波发射电路是用来产生一定频率的载波和调制信号,通过调制、放大后驱动换能器发射出超声波信号;声波接收电路是用来对回波信号进行放大、滤波等调理,以便送入数据采集卡,然后由计算机进行数据处理。
3 发射电路的设计
参量换能器的超声波发射电路,主要包括信号产生电路和功率放大电路。信号产生电路主要是用来产生超声波信号,功率放大电路主要是用来提高电路的发射功率从而驱动换能器发射出超声波信号。
3.1 信号产生电路
参量换能器采用正弦信号作为载波信号;调制信号可采用Ricker信号(由PC机产生)。正弦信号拟用LM741设计了一种RC桥式正弦波振荡电路[5],如图3所示。该电路采用电压串联负反馈,具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。图中,D1,D2为二极管元件,其作用是限制输出电压的摆幅不断增大,避免输出波形失真。
放大电路由电阻R1和R2,R3以及Rd的等效电阻Rf构成的负反馈组成,其中Rd为二极管的内阻。放大电路的放大倍数为:
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选频网络由RC组成的串并联电路组成,其特征频率为:
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根据试验需要,可以调整R,C的值,得到需要的振荡频率。
该选频网络的频率特性为:
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当ω=ω0=1/RC或者f=f0=1/(2πRC)时,幅频响应的幅值为最大,即:FVmax=1/3。正弦波发生电路的起振条件为:
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根据以上各关系式以及电路的起振条件,可以确定放大电路反馈回路中R1和R2,R3的比值。
3.2 功率放大电路设计
功率放大电路采用PA141作为放大器,构成类似桥式的驱动电路,来驱动压电陶瓷换能器。具体电路如图4所示。
PA141是“APEX”公司推出的8脚高压单片集成的MOSFET运算放大器,它具有工作电压高(350 V) 、静态电流小、输出电流大(峰值120 mA)等优点。PA141内部的输入保护电路避免了过高的共模、差模电压及静电泄放的影响,其安全工作区无二次击穿限制,因此只要选择合适的限流电阻就可驱动不同的负载,并可通过PA141的外部可调补偿电路来选择合适的带宽和增益。使用该放大器不仅简化了电路设计,而且可提高系统的可靠性。
在图4中,运放A1,A2构成双重补给的桥式电路,其中A1的增益为20 dB,A2的输出与A1反相,从而构成差动式放大电路。若输入正弦信号的电压幅值为15 V,则施加在换能器两端的驱动电压的变化范围为±300 V。由于PA141的输出电流较低,为了得到较高的输出功率,电路中接入两个功率MOS管,以提升输出电流,从而得到较高的输出功率来驱动换能器。
4 接收电路的设计
参量换能器的回波接收电路由前置放大电路、带通滤波电路和末级放大电路组成,如图5所示。
4.1 前置放大电路
前置放大电路采用具有低功耗、宽频带、高精度和高可靠性等优点的AD620仪用放大器,它是一种电阻可编程的放大器,其内部是由三运放组成的仪表放大器结构,内部的电阻经激光技术校准,整个放大器具有很高的精度和共模抑制比。AD620的增益是由电阻RG决定的,使用1%的精密电阻,它就能提供精确的增益G。该放大器只需要改变一个管脚1,8之间的电阻值,就可以在1～1 000之间调整增益,其增益公式为:
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可根据实验需要,选择合适的RG来确定电路的增益。
4.2 带通滤波放大电路
带通滤波器是用高阻抗运算放大器(TL082)和RC阻容元件构成的放大器和有源带通滤波器。
二阶有源带通滤波器的传递函数为[5]:
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式中,ω0为带通滤波器的中心角频率,ω0=2πf0,(f0=8 kHz);Q为品质因素;A为滤波器的增益。若BW为带宽,则有Q= f0/BW,滤波器的参数满足如下关系:
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当所需带宽为BW=4 kHz,增益A=5,C1=C2时,则将已知数值代入上式,计算得:若C1= C2=681 pF,则R1=11.7 kΩ,R2=19.5 kΩ,Rf=117 kΩ。
末级放大电路是由普通的反向运算放大器和电阻元件构成。通过调节电位器来改变放大器的增益,使接收电路的输出幅值满足数据采集电路板NI6024的输入要求。
5 供电电源设计
在设计的参量阵收发电路中需要±175 V,±15 V,±5 V等电源。对于高压电源的设计,实验中采用推挽式稳压电源功率转换电路,具体电路如图6所示。
高压电源设计中,由NE555组成的电路提供脉冲信号,SN75372集成芯片是双通道与非门TTL/MOS专用接口电路,其中管脚2是两个与非门公用的使能输入端(高电平有效),管脚1/7和管脚3/6分别是两个与非门的输入/输出端;管脚4是数字地;管脚8接5 V直流电源,管脚5接15 V直流电源。利用该接口电路,就可以直接用TTL电平来驱动MOSFET功率管。R4与R5构成分压电路,用来确定MOSFET功率管IRF520的栅源电压VGS,进而控制功率管导通时的漏极电流ID;RS是限流电阻,用于限制漏级电流ID的大小,它可以使功率管导通时的最大漏级电流IM基本恒定,避免功率管导通瞬间过大的电流冲击。该电路通过变压器输出后,将桥式整流电路变压器副边中点接地,再接上滤波电容,并且两个电容的中点接地,可以得到较高的正、负直流输出电压,满足实验中高压电源的需求。
另外,对于±15 V和±5 V电源,可以利用已有的24 V稳压电源,通过三端稳压集成电路模块78和79系列得到所需要的直流电压。
6 结 语
以上介绍了参量换能器的工作原理和收发电路的设计。对于实现参量阵差频信号的发射与接收,实际工作中还有两个需要注意的问题:
(1) 实现声学参量阵,要求原波信号有较高的声源级,尤其在空气中由于非线性效应较弱,对声源级的要求也更高,这也增大发射器的功率。
(2) 参量换能器的转换效率较低,一般很难超过1%。如何提高参量换能器的效率,仍是一个值得探索的研究课题。
下一步工作是在实验室中实现参量阵超声波的发射和声波的接收,并且在空气中和水下验证参量阵的性能指标,其中还要注意换能器在空气和水下的阻抗率匹配问题。
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换能器影响论文 篇3
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。
环形内窥镜超声换能器的研制 篇4
关键词：内窥镜超声换能器,环形阵列,制备方法,性能表征
0.引言
超声内窥镜是一项医疗中将超声成像和内窥镜检查结合起来的技术, 应用前景非常广泛。一般而言, 将一微型的超声探头放置于内窥镜的前端, 通过口腔进入胃肠道对靠近食道、胃、十二指肠的器官及周围组织等进行诊断。相比传统的体表超声成像, 内窥镜超声探头更接近目标器官和组织, 能较容易地获得较清晰的胸部和腹部内脏器官的图像, 从而提高诊断准确性。随着技术的发展, 超声内窥镜的新应用不断涌现。超声内窥镜已经从一个纯粹的成像方式发展成为可以通过细针穿刺活检进行组织诊断和介入治疗等。超声内窥镜引导下的穿刺被视为超声内窥镜的一个发展分支。此外, 在靠近血管的位置内窥镜超声还可以结合多普勒成像, 大大提高了内窥镜的诊断范围。众多研究表明超声内窥镜是一种非常有效、安全和耐受性良好的技术。近年来, 超声内窥镜被广泛应用和接受。[1~5]
20 世纪80 年代, 超声内窥镜技术开始发展, 初期只可做90 度角的扫描影像, 随着科技的发展, 后来可做180 度成像, 以及现在的360 度超声成像都被成功研发。[6~7]大多数360 度超声内窥镜系统是采用单个阵元的超声换能器, 通过将其与马达连接做机械旋转扫描得到的。尽管单阵元超声探头容易制造, 但是通过机械扫描成像的帧频受到极大的限制。为了克服这个缺点, 环形阵列探头采用电子扫描, 能够解决成像帧频低的问题, 然而由于制造上的难度限制了它的广泛应用。目前国内超声内窥镜主要通过国外进口而且价格昂贵, 例如日本奥林巴斯公司研制的360度环形超声内窥镜换能器 (型号:GF-UE260-AL5) 频率为5/6/7.5/10MHz, 日本宾得公司开发的EG-3670URK环阵 (5/6.5/7.5/9/10MHz) , 以及富士能公司也研发了EG-530UR环阵扫描超声内窥镜 (5/7.5/10/12MHz) 。[5,8,9,10,11]本课题组在内窥镜超声换能器方面作了大量的探索工作, 本论文主要报道环形超声内窥镜换能器的两种不同制备方法以及超声换能器阵列的性能表征。[12~13]
1.实验方法与结果
1.1 卷曲法
弛豫铁电单晶 (1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-x Pb Ti O3 (PMN-PT) 的组分在准同型相界 (MPB) 附近时, 具有非常大的压电系数 (d33 > 2000 p C/N) 、机电耦合系数 (k33~94%) [14~16]。此外, PMN-PT单晶制备的1-3 型压电复合材料具有特别大的机电耦合系数 (kt~90%) 、特别小的机械品质因子 (Qm~10) 和较低的声阻抗 (Z<20MRayls) [17]。因此本课题组选取高性能[001] 方向的PMN-PT单晶片以及其1-3 复合材料采用卷曲法制备超声内窥镜环形阵列。
PMN-PT单晶片尺寸30.08mm×11mm×0.36mm, 磁控溅射镀铬/金电极, 0.8k V/mm极化15分钟, 用来做128阵元超声内窥镜探头。采用切割-填充的方法制备晶体体积分数为32%的PMN-PT单晶/环氧1-3复合材料, 尺寸为30.08mm×11mm×0.165mm。和单晶电极一样, 1-3复合电极为控溅射镀铬/金电极, 1.5k V/mm极化。表1比较了PMN-PT晶体和1-3复合以及传统PZT、PVDF压电材料的性能。
图1 为卷曲法制备超声内窥镜环形阵列的流程图。首先, 将极化好带有电极的压电片用环氧与匹配层和背衬材料粘接, 压电片上下两面均留出1mm宽的电极部分用来接线。然后, 将同轴线按顺序排列在软性的环氧格子上, 格子的间距和数量与超声阵列间距和数量一致。用导电环氧把同轴线的芯线与压电片电极连接。接着对样品进行切割, 切割分为切断背衬层和匹配层两种方式。最后, 将样品围绕在一个铜柱上, 将样品的另一端电极用导电环氧与铜柱相连。图2 为卷曲法制备的超声内窥镜探头照片: (a) 128 阵元PMN-PT单晶探头 (切断背衬层) ; (b) 64 阵元PMN-PT/ 环氧1-3 复合探头 (切断匹配层) 。
图2. 卷曲法制备的超声内窥镜探头照片：（a）128阵元PMN-PT单晶探头；（b）64阵元PMN-PT/环氧 1-3 复合探头
采用脉冲- 回波法对超声换能器进行检测。图3 为128 阵元PMN-PT晶体超声换能器的脉冲回波波形以及频率响应曲线。压电阵子中心频率为3.9MHz, -6d B带宽为78%。
图4 为PMN-PT单晶/ 环氧1-3 复合超声换能器的脉冲回波波形以及频率响应曲线。由图4可得, 超声探头中心频率为6.9MHz, -6d B带宽高达102%。
1.2 旋转切割法
采用不同直径尺寸的PZT陶瓷管作为压电阵子, 制备50 阵元14MHz以及100 阵元3MHz的两种尺寸和频率的超声内窥镜探头。对于中心频率14MHz的50 阵元环形超声换能器, 陶瓷管尺寸内径8.0mm, 外径8.3mm。对于频率3MHz的100 阵元的超声探头, 陶瓷管尺寸略大, 内径9.0mm, 外径8.0mm。两种陶瓷管长度均为10mm。采用磁控溅射镀铬/ 金电极, 陶瓷管极化方向沿陶瓷管壁厚度方向, 在85˚C硅油中加4k V/mm电场极化15 分钟。表2 给出了压电陶瓷管压电性能。
图5 为旋转切割法制备超声内窥镜环形阵列的流程图。首先加工一个金属柱作为超声内窥镜阵列的支撑物, 然后以金属柱为中心制备圆柱形背衬材料。背衬材料的尺寸略小于陶瓷管的内径。将极化好的陶瓷管套在背衬上并用环氧粘在背衬上。背衬材料的高度也略小于陶瓷管的高度, 陶瓷管内外边缘都留出一小部分空间。用导电环氧将内边缘和铜管相连作为地线。制备匹配层, 将匹配层裹在陶瓷柱上采用了两种方法。对于低频率的换能器, 匹配层厚度相对较厚, 采用先车床车的方法把匹配层加工到合适的厚度。而对于频率高的换能器来讲, 厚度较薄, 车床加工比较困难。将匹配层制备成合适厚度的薄片, 然后用卷曲法围上去。之后把同轴线排在准备好的格子上并粘牢, 其中格子间距和单个阵元的间距一致, 陶瓷管外边缘与同轴线芯线相连导通。最后采用旋转切割装置进行切割。
图7 为50 阵元PZT陶瓷管超声换能器的脉冲回波波形以及频率响应曲线。由图7 可得, PZT陶瓷管超声探头中心频率为14MHz, -6d B带宽为46%, 与PMN-PT单晶和复合材料换能器相比较, 中心频率较高, 但是带宽偏低。带宽偏低主要是因为PMN-PT单晶的压电性能比PZT性能好。
图6. 旋转切割法制备的PZT陶瓷管超声内窥镜探头照片（a）50阵元中心频率14MHz（b）100阵元中心频率3.3MHz
图8为100阵元PZT陶瓷管超声换能器的脉冲回波波形以及频率响应曲线。由图8可得, 100阵元PZT陶瓷管超声探头中心频率为3.3MHz, -6d B带宽为56%。
2.结论
压电换能器装配液压扭矩扳手设计 篇5
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
即当
将式 (6) 代入式 (3) , 则可求得:
当L2<L1时, γmax=90°;
当L2≥L1时,
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:
将式 (7) 、式 (8) 代入式 (12) 得到传动角θ1的余弦值表达式:
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。
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换能器影响论文 篇6
功率超声换能器在功率超声技术中, 是一个至关重要的部分, 因为它决定了超声设备的性能。在传统的功率超声技术中, 一般是使用夹心式一维纵向振动超声换能器, 它具有功率大、效率高等优点。但是, 由于设计理论的限制, 夹心式一维纵向振动超声换能器的振动方向仅仅限于换能器的纵向振动方向, 即其振动能量的辐射方向是一维的, 而且其横向尺寸不能超过换能器发射频率对应波长的四分之一, 这就限制了此类换能器辐射能量的提高及其能量的辐射方向。
为了克服这一问题, 专家们经过多年的研究, 提出了一种二维的大功率超声换能器, 即夹心式径向复合超声换能器, 此类换能器不仅可以使超声的辐射方向由一维变成二维, 而且可以辐射大功率超声, 为超声清洗等液体处理技术提供一种全新的大功率声学辐射器, 可望在超声化学、超声废水处理、超声清洗以及大功率超声液体处理技术中获得广泛应用。
换能器影响论文 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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