阵列式换能器超声波电源装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种阵列式换能器超声波电源装置。
【背景技术】
[0002]超声波发生器通常称为超声波发生源、超声波发生器，其作用是把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流信号。超声波电源的原理首先由信号发生器产生一个特定频率的信号，该信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，该特定频率就是换能器工作的频率。
[0003]目前，国内外超声波电源的研究大多数侧重于变频率、变功率、阻抗匹配、频率自动跟踪以及智能控制等单一换能器的研究，而应用于超声聚焦、超声悬浮和机械工程“内加工”领域研究的专用多频率超声波电源装置目前还未见公开，同时利用换能器阵列实现多频率的超声聚焦方面应用研究的超声波电源装置也未出现。
【实用新型内容】
[0004]基于上述现有技术，本实用新型提出一种阵列式换能器超声波电源装置，其通过控制换能器阵列实现多频率的超声聚焦、超声悬浮、机械工程“内加工”等领域的应用研究。
[0005]本实用新型弥补了现有超声波电源设备在实际专业领域应用中的不足，其所采用的技术方案如下:
[0006]阵列式换能器超声波电源装置，包括PC上位机、USB总线、信号发生及功放模块、相控信号总线、阵列式超声波换能器等，PC上位机通过USB总线与信号发生及功放模块相联，信号发生及功放模块通过相控信号总线与阵列式超声波换能器相联。
[0007]所述的阵列式换能器超声波电源装置，信号发生及功放模块包括STM32F4控制系统、FPGA模块、高速D/A转换模块、四路功放及补偿电路，STM32F4控制系统、FPGA模块、高速D/A转换模块、四路功放及补偿电路依次相连。
[0008]所述的阵列式换能器超声波电源装置，STM32F4控制系统包括STM32控制器、STM32匹配电路、IXD触摸显示屏、晶振电路、JTAG接口电路，STM32控制器采用基于Cortex-M4处理器的芯片STM32F407ZGT6，STM32控制器的第一接口连接FPGA模块，STM32控制器的第二接口连接STM3 2匹配电路，STM3 2控制器的第三接口连接LCD触摸显示屏，STM3 2控制器的第四接口连接晶振电路，STM32控制器的第五接口连接JTAG接口电路，STM32控制器通过USB总线接口电路连接USB总线，USB总线进而连接PC上位机，其中，USB总线接口电路与USB总线、USB总线与PC上位机之间均采取双向通信方式。
[0009 ]所述的阵列式换能器超声波电源装置，FPGA模块包括FPGA芯片、FPGA配置电路、JTAG接口电路，FPGA芯片的第一接口与FPGA配置电路相连，FPGA芯片的第二接口与JTAG接口电路，FPGA芯片的第三接口与高速D/A转换模块相连。
[0010]所述的阵列式换能器超声波电源装置，四路功放及补偿电路包括驱动电路、电源、调压整流滤波模块、保护电路、预放大电路、可控增益放大电路、网络匹配电路，驱动电路与高速D/A转换模块相联，电源与高压整流滤波模块相联，高频模拟信号经过驱动电路与调压整流滤波模块、预放大电路、可控增益放大电路都相联，保护电路与调压整流滤波模块、预放大电路、可控增益放大电路都相联，可控增益放大电路与网线匹配电路相联，网络匹配电路联接阵列式超声波换能器。
[0011]所述的阵列式换能器超声波电源装置，阵列式超声波换能器通过采样电路与信号放大电路相联，信号放大电路与带通滤波电路相联，带通滤波电路与STM32控制器相联。
[0012]该装置正常工作时，换能器阵列的每个换能器转换对应固定频率的高频电信号，而每个换能器对应的高频电信号频率又不尽相同，从而实现超声波电源换能器阵列的多频率工作。该装置的硬件电路如:信号产生模块、功率放大模块、匹配电感切换控制模块、电路采样模块、保护电路模块和上位机的控制显示模块均可采用现有技术实现。STM32F4的程序编写可在软件Keil uVis1n5上完成，FPGA的程序编写可在软件Quartus II上完成，STM32F4和FPGA之间的通信采用基于RS232的串口通信方式完成。
[0013]所述电源装置的工作方式具体实现过程为:该装置正常工作时，STM32F4控制系统通过控制FPGA模块，每个FPGA模块可以产生四路不同高频信号，FPGA作为信号发生器通过运行程序产生要求频率的脉冲电信号，脉冲电信号通过高频逆变电路后变成和基波同频的脉冲电信号，同时STM32F4控制对应频率的匹配电感的切换、PC上位机、LCD触摸显示屏的工作，来实现工作频率的实时状态显示，STM32F4通过控制多路多频率脉冲电信号的相位与延时，使对应信号通过换能器阵列的对应换能器，从而实现阵列式换能器超声波电源的多频率超声聚焦和超声悬浮。
[0014]所述的电源装置还配置有电源操控面板，该电源操控面板设有电源开关按键、复位按键、工作指示灯、报警指示灯、LCD触摸显示屏等，电源正面操控面板的右侧自上到下依次是工作指示灯和电源开关按键;电源正面操控面板的左侧自上到下依次是报警指示灯和复位按键；电源正面操控面板的中间部分是4.7英寸的LCD电容型触摸显示屏，主要用于显示超声波电源工作时各个换能器对应电路的实时取样电压和电流值，实时显示各超声波换能器的工作频率值等数据，其中，各个换能器的工作实时数据可以通过点击LCD电容触摸屏实时的调出查看。
[0015]所述的PC上位机与STM32F4嵌入式系统之间的通信采用USB总线的通信方式实现，PC上位机主要用于实时显示从反馈系统采集过来的电源电路电压、电流和电路信号的波形与数据，实时显示换能器阵列中各个换能器的工作频率的波形与数据，便于我们实时监测电源电路以及换能器阵列的工作状态。同时PC上位机可外接键盘和鼠标。
[0016]所述的超声波电源电路主要由控制系统配置电路、电源开关电路、复位电路、晶振电路、接口电路、调压整流滤波电路、功率放大电路、驱动电路、保护电路、显示电路、滤波电路、信号放大电路及网络匹配电路等构成，控制系统配置电路包括STM32F4控制系统的匹配电路和FPGA的配置电路；电源开关电路和复位电路分别通过电源开关按键和复位按键与STM3 2F4控制系统相连接；晶振电路包括STM32F4控制器的晶振电路和FPGA的晶振电路，STM3 2F4的外部时钟通过晶振电路与对应的驱动芯片引脚连接，内部时钟在控制电路上电后自动运行;接口电路包括USB总线接口电路、JTAG接口电路、CAN接口电路、COM接口电路以及FPGA的VGA接口电路;调压整流滤波电路的输入端接220V交流市电，整流滤波电路输出端经耦合电容与Buck斩波电路相连，Buck斩波电路的MOS开关管的栅极与经驱动电路的高频脉冲电信号相连，Buck斩波开关电路的输出端经稳压滤波后与功率放大电路相连;功率放大电路主要包括预放大电路和可控增益放大电路;驱动电路的输入端与FPGA的高频脉冲控制信号输出端相连，Buck斩波开关电路MOS开关管的栅极和功率放大电路MOS开关管的栅极都与驱动电路的输出端相连；显示电路包括LCD触摸显示屏驱动电路和PC上位机驱动显示电路;功率放大电路中的高频脉冲控制信号经过网络匹配电路后传到阵列式超声换能器中对应的换能器中，换能器将电能转换为机械能，也就是将高频电信号转化为了高频超声波；STM32F4控制系统通过调整FPGA模块的工作频率、时间延迟、相位延迟来控制换能器阵列不同换能器作用信号的开关延迟时间和相位延迟时间，从而实现多频率的超声聚焦、超声悬浮。
[0017]所述的超声波换能器阵列主要由64个压电换能器组成，其排列方式可以是8*8的矩形阵列组成，也可以是圆球面形的排列方式，根据实验分析可知，采用圆球面形的排列方式对于实现多频率聚焦的效果更好。换能器阵列的每个换能器的驱动电路是相互独立的，每个换能器的谐振频率又不尽相同，但所有换能器的控制信号都是由STM32F4嵌入式系统发出的，所以换能器阵列的每个换能器既相互独立又相互协调，最终实现多频率超声波的声波聚于一块焦域。
[0018]本实用新型通过阵列式换能器超声波电源驱动换能器阵列实现多频率超声波的声波聚焦、超声悬浮等功能，适用于科学研究场所和实验平台的搭建，采用模块化设计，机体及电路结构容易实现，具有较广的应用前景，弥补了目前利用换能器阵列实现多频率的超声聚焦方面应用研究的空白。
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型一种优选实施例的总体结构方框示意图。
[0020]图2为本实用新型的信号发生及功放模块的方框示意图。
[0021]图3为本实用新型超声波换能器相控阵列的正面结构示意图。
[0022]图4为本实用新型超声波换能器相控阵列的侧面结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图及实施例，对本实用新型作进一步的说明。
[0024]如图1所示，本实施例阵列式换能器超声波电源装置，包括PC上位机I及与其相连的USB总线2;其中:USB总线2通信连接有数个信号发生及功放模块3，信号发生及功放模块3通过相控信号总线4连接阵列式超声波换能器5。本实施例，信号发生及功放模块3由16个功能相同的信号发生及功放模块31组成，每一信号发生及功放模块31主要由STM32F4控