一种用于换能器的查找谐振频率点的方法与装置与流程

本发明涉及换能器技术领域，尤其涉及一种用于换能器的查找谐振频率点的方法与装置。

背景技术：

随着技术的发展，超声波外科手术设备获得了广泛的应用，其中，超声波换能器是超声波手术设备中的核心部件，为了使超声波手术设备具有大的机械振幅和较高的电机转换效率，超声波换能器需要在其谐振频率点工作，即驱动电路应以其谐振频率信号对超声波换能器进行激励。可以理解，在使用中，超声波换能器的温度会升高，而超声波换能器的谐振频率点会随着温度的升高而产生漂移，因此，需要实时查找超声波换能器的谐振频率点。且可以理解的是，对于其他换能器也存在这样的问题。

目前现有的查找换能器谐振频率点的方式为扫频的方式，即线性递加递减频率输出能量信号查找谐振频率，缺点是查找速度慢，效率不高。例如，从50khz扫频到60khz，为了保证查找结果的准确性，可能需要10000次的判断时间，效率不高。

因此，设计一种高效率的用于换能器的查找谐振频率点的方法，就成为一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于换能器的查找谐振频率点的方法与装置。

为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供了一种用于换能器的搜索谐振频率点的方法，包括以下步骤：

获取第一测试区间、以及位于所述第一测试区间中的若干第一测试频率点，第一测试频率点=第一初始频率值+m*第一递增值，m为大于等于零的整数，且第一初始频率值大于等于第一测试区间的最小频率值，第一测试频率点小于等于所述第一测试区间的最大频率值；

持续对第一测试频率点进行测试，直至测试完所有第一测试频率点，所述对第一测试频率点进行测试具体为，控制所述换能器工作在第一功率和第一测试频率点，且在确定所述换能器的电压和电流之间的相位差小于等于预设值时，获取所述换能器的对应频率点上的阻抗值，并将所述阻抗值与第一测试频率点之间的对应关系存入第一集合；

第一集合中的模最小的阻抗值对应的第一测试频率点即为谐振频率点。

本发明一实施方式还提供了一种用于换能器的搜索谐振频率点的装置，包括以下模块：

第一参数获取模块，用于获取第一测试区间、以及位于所述第一测试区间中的若干第一测试频率点，第一测试频率点=第一初始频率值+m*第一递增值，m为大于等于零的整数，且第一初始频率值大于等于第一测试区间的最小频率值，第一测试频率点小于等于所述第一测试区间的最大频率值；

第一测试模块，用于持续对第一测试频率点进行测试，直至测试完所有第一测试频率点，所述对第一测试频率点进行测试具体为，控制所述换能器工作在第一功率和第一测试频率点，且在确定所述换能器的电压和电流之间的相位差小于等于预设值时，获取所述换能器的对应频率点上的阻抗值，并将所述阻抗值与第一测试频率点之间的对应关系存入第一集合；

第一确定模块，用于第一集合中的模最小的阻抗值对应的第一测试频率点即为谐振频率点。

本发明一实施方式还提供了一种缩小谐振频率点查找区间的方法，包括以下步骤：

获取第二测试区间、以及位于所述第二测试区间中的若干第二测试频率点；

持续对第二测试频率点进行测试，直至测试完所有第二测试频率点，所述对第二测试频率点进行测试具体为，控制所述换能器工作在第二功率和第二测试频率点，且在确定所述换能器的电压和电流之间的相位差小于等于预设值时，获取所述换能器的对应频率点上的阻抗值，并将所述阻抗值与第二测试频率点之间的对应关系存入第二集合；

从第二集合中获取模最小的阻抗值对应的第三测试频率点；将所述第二测试区间分割为若干子测试区间，在确定第三测试频率点大于等于第一子测试区间的最小频率值、且小于等于第一子测试区间的最大频率值时，所述谐振频率点处于第一子测试区间。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述位于所述第二测试区间中的若干第二测试频率点，包括：第二测试频率点=第二初始频率值+n*第二递增值，n为大于等于零的整数，且第二初始频率值大于等于第二测试区间的最小频率值，第二测试频率点小于等于所述第二测试区间的最大频率值。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述将所述第二测试区间分割为若干子测试区间，包括：将所述第二测试区间分割为两个等长的子测试区间。

本发明一实施方式还提供了一种缩小谐振频率点的查找区间的装置，包括以下模块：

第二参数获取模块，用于获取第二测试区间、以及位于所述第二测试区间中的若干第二测试频率点；

第二测试模块，用于持续对第二测试频率点进行测试，直至测试完所有第二测试频率点，所述对第二测试频率点进行测试具体为，控制所述换能器工作在第二功率和第二测试频率点，且在确定所述换能器的电压和电流之间的相位差小于等于预设值时，获取所述换能器的对应频率点上的阻抗值，并将所述阻抗值与第二测试频率点之间的对应关系存入第二集合；

第二确定模块，用于从第二集合中获取模最小的阻抗值对应的第三测试频率点；将所述第二测试区间分割为若干子测试区间，在确定第三测试频率点大于等于第一子测试区间的最小频率值、且小于等于第一子测试区间的最大频率值时，所述谐振频率点处于第一子测试区间。

本发明一实施方式还提供了一种用于换能器的查找谐振频率点的方法，包括以下步骤：依据所述换能器所允许的最小工作频率值和最大工作频率值形成第二测试区间，并获取第二功率和第二递增值；执行上述的缩小谐振频率点查找区间的方法；将第二测试区间设为第一子测试区间，并执行上述的缩小谐振频率点查找区间的方法；将第一测试区间设为第一子测试区间，并执行上述的搜索谐振频率点的方法。

作为本发明一实施方式的进一步改进，

所述将第二测试区间设为第一子测试区间，并执行上述的缩小谐振频率点查找区间的方法，包括：将第二测试区间设为第一子测试区间，增加第二功率的值，减小第二递增值的值，并执行上述的缩小谐振频率点查找区间的方法。

作为本发明一实施方式的进一步改进，将第一测试区间设为第一子测试区间，并执行上述的搜索谐振频率点的方法，包括：将第一测试区间设为第一子测试区间，增加第二功率的值并赋值给第一功率，减小第二递增值的值并赋值给第一递增值，并执行上述的搜索谐振频率点的方法

本发明一实施方式还提供了一种用于换能器的查找谐振频率点的装置，包括以下模块：

第三参数获取模块，用于依据所述换能器所允许的最小工作频率值和最大工作频率值形成第二测试区间，并获取第二功率和第二递增值；

第三测试模块，用于执行上述的缩小谐振频率点查找区间的方法；

第四测试模块，用于将第二测试区间设为第一子测试区间，并执行上述的缩小谐振频率点查找区间的方法；

第五测试模块，用于将第一测试区间设为第一子测试区间，并执行上述的搜索谐振频率点的方法。

相对于现有技术，本发明的技术效果在于：在本实施例所提供的查找谐振频率点的方法中，先执行两轮缩小谐振频率点查找区间的方法，在这两轮方法中，均使用了线性扫频的方法，但第二轮方法的扫频的密集度要高于第一轮方法、换能器的运行功率更高，从而提高了扫频的精确性；并且，第二轮方法的扫频的区间仅仅为第一轮的区间的一部分，则可以理解的，所丢弃的另外一部分就不用第二轮扫频了，从而提高了查找的速度。之后，再执行一轮搜索谐振频率点的方法，且在该方法中也使用了线性扫频的方法，密集度相对于前两轮的缩小谐振频率点查找区间的方法均要高，且换能器的运行的功率更高，从而又进一步的提高了扫频的精确性，且第三轮方法的扫频的区间要是第二轮的区间的一部分，则可以理解的，所丢弃的另外一部分就不用第三轮扫频了，从而提高了查找的速度。可见该查找谐振频率点的方法可以快速高效的查找到谐振频率点。

附图说明

图1是本发明实施例一中的用于换能器的搜索谐振频率点的方法的流程示意图；

图2是本发明实施例二中的用于换能器的缩小谐振频率点查找区间的方法的流程示意图；

图3是本发明实施例三中的换能器的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明实施例一提供了一种用于换能器的搜索谐振频率点的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤101：获取第一测试区间、以及位于所述第一测试区间中的若干第一测试频率点，第一测试频率点=第一初始频率值+m*第一递增值，m为大于等于零的整数，且第一初始频率值大于等于第一测试区间的最小频率值，第一测试频率点小于等于所述第一测试区间的最大频率值；这里，若干第一测试频率点是位于该第一测试区间的若干离散的值。

步骤102：持续对第一测试频率点进行测试，直至测试完所有第一测试频率点，所述对第一测试频率点进行测试具体为，控制所述换能器工作在第一功率和第一测试频率点，且在确定所述换能器的电压和电流之间的相位差小于等于预设值时，获取所述换能器的对应频率点上的阻抗值，并将所述阻抗值与第一测试频率点之间的对应关系存入第一集合；在实际中，当第一测试频率点越靠近谐振频率点时，所述换能器工作在第一功率和第一测试频率点时，换能器的电压和电流之间的相位差会越小，且阻抗值的模也会越小。在步骤102中，仅仅将相位差小于等于预设值的第一测试频率点存入第一集合，则可以极大的缩小第一集合中的元素的数量，从而可以加速步骤103的执行速度。这里，所述相位差小于等于预设值，包括：相位差的绝对值小于等于预设值。

步骤103：第一集合中的模最小的阻抗值对应的第一测试频率点即为谐振频率点。可以理解的是，谐振频率点会位于“第一集合中的模最小的阻抗值对应的第一测试频率点”的附近，由于谐振频率点与该第一测试频率点的差会小于第一递增值，而如果第一递增值足够小的话，则可以认为谐振频率点就为第一测试频率点。

本发明实施例还提供了一种用于换能器的搜索谐振频率点的装置，包括以下模块：

第一参数获取模块，用于获取第一测试区间、以及位于所述第一测试区间中的若干第一测试频率点，第一测试频率点=第一初始频率值+m*第一递增值，m为大于等于零的整数，且第一初始频率值大于等于第一测试区间的最小频率值，第一测试频率点小于等于所述第一测试区间的最大频率值；

第一测试模块，用于持续对第一测试频率点进行测试，直至测试完所有第一测试频率点，所述对第一测试频率点进行测试具体为，控制所述换能器工作在第一功率和第一测试频率点，且在确定所述换能器的电压和电流之间的相位差小于等于预设值时，获取所述换能器的对应频率点上的阻抗值，并将所述阻抗值与第一测试频率点之间的对应关系存入第一集合；

第一确定模块，用于第一集合中的模最小的阻抗值对应的第一测试频率点即为谐振频率点。

本发明实施例二提供了一种缩小谐振频率点查找区间的方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤201：获取第二测试区间、以及位于所述第二测试区间中的若干第二测试频率点；在实际使用中，换能器的谐振频率点有可能会发生漂移，可以理解的是，根据经验，可以估算出其处于的一个区间（例如，可以根据换能器自工作以来的温度的变化，来估算出该区间），则该区间即为第二测试区间。这里，若干第二测试频率点是位于该第二测试区间的若干离散的值，可以理解的是，谐振频率点会位于某个第二测试频率点的附近。

步骤202：持续对第二测试频率点进行测试，直至测试完所有第二测试频率点，所述对第二测试频率点进行测试具体为，控制所述换能器工作在第二功率和第二测试频率点，且在确定所述换能器的电压和电流之间的相位差小于等于预设值时，获取所述换能器的对应频率点上的阻抗值，并将所述阻抗值与第二测试频率点之间的对应关系存入第二集合；在实际中，当第二测试频率点越靠近谐振频率点，换能器工作在第二功率和第二测试频率点时，换能器的电压和电流之间的相位差会越小，且阻抗值的模也会越小。在步骤202中，仅仅将相位差小于等于预设值的第二测试频率点给存入第二集合，则可以极大的缩小第二集合中的元素的数量，从而可以加速步骤203的执行速度。这里，所述相位差小于等于预设值，包括：相位差的绝对值小于等于预设值。

步骤203：从第二集合中获取模最小的阻抗值对应的第三测试频率点；将所述第二测试区间分割为若干子测试区间，在确定第三测试频率点大于等于第一子测试区间的最小频率值、且小于等于第一子测试区间的最大频率值时，所述谐振频率点处于第一子测试区间。在步骤203中，第三测试频率点是第二集合中的所有元素中的模最小者，则可以理解，谐振频率点必然位于第三测试频率点的附近，即位于包含第三测试频率点的某个子测试区间中，由于该子测试区间是测试区间的一部分，从而实现了缩小查找区间的目的；这里，第一子测试区间为若干子测试区间中的一个。

这里，将所述第二测试区间分割为若干子测试区间，就是在第二测试区间中取若干个值，以这些值为分界点，将该第二测试区间分割为若干个相邻的子测试区间；例如：第二测试区间为[a，b]，在第二测试区间中取两个点a1，a2，且a1＜a2，则第二测试区间被分为三个相邻的子测试区间[a，a1)，[a1，a2)，[a2，b]。且这三个子测试区间都具有最小频率值和最大频率值，例如：子测试区间[a，a1)的最小频率值为a，最大频率值为a1；子测试区间[a1，a2)的最小频率值为a1，最大频率值为a2；子测试区间[a2，b]的最小频率值为a2，最大频率值为b；并且当第三测试频率点处于某个子测试区间时，由于谐振频率点位于第三测试频率点的附近，则可以谐振频率点最有可能处于该子测试区间。例如，当a1≤第三测试频率点≤a2时，则可以断定谐振频率点处于子测试区间[a1，a2)。

可选的，当谐振频率点等于某个分界点时，还可以将该分界点所分割的两个相邻子测试区间合并，则谐振频率点最有可能位于该合并的相邻子测试区间，例如，当第三测试频率点=a2时，谐振频率点最有可能处于合并的子测试区间[a1，b]。

优选的，所述位于所述第二测试区间中的若干第二测试频率点，包括：第二测试频率点=第二初始频率值+n*第二递增值，n为大于等于零的整数，且第二初始频率值大于等于第二测试区间的最小频率值，第二测试频率点小于等于所述第二测试区间的最大频率值。这里，若干第二测试频率点是均匀分布的，从而可以更加快速的缩小查找区间。

优选的，所述将所述第二测试区间分割为若干子测试区间，包括：将所述第二测试区间分割为若干等长的子测试区间。

优选的，所述将所述第二测试区间分割为若干子测试区间，包括：将所述第二测试区间分割为两个等长的子测试区间。

本发明实施例提供了一种缩小谐振频率点的查找区间的装置，包括以下模块：

第二参数获取模块，用于获取第二测试区间、以及位于所述第二测试区间中的若干第二测试频率点；

第二测试模块，用于持续对第二测试频率点进行测试，直至测试完所有第二测试频率点，所述对第二测试频率点进行测试具体为，控制所述换能器工作在第二功率和第二测试频率点，且在确定所述换能器的电压和电流之间的相位差小于等于预设值时，获取所述换能器的对应频率点上的阻抗值，并将所述阻抗值与第二测试频率点之间的对应关系存入第二集合；

第二确定模块，用于从第二集合中获取模最小的阻抗值对应的第三测试频率点；将所述第二测试区间分割为若干子测试区间，在确定第三测试频率点大于等于第一子测试区间的最小频率值、且小于等于第一子测试区间的最大频率值时，所述谐振频率点处于第一子测试区间。

本发明实施例三提供了一种用于换能器的查找谐振频率点的方法，包括以下步骤：

步骤301：依据所述换能器所允许的最小工作频率值和最大工作频率值形成第二测试区间，并获取第二功率和第二递增值；可以理解的是，谐振频率点必然大于等于最小工作频率值、并且小于等于最大工作频率值，因此，该查找谐振频率点的方法必然能够查找到位于第二测试区间中的谐振频率点。

步骤302：执行实施例二中的缩小谐振频率点查找区间的方法；这里，在该缩小谐振频率点查找区间的方法中的第二测试区间、第二功率和第二递增值即为步骤301中的值，在步骤302执行完毕之后，所得到第一子测试区间为第二测试区间的一个部分，即将谐振频率点查找区间给缩小了。可选的，该步骤中的第二递增值为20hz。

步骤303：将第二测试区间设为第一子测试区间，并执行实施例二中的缩小谐振频率点查找区间的方法；在该步骤中，第二测试区间等于步骤302中所生成的第一子测试区间，即该缩小谐振频率点查找区间的方法在步骤302中所生成的第一子测试区间中继续缩小查找区间，且在该缩小谐振频率点查找区间的方法执行完毕之后，得到一个新的第一子测试区间，从而进一步将查找区间给缩小了。可选的，该步骤中的第二递增值为10hz。

步骤304：将第一测试区间设为第一子测试区间，并执行实施例一中的搜索谐振频率点的方法。这里，第一测试区间即为步骤303所产生的新的第一子测试区间；在步骤302和303中，执行了两次缩小谐振频率点查找区间的方法，因此，可以将查找区间缩小到一个合理的范围，从而在步骤304中能够提高搜索的速度。根据发明人的长期工作实践，发现一般进行两次缩小查找范围，就可以使得查找范围足够小，从而使得在步骤304中，执行搜索谐振频率点的方法足够快。可选的，该步骤中的第二递增值为2hz。

优选的，所述将第二测试区间设为第一子测试区间，并执行实施例二中的所述的缩小谐振频率点查找区间的方法，包括：将第二测试区间设为第一子测试区间，增加第二功率的值，减小第二递增值的值，并执行实施例二中的缩小谐振频率点查找区间的方法。这里，在执行完第一轮缩小谐振频率点查找区间的方法之后，将第二功率的值增大、第二递增值的值减小，从而使得在第二轮缩小谐振频率点查找区间的方法中，相邻的第二测试频率点的差值更小了，且换能器会以更高的功率运行，从而可以提高第二轮缩小谐振频率点查找区间的方法的精确性。

优选的，将第一测试区间设为第一子测试区间，并执行实施例一中的搜索谐振频率点的方法，包括：将第一测试区间设为第一子测试区间，增加第二功率的值并赋值给第一功率，减小第二递增值的值并赋值给第一递增值，并执行实施例一中的搜索谐振频率点的方法。这里，在执行玩第二轮缩小谐振频率点查找区间的方法之后，将第二功率的值增大并赋值给第一功率、第二递增值的值减小并赋值给第一递增值，从而使得在搜索谐振频率点的方法中，相邻的第一测试频率点的差值更小了，且换能器会以更高的功率运行，从而可以提高搜索谐振频率点的方法的精确性。

在本实施例所提供的查找谐振频率点的方法中，先执行两轮缩小谐振频率点查找区间的方法，在这两轮方法中，均使用了线性扫频的方法，但第二轮方法的扫频的密集度要高于第一轮方法、换能器的运行功率更高，从而提高了扫频的精确性；并且，第二轮方法的扫频的区间仅仅为第一轮的区间的一部分，则可以理解的，所丢弃的另外一部分就不用第二轮扫频了，从而提高了查找的速度。之后，再执行一轮搜索谐振频率点的方法，且在该方法中也使用了线性扫频的方法，密集度相对于前两轮的缩小谐振频率点查找区间的方法均要高，且换能器的运行的功率更高，从而又进一步的提高了扫频的精确性，且第三轮方法的扫频的区间是第二轮的区间的一部分，则可以理解的，所丢弃的另外一部分就不用第三轮扫频了，从而提高了查找的速度。可见该查找谐振频率点的方法可以快速高效的查找到谐振频率点。

如图3所示，本发明实施例还提供了一种换能器，包括以下模块：

电源1，用于为换能器提供电源，例如，交流-直流-交流转换器等；

超声电源发生器装置2，用于为换能器5提供电源；

功率匹配单元3，用于设置和控制换能器的功率；

换能器调谐匹配单元4，用于设置和控制换能器的频率；

超声波换能器5，用于以预设的功率和频率工作，从而产生超声波；

输出采样调理单元7，用于获取超声波换能器5的电压、电流和阻抗值，并输出给控制单元8；

控制单元8，用于接收输出采样调理单元7的输出信息（例如，超声波换能器5的电压、电流和阻抗值），执行实施例一至实施例三中所述的搜索谐振频率点的方法和缩小谐振频率点查找区间的方法，并将控制指令输出给超声驱动的输入单元6；

显示与控制单元9，用于显示超声波换能器的工作状况（例如，超声波换能器5的电压、电流和阻抗值等），并接受用户的输入指令；

超声驱动的输入单元6，用于接收控制单元8的控制，控制超声波换能器的工作。

本发明实施例还提供了一种用于换能器的查找谐振频率点的装置，包括以下模块：

第三参数获取模块，用于依据所述换能器所允许的最小工作频率值和最大工作频率值形成第二测试区间，并获取第二功率和第二递增值；

第三测试模块，用于执行实施例二中的缩小谐振频率点查找区间的方法；

第四测试模块，用于将第二测试区间设为第一子测试区间，并执行实施例二中的缩小谐振频率点查找区间的方法；

第五测试模块，用于将第一测试区间设为第一子测试区间，并执行实施例一中的搜索谐振频率点的方法。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。