毕业设计（论文）-超声波治疗仪器设计(54页).doc

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1、-毕业设计（论文）-超声波治疗仪器设计-第 45 页编号 淮安信息职业技术学院毕业论文题 目超声波治疗仪器学生姓名学 号系 部电气工程系专 业机电一体化班 级指导教师顾问教师二一一年十月摘 要超声波是频率高于20KHz的机械波，它可由多种能量转换器转变而成。目前，医用超声波的范围多在115MHz，是由压电晶体在交变电场作用下发生机械振动而产生。适当剂量的超声照射生物组织可以起促进生长、康复和调节机能的作用。在国内重庆海扶(HIFU)技术有限公司多年来从事超声治疗设备的研制，其海扶刀、海扶妇科超声治疗仪等超声设备一直处在国内的领先地位。此种设备由于精密度高、功能强大，治疗效果明显而受各大医院的青

2、睐。但针对目前流行的家庭治疗，由于其体积大、操作复杂、价格昂贵，很难被家庭采用。目前国内市场上较为流行的针对家庭应用的微型超声治疗仪大多数结构相似，存在着如制作工艺差，自动化程度低，操作繁杂，可调节声功率范围窄，自动保护功能弱等共同缺陷。为此，该课题借鉴美国一种便携式智能型超声治疗设备，研制了一种单片机控制系统，它以T89C51单片机为核心控制部件，对超声波治疗仪的输出量、治疗方式及时间进行精确可靠的控制，使之智能化、小型化，从而在临床治疗中更加安全、有效、方便。关键词：超声治疗 海扶技术 单片机 开关电源 目 录摘 要I目 录II第一章 系统概述11.1 超声治疗概述11.1.1 超声波的产

3、生11.1.2超声治疗的发展过程11.1.3治疗超声的声场描述21.1.4 超声治疗的机理41.2 超声治疗仪的整体设计方案51.2.1 系统主要性能指标预定51.2.2 系统采用的技术手段与系统框架6第二章 超能转换器72.1 超声换能器概述72.1.1 超声换能器的发展简史72.1.2超声换能器的主要性能指标72.2 超声压电换能器92.2.1超声换能器的分类92.2.2电致伸缩效应92.2.3 振子振动模式介绍10第三章 高频正弦波产生电路的实现113.1 电源技术概述113.1.1 电源技术的分类与应用113.1.2 电源技术的基本内容113.2 开关电源概述133.2.1 开关电源的

4、技术指标133.2.2 开关电源的基本原理153.2.3 开关电源的分类形式163.3 开关电源的基本电路173.3.1 线路低通滤波器和输入整流滤波电路173.3.2 常见的功率变换电路183.3.3 驱动电路213.3.4 开关电源集成控制器的介绍243.4 本系统开关电源的设计与实现293.4.1 高频开关电源的噪声及其抑制293.4.2 系统的设计方案30第四章 系统抗电磁干扰的对策研究314 . 1 系统的电磁兼容性试验设计314 . 2 家用和类似用途设备的电磁兼容认证标准及检验项目324 . 3 抗扰度测试仪介绍324 . 4 静电设计及其抑制对策334 .4 .1 静电放电模拟

5、器334 .4 .2 静电的处理方法354 . 5 电快速瞬变群脉冲设计及其抑制对策364 .5 .1 电快速瞬变群脉冲发生器374 .5 .2 电快速瞬变群脉冲实验数据分析394 .5 .3 抑制电快速瞬变群脉冲干扰方法424 . 6 浪涌发生器干扰设计及其抑制对策434 . 6 . 1 浪涌产生的原因444 . 6 . 2 浪涌发生器444 . 6 . 3 浪涌实验数据分析454. 6. 4抑制浪涌干扰方法484. 7治疗仪的EMC测试结果494. 8 本章小结50第五章 研究工作的总结515.1 本课题所做的主要工作515.2 相关领域的技术发展动态515.3 系统改进的方向和可能采取的

6、技术手段52致 谢53参考文献54附录1 电路图156附录2电路图257第一章 系统概述随着计算机软、硬件技术、电子技术及信号处理技术的飞速发展，超声波已在成像无损检测、测距、超声清洗、焊接应力释放、无损探伤、医疗等领域获得了非常广泛的应用。超声波用于治疗主要是利用超声在人体组织中产生的热效应、机械效应等，无创、深入人体病变部位，增强病变部位细胞膜的通透性，加强细胞的代谢功能和活力，改善血液、淋巴液的循环，使其达到治疗、康复、保健、美容的效果。为了使超声波产生足量的内生热效应、机械按摩和理化作用及杀菌功能，必须有足够的超声强度和适当的频率。我们设计的大功率超声治疗仪，其最大声功率可达20W。考

7、虑到操作方便和声头的使用寿命，采用微处理器对声头空载进行检测，具有自动保护和自动恢复功能。1.1 超声治疗概述1.1.1 超声波的产生18世纪，意大利教士兼生物学家斯帕兰扎尼研究蝙蝠在夜间活动时，发现蝙蝠是靠高频率的尖叫来确定障碍物的位置的。这种尖叫声在每秒2万到10万赫兹之间，我们的耳朵对这样频率范围内的声波是听不到的。这样的声波称为超声波。在物理学中，人们把频率为2104109Hz的声波称为超声。为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；

8、机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。1.1.2超声治疗的发展过程早在第一次世界大战末，法国物理学家Langevin在研究超声水下探测时，就发现强超声波会对鱼类等小水生物产生致死效应。接着Havery时等人发现，超声辐照可使动物体内温度升高，以致造成细胞结构损伤。1922年，德国出现了首例超声治疗机的发明专利，1939年发表了有关超声治疗取得临床效果的文献报道。但直到1949年召开的第一次国际医学超声学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。国内在超声治疗领域起步稍晚，于50年代初只有少数医院开

9、展超声治疗工作。公开的文献报道始见于1957年。50年来，已经积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。自50年代起，超声诊断技术越来越多地进入临床应用。开始为A型，继而为M型，D型(多普勒型)及B型，迅速推广普及。特别是到70年代以后，超声诊断技术频繁地更新换代，日新月异，相形之下，超声治疗一时显得停滞。但近：40年来，超声治疗技术也步入新的发展时期，并在若干方面取得了突破性进展。目前的超声治疗内容已有很大进展，除一般超声治疗法之外，还包括诸如超声药物透入疗法、超声雾化吸入疗法、超声穴位疗法(也称声针疗法)以及与其他理疗技术协同应用的超声电疗法等等。特别引人瞩目的是超声外科、超声透热治癌及体

10、外机械波碎石术，它们的出现与发展已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。1.1.3治疗超声的声场描述当患者接受超声治疗仪输出的超声辐照时，超声波对人体组织产生生物效应的：可能性及程度，严格地讲，应决定于所有声场参数的时空分布情况。但是，所有声场参数的测试几乎是不大现实的，为此需要选定少数重要的描述声场的参数，这些参数应能适宜表述该仪器的声输出所产生生物效应的能力。有若干可供选择的声场参数，诸如声压、质点振动位移、速度及加速度等。但通常使用较多的是声压和声强。声压 即声能的压力，代表超声波的强度。超声传播时在稠密区产生正压，在稀疏区产生负压。超声波由于其频率甚高，因而声压亦甚大。中等治疗计量的

11、超声波在组织中产生的附加声压约为2.6个大气压。声强 为单位时间内声能的强度，即在每秒内垂直通过每平方厘米面积的声能。常用测量单位是瓦特/厘米2(W/cm2)。临床常用治疗剂量为0.12.5 w/cm2，而震耳欲聋的大炮声声强只相当于00.0001 w/cm2，可见超声波在介质中传播时，它的巨大能量会使介质质点产生很大的加速度。1、 治疗超声的声压表述当超声治疗仪声头中的压电晶片被高频交变电场激励时，它就进入相应的振动状态。如果激励的交变电场在时间上是连续不间断的，压电片的振动在时间上也是连续不间断的，此时它发射的超声波便是连续波波形，如图1-1所示。图1-1连续超声波的声压随时间变化的波形图

12、图1-2脉冲超声波的声压随时间变化波形图图1-1 给出的是声压波形(也可以是质点振动位移、速度等)，图中T为声波的振动周期。如该声波频率为1MHz。则T为1us。当该超声波经耦合剂传播入人体内之后，在声波传播的路程上，人体组织细胞也以1MHz的频率进入振动状态，振动声压也如该图所示。治疗超声波也常取脉冲波形，这时用于激励声头的高频电场在时间上不再是连续的，而是一系列等幅脉冲波列，如图l-2所示。在图1-2中，一个脉冲从起始到终止的时间称为脉冲宽度，示为：两个相邻脉冲对应部位(如取脉冲的起始点)的时间间隔，称为脉冲周期，示为，则相应的脉冲重复频率为。并定义为脉冲的发射因子，亦常称为占空比(dut

13、y factor)。2、 治疗超声的声强表述当治疗机工作在连续波状态时，它发射的声强波形如图1- 3 所示。其中的时间峰值声强示为1TP (TP为Temporal peak的缩写)，且(p与C为媒质的密度和声速)；时间平均声强示为1TA (TA为Temporal Average的缩写)，在超声治疗仪上标示的声强就是此声强。图1-3 连续超声波声强随时间的变化在矩形脉冲波情况下，其声强波形如图1-4所示，此时的脉冲平均声强示为IPA(PA pulse Average的缩写)。图1-4 脉冲超声波声强随时间的变化在脉冲超声波情况下IPA与ITA之间的关系示为，当F逐渐：增大到等于1的时候，此时便成

14、为连续波了。1.1.4 超声治疗的机理与短波和微波治疗不同，超声对一些病理区域可以有选择地进行加热。在软组织中，加热效应是由纵波引起的，而在骨头中则是由纵波和剪切波两者共同引起的。斜入射时，剪切波对骨头的加热起了重要的作用。1、超声热现象而致的生理效应超声波作用于机体时可产生热，有些人将其称为“超声透热疗法”。超声波在机体内热的形成，主要是组织吸收声能的结果。其产热有以下特点：(1)由于人体各组织对声能的吸收量各有差异，因而产热也不同。一般超声波的热作用以骨和结缔组织显著，脂肪与血液为最少。如在超声波，1.5分钟作用时，温度上升在肌肉为1.1度，在骨质则为5.9度。(2)超声波热作用的独特之处

15、是除普遍吸收之外，还可选择性加热，主要是在两种不同介质的交界面上生热较多，特别是在骨膜上可产生局部高热。这在关节、韧带等运动创伤的治疗上有很大意义。所以超声波的热作用(不均匀加热)与其他物理因子所具有的弥漫性热作用(均匀加热)是不同的。(3)超声波产生的热将有7982%由血液循环带走，1821%由邻近组织的热传导散布，因此当超声波作用于缺少血液循环的组织时，如眼角膜、晶体、玻璃体等则应十分注意产生过热，以免发生损害。2、超声非热现象导致的生理效应(1)机械作用机械作用是超声波的一种基本的原发的作用。超声波在介质内传播过程中介质质点交替压缩与伸张形成交变声压，不仅可使介质质点受到交变压力(在治疗

16、剂量下，每一细胞均受48mg压力变化影响)及获得巨大加速度而剧烈运动，相互摩擦，而且能使组织细胞产生容积和运动的变化，可引起较强的细胞浆运动(原浆微流或称环流)，从而促进细胞内容物的移动，改变其中空间的相对位置(据观察，强度不大的超声波能使红细胞的原浆颗粒旋转，剂量大时甚至颗粒被抛出细胞外)，显示出超声波对组织内物质和微小的细胞结构的一种“微细按摩”的作用。超声波的机械作用可软化组织、增强渗透、提高代谢、促进血液循环、刺激神经系统及细胞功能，因而有重要的治疗意义，在超声治疗机理中占重要地位。(2)空化作用空化对生物机体有很大的破坏作用。其原因是：第一，空化形成的气泡可以达到某种程度的大小，以致

17、在超声场中谐振，以机械方式破坏周围的组织。第二，所释放的气体也有化学作用。空化会在人体的液体介质中发生，如眼睛、怀孕子宫或在积有液体的关节处发生，因此应避免强超声照射这些部位。（3)理化作用基于超声波的机械作用和温热作用，可继发许多物理的或化学的变化，如：氢离子浓度的改变 炎症组织中伴有酸中毒现象时，超声波可使Ph值向碱性方面变化，从而使症状减轻，有利于炎症的修复。对酶活性的影响 超声波能使复杂的蛋白质解聚为普通的有机分子，能影响到许多酶的活性。如超声作用能使关节内还原酶和水解酶活性增加，目前认为在超声治疗作用中水解酶活性的变化是起重要作用的。近年来对超声作用机理的研究，已深入到细胞分子水平。

18、在电镜下观察发现，细胞内超微结构中线粒体对超声波的作用最敏感。核酸也很敏感，实验发现低强度超声波作用可使细胞内胸腺核酸的含量增加，从而影响到蛋白质的合成，刺激细胞生长。在高强度的超声作用下，组织内可形成许多高活性的自由基，如HO、OH、H2O2等，它们可加速组织内氧化还原过程，加速生长过程。1.2 超声治疗仪的整体设计方案1.2.1 系统主要性能指标预定一般情况下超声治疗仪的工作频率范围在0.83MHz，依照不同穿透深度选用。小功率治疗仪的发射强度一般在0.253W/cm2之间，声头(发射换能器)表面大小在510 cm2 左右。根据预定治疗需要，本仪器工作频率定为800KHz，发射强度的范围为

19、0.13W/cm，声头表面大小为7cm2。超声治疗仪拟订实现的功能：(l)有三种工作方式：连续波与脉冲波(占空比分别为0.5和0.25)治疗方式。(2)声头采用单一的换能器，应产生尽可能均匀的波束。(3)声头发射的声功率，可以根据治疗需要以0.5W为步进进行调节。(4)声头的损耗要小，用以防止在治疗过程中声头因出现过热状态而成为一个表面热源。(5)仪器输出的功率和时间指示应严格校准。(6)具有定时装置，自动地控制治疗时间。(7)仪器工作稳定，治疗过程中应尽量减少噪声干扰。1.2.2 系统采用的技术手段与系统框架本超声治疗仪由高频功率发生器、超声换能器(也称声头)和功能控制电路三大部分构成。由高

20、频功率发生器提供的高频电能，通过共振激发声头中的压电晶片，压电晶片受到激发而振动时，其振动能量应从两个表面上向外双向辐射，但实际上，因晶片后边是空气，空气与晶片之间声阻抗严重失配，振动能量基本上辐射不出去，故大部分能量都从其前表面向外辐射。超声波经过超声耦合计有效地进入人体和辐照病变部位，进行临床治疗。高频功率发生器包括电源电路、功率转换电路、振荡电路和输出电路等儿个部分。电源电路为系统提供必要的电源，功率转换电路为系统提供必要的高压与功率。振荡电路产生高频振荡，并通过输出电路使之与压电晶片匹配，以有效地激励晶片产生机械振动，发射超声波。功能控制模块包括显示电路、功能设置电路、数据采集电路和输

21、出控制电路等。方案的总体设计如图l-5所示。图1-5超生治疗仪总体框图在所有超声应用中，超声波都是通过换能器产生的。所谓换能器，即指能够实现不同形式能量之间相互转换的器件。第二章 超能转换器2.1 超声换能器概述超声学是物理学的重要分支，超声换能器是超声学的核心部分。超声换能器有它自己独立的学科地位，它的研究方向是，研究尽可能满足工程实用要求的声波阻抗、脉冲响应、频率响应、阻抗匹配、声学结构、技能材料及振动模式等特性，并设计和协调这些基本特性，达到电与声之间的最佳转换。重点研究压电现象、磁致伸缩现象及洛仑兹力三种机理。2.1.1 超声换能器的发展简史超声换能器是实现声能与电能相互转换的器件。它

22、可以把声能转换为电能，也可以把电能转换为声能。最早的超声换能器是1917年P.朗之万(P.Langevin)为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以X向切割的石英晶体为压电激活材料，用两块钢板在两侧夹紧而制成的，其谐振频率为17千赫和45千赫等。1933年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，以冲孔镍片为材料，强度高，稳定性好，功率容量大，这些优点促使它迅速地取代了当时的朗之万换能器。1942年出现了铝铁合金，降低了生产成本，因此被广泛采用。到了五十年代初，电致伸缩材料、钦酸钡铁电陶瓷材料研究成功，它以介电损耗小，机电耦合系数比较大和足够高的机械强度优于石英晶体、镍和一些合金材料，于是朗之万型超

23、声换能器再度被运用，并成为当时叠片型磁致伸缩换能器的有力竞争者。五十年代中叶又发明了铁氧体磁致伸缩材料，它的特点是涡流损耗小，电声效率达到80%以上，比薄片镍做的磁致伸缩换能器，约高23倍，并且它兼有镍和其他合金材料做成的磁致伸缩换能器的一些特有优点，例如强度比较高等。此外，工艺上它是由铁氧体粉末经过简单模压烧结制成，换能器的形状可以根据需要进行设计，所以直到现在，铁氧体换能器仍为广大设计者所欢迎，并广泛地应用于各个工业领域。从五十年代，锆钛酸铅压电陶瓷的发现、研制，到六十年代被推广使用，前后花了近十年时间。它的应用在压电材料史上揭开了新的一页。锆钛酸铅与钛酸钡相比，具有耦合系数大，压电系数大

24、，居里点高，以及通过各种成分的变更能在很大范围内调整性能，以满足多种不同需要等优点，因此锆钛酸铅系陶瓷得到愈来愈广泛的应用。近十多年，这种材料迅速推广，在许多方面替代了原先的压电陶瓷材料。 2.1.2超声换能器的主要性能指标1、工作频率大多工作频率选取在换能器的机械共振频率附近，因而所谓工作频率一般指换能器的机械共振频率或附近。2、机电耦合系数超声换能器的机械能与电磁能相互转换过程，就是机电耦合过程。机电耦合系数定义为：机电耦合系数 = 贮存的机械能量/从电源取得的总能量上式是由梅森(Mason)最早给的定义。但是，定义机电耦合系数的公式很多而且各不协调。除此之外，压电元件的机械能与它的形状和

25、振动方式也有关。因此不同形状和不同振动方式所对应的机电祸合系数也不相同，机电耦合系数为无量纲单位。3、换能器的阻抗特性根据换能器的等效机电六端网络，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一方面换能器与发射电路(或接收电路)末级电阻抗应该匹配；另一方面换能器应该与辐射声负载(或接收声负载)匹配。这个匹配条件是非常重要的。换能器电、声机械特性阻抗研究是超声换能器研究的重要课题。4、换能器的方向特性一个发射或接收声波换能器其尺寸和所在介质中的声波波长可相比拟时它发射声能是集中在某些方向上的。5、换能器的功率功率包括换能器的输入电功率，机电耦合后产生的机械振动所具有的机械功率机械振动向介质辐射的声功率，是描

26、写一个辐射器在单位时间内向介质辐射多少声能的物理量。由于输入电功率转换成机械功率必然存在电损耗功率，以及机械功率转换成声功率必然存在机械损耗功率损耗，所以6、换能器的效率换能器作为能量的传输网络，有一个能量传输的效率，换能器的效率取决于类型(振动)、换能材料、机械振动系统的结构以及工作频率的选择。一般电压型超声换能器的电声效率在3050%之间。7、换能器的频率特性所谓频率特性是指换能器的主要参数，如功率、声压、阻抗及灵敏度等随频率变化的特性。超声换能器在应用中在一定的带宽内获得平坦的阻抗频率特性有重大意义。因为往往超声应用中的换能器负载是变化的，宽带可以适应变化负载以保持匹配、高效率，而失配将

27、导致电路发热，甚至损坏设备。2.2 超声压电换能器2.2.1超声换能器的分类超声换能器，如果按其使用的材料分，可划为两大类：一类是磁致伸缩换能器，它使用的材料有冲孔镍片；具有磁致伸缩性能的合金，如镍铁合金、铝铁合金以及铁氧体等。另一类是压电换能器，使用的材料有非铁电型压电晶体和铁电型压电陶瓷。2.2.2电致伸缩效应对于一些不具有对称中心的晶体，沿其某一方向施加机械作用力时，晶体就会由于发生形变而导致正负电荷重心不重合，也就是电矩发生了变化，晶体表面产生正负电荷，即显现出电位，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械力的作用而激起晶体表面荷电的效应，称之为压电效应。反之，将一压电晶体置于外电场中，在

28、电场的作用下，引起晶体内部正负电荷重心的位移，这一极化位移又导致晶体发生形变，这就叫做逆压电效应。电致伸缩效应是某些电介质材料在电场作用下，由于诱导极化的作用而引起尺寸大小显著变化的效应，即产生了形变。所以考虑这些电介质的应变时，除了计入由于应力所产生的弹性应变之外，还需计入由于这种极化作用而产生的应变。但是，由诱导极化引起的应变与极化强度的平方成正比，因此，电致伸缩的形变与外加电场的极性无关。这一点恰与晶体的逆压电效应有区别。上面己经阐明，逆压电效应是指在弹性限度内产生的形变与外电场成线性关系。电场反向时，形变的力向也发生改变，即由伸长变为缩短，或由缩短变为伸长。此外，对所有的电介质，不论是

29、晶体还是非晶体，也不论其有无对称中心，都具有电致伸缩效应。只不过一般的电介质材料，电致伸缩效应很微弱，而只有对无中心对称的晶体才存在逆压电效应。具有显著电致伸缩效应的电介质材料有：钦酸钡、锆钛铅等等。为了使它们获得的形变与电场的大小成线性关系，必须把这些材料在强直流电场下进行极化，经极化处理以后，介电材料便具有和压电晶体一样的压电效应。通常把这种材料称为压电陶瓷。其物理本质是，铁电晶体由许多的所谓电畴组成。在强大的直流电场作用下，电畴将发生边界位移以及一定程度的转向，即使在外电场撤去后，由于它具有剩电性，因此仍有大部分电畴的电矩方向与极化电场方向相同。若在经过极化处理后的压电陶瓷上加一较小的交

30、变电场(与直流极化电场相比)，则此交变的电场不能使电畴转向，但会使之发生边界位移，与电场同向的电畴在沿电场方向稍有增长；与电场不同向的电畴则可能有微小的缩短。当电场方向变化后，电畴将发生相反的变化，这就使得形变与交变场强成线性关系，即形成了类似于压电效应一样的电一力关系。2.2.3 振子振动模式介绍超声应用范围很广，它的使用频率应用范围很宽，从十几千赫一直到上百兆赫。虽然超声压电换能器的种类有各式各样的，但是，总的来讲在应用上大致分为两类，即谐振式的和非谐振式的，而绝大部分是谐振式的。谐振式换能器的效率高，多用于发射；非谐振式多数应用于接收系统，例如，用于水听器和一些被动声呐的声基阵。其优点是

31、具有平坦的接收频率响应。谐振式换能器是以它的振动模式分类的。振动模式与压电元件的几何尺寸、极化方式、激励频率等因素有关。有纵向振动模式、厚度振动模式、径向振动模式和剪切振动模式等。在合适的几何尺寸条件下，由于材料晶格的对称性，可能导致两种振动模式相互耦合，这是在设计换能器时应该尽量避免的。否则会降低效率，并且换能器的指向性会发生异常变化，从而导致对换能器的计算很复杂。纵向振动模式 纵向振动模式可以从两种方法中获得，一种是利用横向压电效应，即陶瓷元件极化方向与电场方向一致，但与机械振动方向相垂直；另一种是利用纵向效应，即陶瓷元件极化方向、电场方向、机械振动方向三者均一致。它们在机械振动方向，即长

32、度方向的尺寸远大于它们的宽度和厚度，因此，它是一种低频振动模式。径向振动模式 径向振动模式是一种径向完全对称的振动模式，极化方向和电场方向一致，都在圆表面的法向。它的厚度很薄，通常比圆片的直径小一个数量级以上，但是它的振动方向是径向(r方向)的。厚度振动模式厚度振动换能器在超声方面应用广泛，例如，超声测厚、超声无损保伤、超声医疗以及近期发展起来的超声全息等。频率范围可高达34兆赫。在水声应用方面，如水下电视、非线性声学、水声模拟物理实验以及200千赫的渔群探测器等等。厚度振动模式是一种高频模式，存在于压电薄板中。这种振动模式可通过电场垂直薄板表面来获得，即压电薄片元件的极化方向、电场方向以及机

33、械振动方向一致，都在厚度方向上。其厚度小于宽度和长度，并认为机械位移仅发生在厚度方向。薄壁环形换能器 薄壁环形换能器是利用切应力均匀的这种振动模式，这是独特的单一振动模式，没有高次谐波频率。它在水声中应用极广，可以作发射，也可以作接收。薄壁陶瓷环是一个理想的一维振动系统，结构上分径向极化和切向极化。在陶瓷环的内外两侧面披银进行极化，并加电场。结果在圆周方向发生伸张或收缩，而产生径向振动。第三章 高频正弦波产生电路的实现高频正弦波产生电路的作用主要是为超声换能器提供必须的功率，以实现产生不同功率的超声波，其实质就是一个电源产生电路。3.1 电源技术概述3.1.1 电源技术的分类与应用根据研究对象

34、的不同，电子学分为微电子学和功率电子学，前者主要研究信息处理，由微电子技术实现。后者主要研究功率处理和功率变换，由功率电子技术和微电子技术共同实现。电源技术属于功率电子技术范畴。一般将提供电能的设备称为电源，可分成3类：( l )把其他能量转换成电能，例如水力、火力、风力及核能发电等，一般称这种电源为一次电源(即供电电源，俗称电网或市电)。(2)在电能传输过程中，在供电电源与负载之间对电能进行转换或稳定处理，一般称这种电源为二次电源(即对已有的电源进行控制)。(3)平时把能量以某种形式储存起来，使用时再变成电能供给负载，典型的器件就是人们常见的各种蓄电池。二次电源，即把输入电源(由电网供电等)

35、变换成在电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性(含电磁兼容、绝缘散热、不间断电源、智能监控)等方面符合要求的电能供给负载，这是目前应用最广泛的电源技术领域，主要研究如何利用电子技术对电功率进行转换及控制，它广泛运用电磁技术、电子技术、计算机技术和材料技术等学科理论，具有较强的综合性，在工程上一般称此领域的技术为电源技术。随着科学技术的发展，对电源技术的要求越来越高，规格品种越来越多，技术难度越来越大，涉及的学术领域也越来越广。就其技术本身而言，可分成3类：(1)直流稳定电源，输入电源可以是交流电或直流电，可以是单相交流或三相交流，输出量是直流电(含稳压或稳流)，包括线性控制和开关控制两种。(

36、2)交流稳定电源，输入电源多为单相或三相交流电，输出电源仍为交流电(单相或三相，当输入量为直流电时称为逆变器)，含稳压、稳流、稳频、不间断供电等类型。(3)特种电源(或称工业电源)，例如电镀、电解、电焊、激光、高压等类型电源，输入量多为交流市电，输出量有直流、交流或脉冲形式。3.1.2 电源技术的基本内容一般情况下，电源技术的主要内容包括以下几个部分：电力电子器件、功率变换电路、电源整机及系统等。1、电力电子器件(1)不控型器件 主要是各种功率二极管，包括工频下工作的整流管、整流桥模块、快速恢复二极管、功率肖特基二极管等。(2)半控型器件 主要是晶闸管(亦称可控硅)，其控制端在器件导通后即失去

37、控制作用(故称半控型)，为了关断这类器件必须借助外部条件。(3)全控型器件 其控制端不但具有控制器件导通的能力，还有控制其关断的能力。例如双极型功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、可关断晶闸管(GTO)、MOS控制晶闸管(MCT)，还有新型的绝缘门板双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)等。2、 功率变换电路从电能变换功能来看，有下列4类：(1)将交流电变为直流电，即AC/DC变换。实现这一功能的变换电路，一般称为整流电路。(2)将直流电变为交流电，即DC/AC变换。实现这一功能的变换电路，一般称为逆变电路。(3)将一种直流电变为另一种直流电，即DC/DC变换。

38、通过这种变换实现直流电压(电流)的幅值或极性的改变，一般称为直流一直流变换器。(4)将一种交流电变为另一种交流电，即AC/AC变换。通过这种变换实现交流电压(电流)、频率的变换，前者为交流调压电路，后者为变频电路有时也需要改变相数(例如单相变三相等)。上述4种变换电路就其技术而言统称为变流技术，其电路可以单一使用，也可以组合使用，例如常用的一种变换形式如图3-1所示，将工频市电(单相或三相)直接进行整流变成直流电，通过逆变电路使其变成高频交流电(脉宽可调的正负矩形脉冲)，再通过整流变成直流电供给负载。在高频变换环节，通过脉宽调制实现输出直流电压的稳定。这就是目前常用的高频开关电源的电路模式，采

39、用的是组合变换方式。图3-1 常用的高频开关电源结构图3、 控制方式在变换过程中，通常使功率器件工作在开关状态，按设定的时序，在控制信号作用下实现电能的变换。在器件的工作过程中将伴随着各个支路间电流的转移，故有时简称换流。对于由半控型器件组成的电路，由于器件本身无关断能力，常常在换流过程中借助外部条件来关断处于导通状态的器件。换流成功是半控型电路正常工作的必要条件，因而换流过程是这类电路分析的主要内容，换流技术便是这类变换技术的核心。在AC/DC变换过程中常常引入高频变换环节，达到减小电源设备体积、减轻重量、提高效率、改善动态特性等目的，转换频率一般为几十千赫至几百千赫。70年代将由50Hz交

40、流市电供电的直流线性稳压电源发展到开关频率为20KHz的直流开关稳压电源，被誉为“20KHz革命”，然而仅仅经过10年左右的时间，开关电源的转换频率已经达到500KHz以上。对于各种变换电路的控制方式，可以归纳出下列3种：(1)相(位)控(制)方式 指控制信号幅度的变化转换成交流器件触发脉冲相位的变化，在整流电源或交流稳压电源中常用这种控制方式。(2)频(率)控(制)方式 指控制信号幅度的变化转换成变流器件触发脉冲频率的变化，在逆变电源中常用这种控制方式。(3)斩(波)控(制)方式 指控制信号幅度的变化转换成交流器件“导通时间比”的变化，在直流变换电路中常用这种控制方式。上述3种控制方式也可以

41、组合使用，例如斩波与频率控制同时采用时，构成正弦波脉冲宽度调制方式(Sinewave-PWM简称SPWM)，在交流变换器中常用这种控制方式。3.2 开关电源概述3.2.1 开关电源的技术指标开关电源的标准是以国际电工委员会标准IEC为基础，标准之一是信息处理设备(含办公设备)的安全性工EC950标准。当然，IEC的标准本身并不具有强制性，但各国在制订标准时，都是以IEC的标准为基础。1、 输入技术指标作为开关电源输入的技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的变化范围、频率、输入电流等。输入电源一般为单相二线制和三相三线制，还有单相三线制及三相四线制等。电源的额定输入电压因各国或地区不同而异

42、。例如，美国规定的交流输入电源电压为120V，欧洲为220240V，日本为I00V及200V，我国为220V及380V。输入电压的变化范围一般为10%，加上配线路径及各国的具体情况，输入电压的变化范围多为-15%+10%。开关电源最大输入电流是表示输入电压为下限值时，输出电压及电流为上限值时的输入电流。额定输入电流是在输入电压及输出电压、电流为额定时的电流。在规定的时间间隔对输入电压进行通断的，输入电流达到稳定状态之前流经的最大瞬时电流为冲击电流。对于开关电源是输入电源接通时与其后输出电压上升时流经的电流。这由输入开关的承受能力所限制，峰值电流一般为3050A。漏电流是流经输入侧地线的电流，从

43、安全考虑一般规定为0.51mA。效率是指输入输出为额定值时，其输出功率与输入有效功率之比值。效率随输出电压、电流与输出路数及开关方式不同而异，多为70%80%，并随输入与输出的条件而变化，因此，要注意电子设备的散热条件等。2、 输出技术指标输出端的直流电压的公称值称为额定输出电压，对于其公称电压规定有精度与纹波系数等。额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流。根据电子设备的不同，多路输出电源中某路输出电流增大，另路输出电流就得减小，以保持总的输出电流不变。市售的开关电源产品为使其有更好的通用性，多是在初级侧允许功率范围以内，增大次级侧各路输出功率。稳压精度也称为输出电压精度或电压调整率。输

44、出电压变动有多种原因：动静态输入电压引起的变动；动/静态负载引起的变动；环境温度引起的变动；初始特性的变动等。输出电压可调范围是指在保证电压稳定精度条件下，由外部可能调整的输出电压范围，一般为5%或10%。条件是输入电压的下限时输出电压的最大值，以及输入电压的上限时输出电压的最小值。纹波是输出端呈现的与输入频率及开关变换频率同步的分量，用峰峰值表示，一般为输出电压的0.5%以内。噪声是输出端呈现的除纹波以外频率的分量，也用峰峰值表示，一般为输出电压的l%。当噪声与纹波没明确区分时，规定纹波与噪声的总合值。多数场合中规定纹波噪声的总合值为输出电压的2%以内。3、 附属功能过电流保护 输出短路或过

45、负载时，对电源或负载要进行保护，即为过电流保护。过电流的设定值一般为额定电流的110%130%。过电压保护 过电压保护就是输出端出现过大电压时对负载进行保护的功能。过电压保护值一般规定为额定输出电压的130%150%。对于输出电压可调范围比较大的电源，过电压保护值规定为在电压上限时不会发生误动作即可。发生过电压时使开关电源停振，断开输出。恢复的方法一般是再接通输入电源或加复位信号，使开关电源恢复正常工作状态。欠压保护在输出电压达到规定值以下时，检测输出电压下降值，为保护负载以及防止负载误动作，使电源停止工作，并送出报警信号。过热保护电源内部异常或使用方法不当，电源温升超过规定值以上时，使电源停

46、止工作，并送出报警信号。强制风冷情况下，当冷却功能异常时，多数情况规定使用部件在最高温度以内使电源动作。3.2.2 开关电源的基本原理图3-2 开关电源原理图开关电源的基本原理图如图3-2所示。开关S以一定的时间重复通/断，在开关S接通时，输入电源V1供给负载RL功率：开关S断开时输入电源停止向负载供电。因此，输入电源间断向负载供电，为使负载能连续得到能量，开关电源中接有储能元件，电感L就是储能元件。在开关S接通时，电感L中存储一部分能量，而在开关S断开时，电感L中存储能量通过二极管VD释放给负载，则负载就得到连续的能量供给。在滤波电路输入端AB间得到的平均电压，改变接通时间T。和工作周期T比

47、例的方法称为TRC (Time Radio Control)。按TRC控制原理有脉冲宽度调制PWM(Pulse width Modulation)方式、脉冲频率调制PFM(Pu1se Frequency Modulation)方式和混合调制方式等。其中，PWM方式指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为周期恒定，滤波电路设计容易。但在实际情况下，受开关器件和控制电路的限制，在晶体管的开通时间内，有很短的瓦、时间可调，将使输出电压不稳定，故在输出端必须要有一定数量的假负载。PFM方式是指脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。因为可在很宽的范围内变化，输出电压的可调范围较PWM方式大，同时，只需极小的假负载。但不足之处是滤波器体积较大。TRC控制变换型开关电源的结构框图如图3-3所示。电路结构可分为主回路和控制回路两大部分。主回路是指从电网将能量传递给负载的回路，交流电压经输入滤波器和输入整流电路得到约300V的脉动直流电压，该直流电压加到由高压开关晶体管VT1相VT2及高频变压器T1组成的功率转换电路