超声波发生器中的匹配电路和频率跟踪电路

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    超声发生器除了具有一般放大器中的整流、振荡、放大和保护等通用电路外．还有一些特殊的电路，如频率自动跟踪、匹配、功率自动控制、振动系统振幅控制等电路。这些电路是发生器负载(即换能器)的特殊性质所要求的。这里对其中最主要的两种，即匹配电路和

频率自动跟踪电路作一介绍。

    1．匹配电路

    发生器有一个最佳负载值(有时亦称为输出阻抗)，只有当实际负载等于此值时，发生器才能工作于设计状态，向负载提供额定的输出。否则，就需要通过输出变压器作阻抗变换。除此之外，还必须进行调谐。因为换能器为一有抗负载，直接联接到发生器上时，会产生

相当大的无功损耗，不仅使效率降低，而且会影响到发生器的安全使用。因而，需要有一个电抗相反的元件来“抵消”换能器中电抗分量的影响，这就是所谓的调谐。以压电换能器为例，在谐振频率附近，其等效电路如图2．6l (a)所示。图中Co为静态电容，L、C和R分别为换能

图2．61  压电换能器的等效电路

器的动态电感、动态电容和动态电阻。在机械谐振时，串联支路中仅剩下电阻分量，等效电路如图2．61(b)所示。可见此时的换能器为一容性负载，需要用一个电感元件来与之调谐。

    按照电抗元件接入的方式不同，调谐可分为串联调谐(通常称作串联匹配)和并联调谐(并联匹配)。图2．62以压电换能器为例，表示出这两种调谐方法。

由下图可以看出，并联调谐的道理比较简单，即用一个电感LP与换能器并联，并使得LP＝1／ω_s²Co，式中ω_s为换能器的机械谐振圆频率。对串联调谐，则需要先把等效电路由并联形式变为串联形式。

变换前后各元件值之间的关系为R’=R/(1+ω_s²Co²R²)，：Co’=(1+1/ω_s²Co²R² )，再将一个电感Ls与换能器串联，并使Ls＝1／ω_s²Co’,这时，换能器与电感Ls合起来相当于一个电阻R’。

图2．62  串联调谐和并联调谐

从原理上讲，串联调谐与并联调谐并无优劣之分。但实际上，则多采用串联调谐。这是因为串联调谐后的等效阻R’，比并联凋谐后的等效阻R小得多(前者仅为后者的1/(1+ω_s²Co²R²))，因此，在获取相同功率的条件下，前者所需的激励电压比后者低得多。这意味着采用串联调谐时输出变压器次级绕组的圈数可以少许多，由此带来体积缩小、分布电容较小等一系列的好处．

以上只是对超声波匹配电路作了最基本的介绍。实际上的匹配要复杂得多。

 2．频率自动跟踪

    在许多时候，换能器是用于负载变动剧烈的场合。即使在负载比较稳定的情况下，换能器(以及与之配合使用的变幅杆、工具头)的参数也会因为发热、老化、磨损、疲劳等原因而发生变化。这些都会使得换能器的谐振频率改变。如果发生器的工作频率不随之而变．换能器将工作在失谐状态而使效率降低，甚至停振。因此，需要采取措施使发生器的振荡频率随着换能器的谐振频率作相应的变化，以保证换能器始终工作在谐振状态。这种措施就是所谓的频率自动跟踪。超声波焊接机

    实现频率跟踪的构思是这样的：从换能器的电端或声端取得一个反映换能器谐振特性的信号，用这个信号控制发生器的振荡频率，或者直接用此信号激振。这样，便可使发生器的工作频率与换能器的谐振频率始终保持一致。

    从换能器电端拾取信号的方法称为电反馈法，从声端拾取信号的方法称为声反馈法。声反馈法目前很少采用，这里只介绍电反馈法的几种方案。

    电流反馈法
如图2．63所示，取样电阻r对流经换能器的电流采样，此采样信号被反馈至发生器的输入端激振。在正常工作即发生器的振荡频率等于换能器的机械谐振频率时，r上的电路与发生器输出电压同相，振荡条件得以满足．一旦换能器的谐振频率改变，r上的电压不再与输出电压同相，原有的振荡条件被破坏。重新建立起来的振荡仍将满足r上的电压与输出电压同相，这意味着发生器的振荡频率已随换能器的谐振频率而变．这种方法最为简单，但跟踪灵敏度不高，稳定性较差。

    差动变量器电桥法
如图2．64所示，Co、C、L、R表示换能器的等效参数，T为差动变量器，C1为补偿电容，T1和T2是变量器的两个对称线圈．当C1，Tl、T2和Co组成的电桥平衡时，I1和I0在变量器T中产生的磁通将相互抵消，只有串联支路电流I通过T2时产生的磁通会在绕组T3中感应出电压Vi ,故Vi只与串联支路有关。只有当机械谐振时，I为最大，Vi也最大，且与激励电压Vo同相，满足振荡产生的相位条件。因此，发生器的振荡频率将会始终跟踪换能器的机械谐振频率。

图2．64  差动变量器电桥法

锁相法

 当超声波换能器谐振且与发生器匹配时，其输入特性(包括匹配电抗元件在内)相当于一个纯阻。此时，加于其上的电压与流过的电流同相。一旦换能器的谐振频率改变，此电压与电流之间就会有一个相位差。锁相法的原理就是检测出这个相位差的大小和符号，用此偏差信号去调节振荡器的频率，使相位差减小，直至被锁定在零上。图2．65示出了这种方法的原理框图，图中的VCO为压控振荡器。

锁相法的关键是取得电压与电流之间的相位差。图2．66所示电路可以检出两个同频率信号的相位差，并以输出电压的正负来代表是哪个信号超前。这就是一个典型的相位检测器。

用相位检测器的输出去控制VCO，就能改变其振荡频率直至相位差减小到零，由此达到了频率跟踪的目的。

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