高频超声理疗驱动器的谐振特性及优化研究

发布时间：2020-06-10 19:27

【摘要】：超声被广泛应用于医疗、加工、探伤、焊接、清洗、乳化、萃取等领域。高频超声波作用于人体后会产生各种生理作用,利用这些生理效应,可以有效改善身体的不健康状态,所以超声理疗自从出现以来就得到了广泛关注和迅速发展。谐振网络具有器件损耗低、功率密度高、负载能力强、电磁兼容性好的优势。在压电换能器和开关电路之间插入谐振网络,可以改善系统的工作特性,使系统对温度和机械参数变化不敏感。针对现有超声理疗产品成本高、波形畸变、功率不可调等缺点,本文设计了用于超声理疗驱动器的整体架构并对架构中的每个模块进行具体选型,所设计的超声驱动器工作频率在1 MHz左右。建立超声换能器的电学模型,为补偿静态电容的影响,设计了阻抗匹配网络。针对谐振网络拓扑结构复杂的问题,将三元件谐振网络分类,并将所有拓扑结构归类到两类模型上,总结不同拓扑结构在不同输入输出激励下的可行性。分析了四种常见的二元件和三元件拓扑结构的工作特性,选择LCC作为驱动器的谐振网络模块。建立基于LCC谐振网络的超声驱动器电路模型,从时域角度分析了谐振网络的工作特性。研究了开关频率对谐振网络工作模式的影响。给出状态方程和状态空间的轨迹,并分析了开关电路中控制功率的多种方式,设计了电路的功率控制方案。针对现有的超声驱动器谐振网络的参数设计过程复杂的问题,建立以输出电压和输入阻抗角为目标的谐振网络多目标优化模型,使用受控的精英遗传算法,得到谐振网络的一组最优参数。进行仿真实验,验证优化后的结果可满足要求。搭建实验平台,开发软硬件系统,最终成功制作了超声理疗仪驱动器,通过示波器采集各节点的电压波形。经实验测试,本课题开发的超声驱动器能够安全、稳定的持续运行。
【图文】：

超声理疗[5]

(a) 开通过程 (b) 关断过程 图 1-3 硬开关过使用软切换技术可以减少电磁干扰，减小切高系统效率。软开关消除了开通和关断过程中电降低了开通与关断损耗。软开关的过程如图 1-
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH789

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本文编号：2706750