高频超声理疗仪驱动电源设计
发布时间：2020-09-22 12:40
现阶段,检测超声在医疗领域应用广泛。而功率超声在医疗方面应用相对较少,处于研究阶段的如超声刀,靶向给药等。超声的理疗作用已被广泛的认可,但理疗仪的驱动电源仍存在不足。由于超声理疗频率较高大多在1MHz以上,若采用传统的功率芯片实现输出功率放大的功能,将存在输出功率是否可调节、输出电压波形是否畸变等问题。在实际应用中,仅仅依靠超声电源的匹配网络难以完成精确的匹配。且由于换能器发热、粘合剂的不同、老化等因素导致的换能器几个动态参数变化,换能器的谐振频率也会不断改变,此时要求超声电源能跟踪换能器的谐振频率,从而避免能量的大量损耗以及进一步发热灼伤病人。本文参照超声理疗驱动电源的国内外的研究现状,就目前存在的问题,设计了驱动频率为1MHz输出功率为10W的数字化超声电源整体架构。根据换能器电学等效阻抗模型,设计了超声换能器的静态匹配网络并计算了元器件参数。分析比较了FFT变换法、相关函数法、过零点比较法等相位差检测方法,选择合适的相位差检测方法并设计相关的检测电路。采用基于LCC功率谐振逆变器实现功率放大,对谐振逆变器各个模块进行分析,利用电路理论等知识给出LCC谐振逆变器参数的计算方法。比较目前开关电源常用的功率调节方法,引入PDM方法实现输出功率的可调节。针对理疗换能器自身谐振频率的漂移,引入频率自跟踪功能,使得换能器始终处于谐振状态。对工程应用中常用的频率点搜索算法提出改进,并指出其不足。针对换能器具有复杂的非线性、没有精确数学模型的特性提出基于模糊控制器的频率跟踪算法,并利用数学仿真工具Matlab中的模糊工具箱和Simulink仿真平台,搭建了基于模糊控制器的频率跟踪算法仿真模型。其仿真结果验证了模糊控制器实现频率跟踪的可行性和快速性。论文最后制作了超声理疗仪的实验平台,通过实验验证了基于LCC谐振逆变器和模糊锁相环构成的驱动器系统可以高效地驱动理疗换能器,能够实现换能器两端电压电流同相位,系统能够安全、稳定的持续运行。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH789
【部分图文】：
图 1-2 超声理疗超声理疗在实际应用中有两个主要的参数不可忽视，一是超声频率，二是强度。在传播过程中，超声波的频率越高，则在传播过程中的衰减速度就会。所以在实际的治疗过程中，要根据病变的部位来选择合适的超声理疗仪的。例如，当治疗心脏等内脏器官时选择的频率要比治疗皮肤等表面部位的频。在实际的应用中，超声理疗仪的频率范围在 0.8MHz 到 2MHz 之间。功率强来描述超声理疗换能器输出强度，也就是所谓的超声剂量。在超声理疗过程中于病变部位对超声的敏感程度不同，例如骨骼肌对超声波很敏感而结缔组织声敏感性较差，需要选择合适的超声剂量。为满足大多数的理疗需要，一般声理疗设备输出功率强度20.1 1.5 W /cm。.2 超声理疗仪现状、发展趋势.2.1 超声理疗仪的现状压电效应与反压电效应与上世纪末被发现后，基于电子学的超声波的产生使得超声被广泛的应用在各个领域，开启了超声技术的新篇章[3]。国际医学超
中给出超声频率和功率选择，并设计了基于 LLC 的功率放大电路。相比于国外，国内对超声理疗的起步更晚，目前在各高校有许多优秀研果。文献[8]是浙江大学对不同频率的超声波对药物导入影响研究，文章中采超声频率是 0.8MHz 和 1MHz，并研究了换能器失谐对药物导入的影响，并采态匹配使换能器处于谐振状态。文献[9]是东北大学设计的用于治疗软骨损伤声治疗仪，治疗仪的驱动频率为 1.5MHz，输出功率为 15W。文中主要研究了理疗换能器的阻抗匹配和信号产生技术。文献[10]是南方医科大学研究的高频空化效应对肿瘤细胞生长的抑制作用，文中采用的超声频率为 3MHz，电源的功率为 30W，采用全桥逆变电路和移相调节实现功率输出。文献[11]研究了超疗仪的频率自动跟踪技术，文中采用电压和电流相位差作为反馈信号，采用糊控制实现频率跟踪技术。与此同时，国内许多超声理疗产品也陆续推出，如深圳市德迈科技有限的 DM-200B、深圳市威尔德医疗电子有限公司的 WED-300B、广州多浦乐电技有限公司的 T-5000、天津乐今科技有限公司的 UT1021、江苏福瑞科技有限的 RZ 等。图 1-3 是市面上所见的超声理疗仪设备图。
其实物图2-2 所示。72MHz 为其最高的工作频率。STM32F103VCT6 多达 80 个输入输出 I/O口，含有 2 个 12 位的模数转换器且其采样频率为 1MHz、多个定时器可供使用，同时含有的数字鉴相器也大大利于课题的设计。总之，单片机 STM32F103VCT6含有的以上资源足够本课题使用。图 2-2 主控芯片实物图2.3 电端匹配网络换能器是超声理疗仪驱动电源必不可少的组成部分，目前市场上的换能器种类繁多，本论文中将采用压电陶瓷陶瓷换能器且其谐振频率为 1MHz。本节将基于
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH789
【部分图文】：
图 1-2 超声理疗超声理疗在实际应用中有两个主要的参数不可忽视，一是超声频率，二是强度。在传播过程中，超声波的频率越高，则在传播过程中的衰减速度就会。所以在实际的治疗过程中，要根据病变的部位来选择合适的超声理疗仪的。例如，当治疗心脏等内脏器官时选择的频率要比治疗皮肤等表面部位的频。在实际的应用中，超声理疗仪的频率范围在 0.8MHz 到 2MHz 之间。功率强来描述超声理疗换能器输出强度，也就是所谓的超声剂量。在超声理疗过程中于病变部位对超声的敏感程度不同，例如骨骼肌对超声波很敏感而结缔组织声敏感性较差，需要选择合适的超声剂量。为满足大多数的理疗需要，一般声理疗设备输出功率强度20.1 1.5 W /cm。.2 超声理疗仪现状、发展趋势.2.1 超声理疗仪的现状压电效应与反压电效应与上世纪末被发现后，基于电子学的超声波的产生使得超声被广泛的应用在各个领域，开启了超声技术的新篇章[3]。国际医学超
中给出超声频率和功率选择，并设计了基于 LLC 的功率放大电路。相比于国外，国内对超声理疗的起步更晚，目前在各高校有许多优秀研果。文献[8]是浙江大学对不同频率的超声波对药物导入影响研究，文章中采超声频率是 0.8MHz 和 1MHz，并研究了换能器失谐对药物导入的影响，并采态匹配使换能器处于谐振状态。文献[9]是东北大学设计的用于治疗软骨损伤声治疗仪，治疗仪的驱动频率为 1.5MHz，输出功率为 15W。文中主要研究了理疗换能器的阻抗匹配和信号产生技术。文献[10]是南方医科大学研究的高频空化效应对肿瘤细胞生长的抑制作用，文中采用的超声频率为 3MHz，电源的功率为 30W，采用全桥逆变电路和移相调节实现功率输出。文献[11]研究了超疗仪的频率自动跟踪技术，文中采用电压和电流相位差作为反馈信号，采用糊控制实现频率跟踪技术。与此同时，国内许多超声理疗产品也陆续推出，如深圳市德迈科技有限的 DM-200B、深圳市威尔德医疗电子有限公司的 WED-300B、广州多浦乐电技有限公司的 T-5000、天津乐今科技有限公司的 UT1021、江苏福瑞科技有限的 RZ 等。图 1-3 是市面上所见的超声理疗仪设备图。
其实物图2-2 所示。72MHz 为其最高的工作频率。STM32F103VCT6 多达 80 个输入输出 I/O口，含有 2 个 12 位的模数转换器且其采样频率为 1MHz、多个定时器可供使用，同时含有的数字鉴相器也大大利于课题的设计。总之，单片机 STM32F103VCT6含有的以上资源足够本课题使用。图 2-2 主控芯片实物图2.3 电端匹配网络换能器是超声理疗仪驱动电源必不可少的组成部分，目前市场上的换能器种类繁多，本论文中将采用压电陶瓷陶瓷换能器且其谐振频率为 1MHz。本节将基于
【参考文献】
相关期刊论文 前7条
1 李炳毅;丁U
本文编号：2824399
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/2824399.html
