Усилитель мощности на пьезоизлучатель, Медицинский прибор Опции

[Firer]

Кто в курсе, как выходной каскад сделать на пьезоизлучатель для прибора УЗИ? Работает на частоте 2МГц.
Частоту с мощных ОУ напрямую если подавать - бесполезно.
Т.к. напряжение на излучателе в резонансе должно увеличиваться и-з-за резонанса.
Развязать трансформатором на ферр. кольце, сколько витков примерно сделать? Или просто транзистор?

[SmartRed]

Для ответа на ваш вопрос необходимо знать во первых, емкость или индуктивность т.е. волновое сопротивление излучателя на частоте резонанса и добротность.
Во вторых, какую реактивную мощность нужно туда нужно загнать.

Обмерьте его и станет тогда ясно как согласовать с вашим выходным каскадом.

[Firer]

Емкость 5нф.
Индуктивность - как мерять, не в курсе.
Площадь 4см2. Необходимая мощность излучения 2мВт на см2.
На выходе в схеме стоят 2 ОУ AD8092, питание 3.3в

[rod]

А известно, какому напряжению на пьезоизлучателе в нагруженном состоянии соответствует требуемая мощность излучения?

[Firer]

Нет. Уточняю.

[prototype]

Когда-то доводилось чинить УЗИ, там пьезоизлучатель качал каскад на КП7хх (точно не помню, но весь такой золотой - в лучших традициях отечественного ВПК) и напряжение в импульсе было пару сотен вольт. Резюме - об операционниках на выходе раскачки - забудьте.

[Firer]

Ого! Так значит все-таки резонанс!
Трансформатор нужен - вот для меня загадка, или напрямую?

[rod]

Ого! Так значит все-таки резонанс!
Трансформатор нужен - вот для меня загадка, или напрямую?

Наверное следует скомпенсировать емкостную составляющую. На частоте 2МГц индуктивность примерно 5мкГн для 5нФ (если правильно прикинул). Как запитывать - через транс, или напрямую, зависит, от того, какое напряжение, ток должны быть в нагруженной системе. У Вас есть средства для оценки излучаемой мощности? Если так, то надо определиться с режимами (ток, напряжения) в нагруженном и ненагруженном состоянии. После можно оценивать: подходит, не подходит ОУ, нужен или нет трансформатор.

[SmartRed]

Ого! Так значит все-таки резонанс!
Трансформатор нужен - вот для меня загадка, или напрямую?

Если вы не наврали с емкостью и частотой резонанса то
для Co=5nF и Fo=2MHz Lo=1.27uH и собств сопрот контура 15.9 Ом.

Если для керамики взять на вскидку добротность порядка сотни то
Эквивалент нагрузки будет 1.6кОм и для 8 мВт нужно ~3.6 Вэфф.

Проведите такой эксперимент:
Подайте от генератора с постоянным напряжением и изменеяемой частотой через резистор порядка Rг 5-10К на излучатель и найдите резонанс (предположительно паралельный, т.е. максиум напряжения на излучателе).
найдите сопрот нагрузки по ф-ле

Rн = Rг*Uн/(Uг-Uн)

Где Uн - напряжение на излучалеле при резонансе
Uг - напряжение генератора
Rг - выходное сопротивление генератора

Попутно уточните частоту резонанса. Если кривая резонанса будет сильно пологая увеличте сопротивление Rг.

Результаты сообщите.

Да, каким прибором и на какой частоте измеряли емкость излучателя ?

[Firer]

SmartRed! Как вы посчитали индуктивность и сопротивление контура, пожалуйста поясните, какими формулами?

[Firer]

Вопросы снимаются, очевидно

[Stanislav]

Рабочая частота излучаещего элемента не обязательно совпадает с частотой собственного резонанса. Задача состоит в том, чтобы сделать входное сопротивление излучающей системы на рабочей частоте чисто активным. Если оно емкостное (а так часто и бывает), то для компенсации его достаточно включить между выходом мощного опера и изл. элементом индуктивность. При этом нужно следить за напяжением на элемнте - оно может достигать сотен вольт при питании опера в единицы вольт, если излучатель слабо нагружен (например, работает в воздух). Если оно активно - см. SmartRed.

[prototype]

В том УЗИ, который чинил я была применена параллельная схема возбуждения последовательного контура. То есть между питанием и землёй включены последовательно индуктивность и пьезоизлучатель, а силовой полевик включен параллельно пьезоизлучателю. Описывать процесс работы я полагаю не надо - по-моему довольно очевидно. Когда-то я работал в фирме занимающейся охранными системами - там для 125 КГц бесконтактных кард-ридеров использовалось последовательное возбуждение. Двухтактный выходной каскад раскачивал цепочку последовательно соединённых рамочной антенны (она же индуктивность) и конденсатора. Схема сильно зависит от добротности как антенны, так и кондёра. В вашем случае конденсатор (пьезоизлучатель) - априори имеет высокую добротность, значит при хорошей индуктивности можете получить вполне приличную амплитуду на излучателе. Частота возбуждения такой схемы в идеале должна точно совпадать с резонансной частотой последовательного контура - иначе будет пшик вместо раскачки. Я очень уважаю операционники AD, но все-таки сомневаюсь что опером напрямую удастся хорошо раскачать.
Кстати в УЗИ пьезоизлучатель был упакован в головку, полностью заполненную специальным маслом на основе касторки высокой очистки. Категорически не допускалось наличие пузырьков воздуха в ней - иначе опа. Там это делалось для лучшего согласования сопротивлений сред. Пациенту перед процедурой тоже мазали брюхо касторкой. Хотя если вам не надо чтобы ультразвук с минимальными потерями проходил через среды с разной плотностью - вероятно такие навороты вам не потребуются.

[Firer]

Спасибо, сегодня продолжаю эксперименты.
Бесконтактные считыватели делал, схему помню.
Я не знаю, как именно, но полагаю что мой датчик тоже хитро устроен. и вполне возможно там тоже жидкость есть.
О результатах напишу.

[Firer]

Результаты измерений:
Исследуем амплитуду сигнала на пьезоизлучателе в зависимости от частоты 0.1-7МГц. Излучатель подключен к генератору через резистор 1.5кОм.
Обнаружен резонанс на частоте около 240кГц. При этой частоте амплитуда максимальна и равна амплитуде сигнала с генератора = 5в. При других частотах амплитуда -> 0.
Получается, параллельный резонанс?
Напоминаю, емкость 5нф.
Что подскажете?
Излучатель должен работать на 2МГц.
Т.е. теперь включением последовательно индуктивности добиться смещения рез. частоты до 2МГц?

[rod]

Результаты измерений:
Исследуем амплитуду сигнала на пьезоизлучателе в зависимости от частоты 0.1-7МГц. Излучатель подключен к генератору через резистор 1.5кОм.
Обнаружен резонанс на частоте около 240кГц. При этой частоте амплитуда максимальна и равна амплитуде сигнала с генератора = 5в. При других частотах амплитуда -> 0.
Получается, параллельный резонанс?
Напоминаю, емкость 5нф.
Что подскажете?
Излучатель должен работать на 2МГц.
Т.е. теперь включением последовательно индуктивности добиться смещения рез. частоты до 2МГц?

Могу ошибаться, но это, скорее, электромеханический резонанс. Компенсирующая индуктивность на 2МГц даст электрический резонанс. Не представляю, к сожалению, чем Вы проконтролируете излучаемую мощность. Видимо косвенными измерениями (?). При чисто активном сопротивлении контура (ток в фазе с напряжением, потерями пренебрегаем) мощность=произведение тока и напряжения. Отсюда определится необходимое напряжение запитки и необходимость повышения/понижения напряжения с помощью трансформатора. Датчик, видимо, должен быть нагружен. Наличие/отсутствие нагрузки, должно, повидимому сказываться на режиме.

[Firer]

Датчик на воздухе. Т.е. есть предположение, что у датчика, погруженного в рабочую среду, мех. резонанс увеличится до 2 МГц, если он так спроектирован?
А индуктивность мне нужно будет подобрать для того, чтобы минимизировать реактивную составляющую, так?

[rod]

Датчик на воздухе. Т.е. есть предположение, что у датчика, погруженного в рабочую среду, мех. резонанс увеличится до 2 МГц, если он так спроектирован?
А индуктивность мне нужно будет подобрать для того, чтобы минимизировать реактивную составляющую, так?

Про смещение резонанса в среде врать не буду, не знаю. Но механическая работа по возбуждению колебаний в среде требует доп. подвода энергии, а это должно влиять на режим. Как сильно? (Опустить в масло? - для начала проще: в воду). Требуемые 8мВт, должны ведь излучаться в средУ. Цифра такая, наверное, следует из медицинских ограничений? Вы же обязаны ее обеспечить и не превысить? Кстати, это средняя мощность или импульсная?

[Firer]

Емкость я измерял простым прибором типа мультиметра, он меряет на частоте около 100кГц. Получается, что емкость может сильно отличаться из-за индуктивной составляющей?
Как мне вычислить номинал индуктивности, при включении которой к излучателю чтобы резонанс был на частоте 2МГц?

[rod]

Как мне вычислить номинал индуктивности, при включении которой к излучателю чтобы резонанс был на частоте 2МГц?

w^2=1/(L*C)

[prototype]

Вообще то пьезоизлучатели - приборы ультразвуковые. Использовать их в качестве антенны КВ диапазона - это волюнтаризм , тем паче всё равно работать не будет. Ультразвук на сколько я помню - это где-то между 20 и 100 Килогерцами. Возбуждать их можно и коротким высокоэнергетичным импульсом - но резонанс их определяется исключительно свойствами кристала. Поищите его в указаном диапазоне, может и найдётся. 240КГц - могут быть гармоникой основного резонанса, третьей или пятой например.
Удачи.

[s_yakov]

[quote=rod,Jun 10 2005, 18:29]
[quote=Firer,Jun 10 2005, 18:14]Результаты измерений:
Исследуем амплитуду сигнала на пьезоизлучателе в зависимости от частоты 0.1-7МГц. Излучатель подключен к генератору через резистор 1.5кОм.
Обнаружен резонанс на частоте около 240кГц. При этой частоте амплитуда максимальна и равна амплитуде сигнала с генератора = 5в. При других частотах амплитуда -> 0.
Получается, параллельный резонанс?

[/quote]
Будьте осторожны! У пьезопреобразователей (пп.) имеет место т.н. антирезонанс. Его положение по оси частот слегка смещено по отношению к резонансу и зависит от добротности исследуемого пп. Я бы рекомендовал измерять не амплитуду "сигнала с генератора", а искать мин. фазовый сдвиг между током и напряжением в цепи пп.

[s_yakov]

Вообще то пьезоизлучатели - приборы ультразвуковые. Использовать их в качестве антенны КВ диапазона - это волюнтаризм , тем паче всё равно работать не будет. Ультразвук на сколько я помню - это где-то между 20 и 100 Килогерцами.

В ультразвуковом неразрушающем контроле широко используются пьезопреобразователи в диапазоне частот от 1 до 10МГц.

[SmartRed]

Результаты измерений:
Исследуем амплитуду сигнала на пьезоизлучателе в зависимости от частоты 0.1-7МГц. Излучатель подключен к генератору через резистор 1.5кОм.
Обнаружен резонанс на частоте около 240кГц. При этой частоте амплитуда максимальна и равна амплитуде сигнала с генератора = 5в. При других частотах амплитуда -> 0.
Получается, параллельный резонанс?
Напоминаю, емкость 5нф.
Что подскажете?
Излучатель должен работать на 2МГц.
Т.е. теперь включением последовательно индуктивности добиться смещения рез. частоты до 2МГц?

Я тут копнул немного в данной области - все немного сложнее.
Вот схема замещения излучателя.



Вы нашли паралельный резонанс излучателя. Осталось найти последовательный и сопротивление.

Вот тут дана методика измерений http://www.americanpiezo.com/piezo_theory/..._frequency.html

Откуда вы взяли что излучатель должен работать на 2 МГц ?
Можно лишь понизить паралельный резонанс навешиванием внешней емкости впаралель.

[Firer]

Я немного разобрался. В экв. схеме еще беск. число конденсаторов и индуктивностей - это все гармоники. Насколько понял, на основной рез. частоте все емкеости гармоник как-то компенсируются, и для того чтобы посчитать индуктивность, которую надо включить последовательно - достаточно брать в рассмотрение C0.
Подобрал, нашел рез. частоту. Смотрю фурье-спектр сигнала на пластинах. Там видна 2МГц центральная - и вокруг нее с шагом около 240кГц маленькие пики. Мне утверждают - что это выползли гармоники по другим геометрическим направлениям, потому что я раскачиваю кварц меандром. Говорят - раскачай его синусом - и все будет чисто. Что думаете?

[SmartRed]

Я еще раз повторю вопрос: Откуда вы взяли что излучатель должен работать на 2 МГц ?

На том сайте, говорят что излучатель эффективно работает на частотах между
последовательным и паралельным резонансами.

Смотрю фурье-спектр сигнала на пластинах. Там видна 2МГц центральная - и вокруг нее с шагом около 240кГц маленькие пики. Мне утверждают - что это выползли гармоники по другим геометрическим направлениям, потому что я раскачиваю кварц меандром. Говорят - раскачай его синусом - и все будет чисто. Что думаете?

Дело в том что вы пытаетесь изнасиловать ваш излучатель а он упирается

Это вылезли его родные частоты генерации. И дело не в меандре. От меандра могут вылезти только высшие гармоники частоты возбуждения 2МГц.

Похорошему нужно смотреть не спектр на излучателе, а спектр излучаемого сигнала.

[SHANDR]

ранее занимались разработкой ультразвукового эхокордиографа
возбуждение излучателя ударное импульсом порядка 200 в
датчик демфирован индуктивностью в кордиологии применяются
излучатели с частотами 3 , 5.5 ,7 МГц (необходимо знать однозначно) связано с разрешающе спос
обностью ,глубиной измерения . т.к. затухание зависит от среды распостронения волны .Выходной каскад ключ на КТ 812 пробовали
и КП*** но в 90-х годах с достойными полевиками были проблемы.
Касторовое масло применать возможно для уменьшения потерь при
переходе сигнала через границы сред (нереотражения и т,д,)но
буржуйские гели и жмдкости для заполнения датчика(датчик у нас
качался ) дают результаты на порядок лучше.
Сигнал обрабатывали логарифмическим Усилителем
Но по теме проблем предостаточно (хороший кардиологический
прибор буржуйский с параметрами которые мы выжали в опытном
оразце стоил порядка 240 000 $