目 录
摘要....................................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................................II
第一章绪论 (1)
§1.1 课题的研究背景及意义 (1)
§1.1.1 课题研究背景 (1)
§1.1.2 课题研究现状 (1)
§1.1.3 课题研究的意义与目的 (2)
§1.2 论文的主要工作与安排 (3)
第二章超声压电换能器的阻抗特性及测量方法 (4)
§2.1 超声压电换能器的阻抗特性 (4)
§2.1.1 换能器的等效电路 (4)
§2.1.2 换能器的阻抗频率特性 (5)
§2.1.3 换能器的导纳圆 (6)
§2.2 超声压电换能器的参数计算方法 (7)
§2.2.1 机电耦合系数 (7)
§2.2.2 等效电路参数 (8)
§2.3 超声压电换能器阻抗测量方法 (9)
§2.3.1 平衡电桥法 (10)
§2.3.2 传输线路法 (10)
§2.3.3 矢量伏安阻抗测量法 (11)
§2.4 基于最小二乘法的圆参数估计 (13)
§2.5 本章小结 (16)
第三章超声压电换能器阻抗测量硬件电路设计 (17)
§3.1 系统硬件框图及设计指标介绍 (17)
§3.1.1 系统设计指标 (17)
§3.1.2 硬件框图介绍 (17)
§3.2 处理器电路设计 (18)
§3.3 信号发生电路设计 (19)
§3.3.1 直接数字频率合成电路 (19)
§3.3.2 功率放大电路 (22)
§3.4 测量电路设计 (24)
§3.4.1 测量接口电路 (24)
§3.4.2 相敏检波电路 (26)
§3.4.3 A/D采样电路 (27)
§3.5 交互接口电路设计 (29)
§3.6 电源管理电路设计 (30)
§3.7 本章小结 (32)
第四章超声压电换能器阻抗测量的软件设计 (33)
§4.1 软件架构与设计工具 (33)
§4.2 底层软件设计 (33)
§4.2.1 LCD控制器驱动 (34)
§4.2.2 DDS驱动 (34)
§4.2.3 A/D驱动 (35)
§4.3 嵌入式实时操作系统uC/OS II (36)
§4.4 系统界面与任务调度 (37)
§4.4.1 基于uC/GUI的操作界面设计 (37)
§4.4.2 系统任务调度 (38)
§4.5 测量算法的软件实现 (39)
§4.5.1 DSP固件库介绍 (39)
§4.5.2 A/D采样数据滤波及线性标度变换 (40)
§4.5.3 阻抗测量控制策略 (41)
§4.5.4 换能器等效电路参数计算 (42)
§4.6 系统SCPI指令解析设计 (43)
§4.7 本章小结 (45)
第五章实验结果与分析 (46)
§5.1 人机交互界面展示 (46)
§5.2 实验测试 (47)
§5.2.1 阻抗测量实验 (47)
§5.2.2 超声换能器等效电路参数对比实验 (49)
§5.3 实验结果分析 (51)
§5.4 本章小结 (51)
第六章总结与展望 (52)
§6.1 全文总结 (52)
§6.2 工作展望 (52)
参考文献 (54)
致谢 (58)
硕士在读期间的研究成果 (59)
第一章 绪 论
第一章 绪 论
§1.1 课题的研究背景及意义
§1.1.1 课题研究背景
二十世纪初期，从声学领域中产生出了一支重要的分支，超声技术。超声技术是一门综合性高的学科，它综合了无线通信技术、电子技术、信号处理、雷达技术、计算机技术、生物技术等理论知识和技术方法[1]。作为超声领域中的核心部件，超声波换能器的出现和发展推动了超声技术的发展。以压电材料作为电声转换器件的压电式超声换能器是超声技术领域的研究热点。1880年，居里兄弟发现了压电效应，接着又验证了逆压电效应的存在[2]。但是由于当时的科技水平有限，压电材料的应用仅仅建立在几种单晶体材料之上，而且晶体材料生产技术难度高、产能低、适用范围窄，压电材料无法应用于超声换能器领域中[3]。一战期间，物理学家https://www.doczj.com/doc/3118897106.html,ngvein 研制出第一个实用的压电换能器，用于监测潜艇[4]。他用两块厚钢板夹着压电石英，受限于当时的工业技术水平，该探测装置不是很完善，但这种结构的换能器成为后来换能器设计的参考。1929年，前苏联科学家设计了一种利用超声波探测金属内部缺陷的方案，超声技术随之用于无损检测，成为各个发达国家的研究热点。1945年，苏、英、美、日等国家陆续地发现了钛酸钡（BaTiO3）陶瓷拥有高介电数和铁电性。钛酸钡陶瓷具有制备容易、可制成任意形状和任意极化方向、可通过掺杂改良而达到使用要求等特点[5]。1949年至1961年，美国无线电工程师协会（IRE ）陆续发布了一系列的压电晶体的标准文件[6–9]，这些标准在统一和测量标准化起了重要的作用。1954年，随着制作工艺日渐成熟，压电陶瓷换能器在体积上逐渐小型化、并且具有较好的转换效率，很强的压电效应，稳定的物理性质，被应用于大部分超声转换领域。1960年，我国开始研制第一代压电陶瓷换能器，满足了国内发展的需求，并在多方面形成了我国的特色。
§1.1.2 课题研究现状
按照声波信号产生方式的差异，市场上存在着电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式等换能器[10]。在众多超声换能器中，压电式换能器拥有诸多优点，如体积小、激励方式简单、方便加工、转换效率高、价格低、性能稳定等，是应用最广泛的换能器。目前，市场上以压电陶瓷材料为主的压电超声换能器占主导地位[11]。
超声换能器的理论研究结合了电子、机械材料、声学等理论[12]。针对超声换能器电子学方面的研究方法，延伸出了驱动网络匹配、电特性耦合、谐振频率跟踪、传输