ultrazvuková sonda - buzení

Zpráva

stoptussin · #1 Příspěvek od **stoptussin** » 16 bře 2016, 21:11

Ahoj, momentálně pracuji na zapojení s ultrazvukem.
Potřebuji budit sondu Olympus V305-SU-F (nemají k ní datasheet) obdélníkovými napěťovými pulsy s amplitudou okolo -185V. Sonda má rezonanční frekvenci 2,25 MHz pro kterou má impedanci 50 Ω.

A) Nejsem si jistý jakou délku obdelníkového pulsu zvolit. Čistě teoreticky by to mohla být obrácená hodnota resonanční frekvence: 2,25 MHz -> T = 1/f -> 440 ns

B) Jaký bude proud do sondy při buzení? Lze se v tomto případě řídit pouze Ohmovým zákonem Iz = 185/50 = 3,7 A?
Předpokládám, že pokud nedodám do sondy potřebné množství proudu, tak nedosáhnu potřebného výkonu.

Hledal sem na internetu dostupné pulsní generátory, ale nenašel jsem žádný s proudem nad 2 A. Myslím tím pouze pouzdro s MOSFETy - například TC6320. Popsaný například v app note i s driverem tady http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/AN-H53.pdf

Datasheety bohužel neuváději jaký je maximální krátkodobý proud.

Ivan_Ryger · #2 Příspěvek od **Ivan_Ryger** » 16 bře 2016, 22:32

Myslím, že Vaše výpočty sú správne.
Ivan

#3 Příspěvek od **Zaky** » 16 bře 2016, 23:29

Je tam sem tam nějaké to ale, pro f res 2,25MHz bude délka periody 440ns, pokud by byl signál obdélník, bude 220ns impuls a 220ns mezera. Předpokládám, že takovéto buzení se sondě nemusí líbit, při přiložení napětí dojde k deformaci pieza, při odpojení deformace pouze zanikne, rozkmit bude nejvýše poloviční. Taktéž proud, ten poteče pouze při impulsu, při mezeře nikoli, takže i ten bude integrálně poloviční. Pravděpodobně správnější scénář buzení je plným mostem (H bridge), kde se bude každých 220ns otáčet polarita, piezo se bude deformovat symetricky na obě strany a proud poteče stále, pouze s opačnou polaritou. No a poslední věc je přípustnost obdélníkového buzení, jestli náhodou sonda nepotřebuje budit spíš sinusem, aby nebylo piezo namáháno příliš velkým zrychlením. To by se dalo řešit vhodnou dolní propustí, impedančně to ale nemusí být úplně jednoduché, piezo je vlastně C a připojování dalších frekvenčně závislých prvků může způsobit elektrickou rezonanci na jiné f, než leží mechanická rezonance pieza.

Milan · #4 Příspěvek od **Milan** » 17 bře 2016, 08:10

Myslím,že ten výpočet správný není. Elektrický model sondy viz učebnice o ultrazvuku je rezonanční obvod s tlumením závislým mimo jiné na jeho vazbě na okolí. Když do něj narvu periodický obdélník,který má mnoho lichých harmonických ,není impedance pro tyto harmonické v žádném případě 50Ω, navíc zaleží na tom tlumení . Takže Ohmův zákon sice platí, ale jen pro sinusové buzení. Při buzení obdélníkem to bude dokmitávat.
Ten elektrický model říká vlastně to,že chci-li přenést max. výkon,musím
to přizpůsobit - jinak řečeno úplně jinak se to bude chovat na vzduchu a třeba ve vodě. Doporučuji třeba skripta Ing.Rozmana z VUT.

kulikus · #5 Příspěvek od **kulikus** » 17 bře 2016, 10:03

Byl jsem u vývoje ultrazvukové špachtle pro zubaře. Měnič mění své parametry, potažmo i rezonanční frekvenci v závislosti na vazbě na okolí (zatížení). Při zatížení se F_rez posouvá o desetiny procenta. Buzení ultrazvukem o desitkách kHz se přelaďovalo v řádu stovek Hz až kHz aby se udržel maximální výkon.

Bylo to s PLL v 4046, běžný výkonový zesilovač ve třídě E a trafo pro impedanční přizpůsobení. Snímal se proud a napětí sondou a podle rozdílu fáze VCO přelaďovalo - hledalo rezonanci. Buzení sinus, i tak to dělalo svist a kravál.

Ivan_Ryger · #6 Příspěvek od **Ivan_Ryger** » 17 bře 2016, 15:51

Pokiaľ to budete budiť obdĺžnikom, pre prvú harmonickú Vám menič bude rezonovať, pre vyššie sa zvyčajne netrafíte do vyšších módov, takže sa to pre ne zvyčajne chová ako kapacita.

Čo sa týka toho výpočtu, je pravda, že ak bude obdĺžnik s rozkmitom 0-A, tak potom DC zložka je A/2 , a n-tá harmonická je 2*A/(n*pi). Takže výkon nesený v týchto harmonických pre rýdzo odporovú záťaž klesá 1/n^2. I v stave rezonancie môžete na meniči namerať nezanedbateľnú parazitnú jalovú kapacitanciu, ktorú treba vykompenzovať kompenzačnou cievkou.

Je pravda, že pri zaťažení meniča sa jeho frekvencia posúva. Záleží však od aplikácie. Videl som ručné ultrazvukové homogenizátory a malé čistiace vane, ktoré nemali dolaďovanie rezonančnej frekvencie. Bývali však nízkeho výkonu.
Pre optimálny výkonový prenos sa zväčša doplní fázový záves sledujúci rezonanciu meniča (napríklad vyššie spomínaný prúdový transformátor)

tek_fan · #7 Příspěvek od **tek_fan** » 04 dub 2016, 15:48

Zdravím, koncem loňského roku jsem získal několik desek s plošnými spoji z vyřazeného lékařského sona včetně sondy. Sonda jako taková mě moc nezajímala, ale z těch desek jsem si horkovzduchem "vytěžil" docela zajímavé součástky - třeba na buzení té sondy tam byly páry N+P MOSFEtů TC2320 (200V / 0,6 až 1,2 A podle Ugs) v jednom pouzdru SO-8, kterým asistovaly (asi jako budiče) rychlé OZ AD8017 a pravděpodobně jako snímací pak AD8008. Na zpracování analogových signálů ze sondy byly na deskách rychlé A/D převodníky AD9203 (10-Bit, 40 MSPS, 3 V, 74 mW) a spousta logiky včetně polí Xilinx Spartan a pod.
V samotné sondě pak byly 8 kanálové analogové spínače HV22816 (150V, 22 Ohmů RdsON, pulsní proud až 3A, kmitočet do 10 MHz).
Pokud by byl zájem, můžu ti pár vzorků od všeho věnovat na pokusy jen za poštovné (kontakt přes SZ).

stoptussin · #8 Příspěvek od **stoptussin** » 21 dub 2016, 23:30

Po odmlce doplním pár informací.

Jedná se o imerzní sondu. Měření bude probíhat na agarovém přípravku s gelovým rozhraním mezi agarem a sondou.

Obdélníkové buzení je přímo doporučené v datasheetu.

Pro napájení sem našel již hotový návrh DC/DC měniče od Texas Instruments 20V/200V 10mA. viz odkaz
http://www.ti.com/tool/PMP10077
Stačí mi max několik pulsů za sekundu/několik sekund. Požadavky na výkon moc velké tedy nejsou.

Asi nejjednodušší zapojení pulsního obvodu je na přiloženém obrázku. Na svorku +HVV je přiloženo vysoké kladné napětí a sonda je buzena zápornými pulzy. Při dostatečné kapacite C_DISCHARGE je možné přiblížení k tvaru obdélníkového pulsu. C_HVV by bylo dobré doplnit vybíjecím rezistorem. Po sepnutí MOSFETU se C_DISCHARGE vybije do měniče. Pro nízkonapěťové vracející se echo se diody D3 a D2 chovají jako rozpojený obvod. Zapojení diod D4, D5, D6 a D7 v kombinaci s odpory R2 a R3 slouží jako ochrana před napětím budícího pulsu. Kapacita C_DISCHARGE by měla být větší (kolikrát?) než kapacita měniče. Bohužel jsem nezjistil od podpory Olympus hodnotu kapacity měniče. Podle literatury se většina pohybuje do 500 pF.

Je možné kapacitu změřit vhodným multimetrem, nebo to vyžaduje složitější měření?

Momentálně řeším jak řídit MOSFET. V některých článcích je zapojení řešeno pomocí Schmittova klopného obvodu s výstupem na proudový zesilovač, který řídí MOSFET. To, ale není vyhovující jelikož potřebuju spínat MOSFET nepravidelně. Ideální by byl driver integráč spínaný mikroprocesorem Xmega. Zatím netuším jestli bude schopný po stisku tlačítka, nebo příkazem z počítače schopný generovat tak krátký puls.