Питание и управление ультразвуковым устройством, что это такое

Обновлено: 21.11.2024

Акустические каналы для имплантируемых медицинских устройств (имплантатов) привлекли внимание, прежде всего, потому, что они обеспечивают маршрут к беспроводным системам глубокого проникновения в ткани. Миниатюризация имплантатов является ключевой целью этих исследований, номинально потому, что имплантаты меньшего размера приводят к менее острому повреждению тканей. Размер имплантата в большинстве акустических систем ограничен объемным пьезокристаллом, используемым для сбора энергии и передачи данных. Дальнейшая миниатюризация пьезокристалла может снизить эффективность передачи энергии системы и надежность передачи данных. Здесь мы представляем новый метод упаковки пьезокристалла имплантата; метод максимизирует эффективность передачи мощности (η) от акустической мощности на пьезоповерхности к мощности, подаваемой на электрическую нагрузку и передачу информации по акустической линии связи. Наш метод основан на размещении якорей пьезо-подложки в пьезо-областях, где колебательное смещение интересующей моды равно нулю. Чтобы оценить наш метод, мы исследовали упакованные пьезокристаллы размером 1×1×1 мм 3 , собранные с якорями разного размера. Наши результаты показывают, что уменьшение размера анкера снижает потери в анкере и, таким образом, улучшает коэффициент качества пьезоэлемента (Q). Мы также показываем, что этот метод улучшает электромеханическую связь системы. Продемонстрировано, что сильно связанный высокодобротный пьезоэлемент с правильно подобранными и расположенными якорями обеспечивает значительно более высокое значение η и превосходную способность передачи данных при резонансе. В целом, эта работа представляет собой анализ и общий метод упаковки пьезокристалла имплантата, который позволяет спроектировать эффективную акустическую мощность и каналы передачи данных, что открывает путь к дальнейшей миниатюризации ультразвуковых имплантатов до субмиллиметровых масштабов.

Похожие статьи

Chang TC, Weber MJ, Charthad J, Baltsavias S, Arbabian A. Chang TC, et al. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2018 Окт;12(5):1100-1111. doi: 10.1109/TBCAS.2018.2871470. Epub 2018, 20 сентября. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2018. PMID: 30235147 Бесплатная статья PMC.

Озери С., Шмиловиц Д. Озери С. и др. Ультразвук. 2014 сен; 54 (7): 1929-37. doi: 10.1016/j.ultras.2014.04.019. Epub 2014 2 мая. Ультразвук. 2014. PMID: 24861424

Chang TC, Weber MJ, Wang ML, Charthad J, Khuri-Yakub BP, Arbabian A. Chang TC, et al. IEEE Trans Ultrason Ferrolectr Freq Control. 2016 Октябрь; 63 (10): 1554-1562. doi: 10.1109/TUFFC.2016.2606655. Epub 2016 Sep 7. IEEE Trans Ultrason Ferrolectr Freq Control. 2016. PMID: 27623580

Ганбари М.М., Мюллер Р. Ганбари М.М. и др. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2020 дек;14(6):1381-1392. doi: 10.1109/TBCAS.2020.3033488. Epub 2020, 31 декабря. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2020. PMID: 33095711

Шен К., Махарбиз М.М. Шен К. и др. IEEE Trans Biomed Eng. 2020 авг;67(8):2230-2240. doi: 10.1109/TBME.2019.2957732. Epub 2019, 6 декабря. IEEE Trans Biomed Eng. 2020. PMID: 31825858

Ультразвуковой генератор, также известный как ультразвуковой источник питания, ультразвуковой электронный блок, ультразвуковые контроллеры, который является важным компонентом мощной ультразвуковой системы.

Роль ультразвукового генератора заключается в преобразовании электропитания в высокочастотный сигнал переменного тока, соответствующий ультразвуковому преобразователю, а затем в работу ультразвукового преобразователя. Учитывая эффективность преобразования, в высокомощных ультразвуковых преобразователях обычно используется схема питания с импульсным режимом. Ультразвуковой источник питания делится на самовозбуждение и мощность внешнего силового возбуждения, в то время как мощность самовозбуждения называется ультразвуковой аналоговой мощностью, мощность внешнего силового возбуждения называется ультразвуковым генератором.

Описание ультразвукового генератора:

Ультразвуковой генератор, использующий ведущую в мире структуру цепи колебаний мощности внешнего возбуждения, представляющую собой структуру цепи колебаний с самовозбуждением, его выходная мощность увеличилась на 10%.
Ультразвуковая усилительная схема представляет собой линейный усилитель и импульсную схему источника питания.
Преимущества схемы питания модели переключения: высокая эффективность преобразования, поэтому источник питания высокой мощности ультразвуковой с использованием этой формы.
Преимущества линейной схемы питания: нет строгих требований к согласованию схемы, допускается непрерывное быстрое изменение рабочей частоты.

Принцип ультразвукового генератора:

Ультразвуковой генератор для генерации определенной частоты, этот сигнал может быть синусоидальным сигналом или может быть импульсным сигналом, эта конкретная частота является частотой преобразователя для работы. Ультразвуковые частотные устройства обычно используются на частотах 20 кГц, 25 кГц, 28 кГц, 33 кГц, 40 кГц, 60 кГц, 80 кГц, но не получили широкого распространения для частот 100 кГц и выше.

Сигналы обратной связи ультразвукового генератора:

Безупречный ультразвуковой генератор имеет узел обратной связи, который предлагает следующие два аспекта сигнала обратной связи.

Выходная мощность:

При изменении напряжения питания ультразвукового генератора изменяется и выходная мощность генератора. Сделайте механическую вибрацию ультразвукового преобразователя нестабильной, что приведет к плохим результатам работы. Следовательно, требуется стабильная выходная мощность через сигнал обратной связи по мощности для регулировки усилителя, чтобы сделать усилитель мощности стабильным.

Отслеживание частоты:

Преобразователи, работающие с максимальной эффективностью, на резонансной частоте работают наиболее стабильно. При этом резонансная частота преобразователя изменится из-за сборки или старения. Если частота просто дрейфует, изменяется незначительно, сигнал отслеживания частоты может управлять генератором сигналов, делая частоту генератора сигналов в пределах определенного диапазона резонансной частоты преобразователя, чтобы генератор работал в наилучшем состоянии.

Преимущества ультразвукового генератора:

Ультразвуковой генератор может контролировать рабочую частоту системы, мощность.
В соответствии с различными требованиями пользователей, регулировка различных параметров в режиме реального времени: таких как мощность, амплитуда и время работы.
Настройка частоты: регулировка частоты ультразвукового преобразователя всегда работает в наилучших условиях, для максимальной эффективности, диапазон регулировки 2%.
Автоматический с частотой: после того, как ваше устройство завершит первоначальную настройку, генератор может работать в непрерывном режиме без необходимости регулировки.
Управление амплитудой: нагрузка преобразователя изменяется во время работы, можно автоматически регулировать характеристики вождения, чтобы обеспечить стабильную амплитуду головки инструмента.
Защита системы: когда система работает в неблагоприятных условиях, генератор перестает работать и выводит сигнал тревоги, чтобы защитить оборудование от повреждений.
Регулировка амплитуды: амплитуда может мгновенно увеличиваться или уменьшаться в процессе работы, диапазон настройки амплитуды: от 0% до 100%.
Автоматический поиск частоты: автоматическое определение рабочей частоты инструментальной головки и ее сохранение.

Посмотрите, можно ли использовать ультразвуковую кавитацию для фиксации атмосферного азота с меньшими затратами, чем процесс Габера.

Питер Уолш • 26.04.2015 в 22:10 • 6 комментариев

Обзор

1) Платы питания ультразвуковых преобразователей, найденные на eBay,... не подходит для использования хакерами.

2) Несмотря на осторожность, мне удалось сжечь один.

3) Судя по всему, никто больше не смог заставить их работать.

4) Я полный трус, когда дело касается высоковольтных измерений.

Неудача на хакаде

Для проекта я изначально планировал построить и описать два типа ультразвуковых экспериментальных наборов: «простой» блок на базе платы питания eBay с реле времени, который было бы легко купить и собрать, и «разработанный» блок питания с регулируемой мощностью и микропроцессорным управлением.

С тех пор я поэкспериментировал с ультразвуковой платой питания, поставляемой с моим датчиком, и пришел к выводу, что она совершенно бесполезна для хакерских целей. Кроме того, мне удалось сжечь один, несмотря на осторожность.

Мое объяснение того, почему эти платы так легко перегорают, приведено ниже после некоторой вводной информации о настроенных схемах.

(NB: Приносим извинения за большие изображения - система http://hackaday.io не сохраняет размер изображения должным образом. При редактировании оно выглядит хорошо, но после публикации изображения возвращаются к «полноразмерному».)

Питание резонансного контура

Как упоминалось в предыдущем посте, ультразвуковой преобразователь фактически представляет собой последовательный резонансный LC-контур: электроды пьезопластины образуют конденсатор, а резонирующая масса действует как индуктивность.

Поскольку преобразователь представляет собой LC-цепь, он представляет собой разное сопротивление цепи возбуждения на разных частотах. На его резонансной частоте (28 кГц) нагрузка будет составлять 25 Ом, а при работе вне резонанса — 1000 Ом. А управление устройством на промежуточной частоте приведет к импедансу где-то между крайними значениями.

(Высокие пики на графике — это параллельные резонансные моды, которых следует избегать. Большинство нерезонансных областей составляют около 1000 Ом.)

Преобразователи eBay рассчитаны на мощность 100 Вт, поэтому возникает следующий вопрос: "Какой уровень управляющего напряжения необходим для передачи 100 Вт через устройство?"

Мощность — это квадрат напряжения, деленный на сопротивление, которое в данном случае представляет собой сопротивление управляющему напряжению переменного тока, поэтому необходимое напряжение зависит от частоты возбуждения:

Настроенные рожки и чистящие ванны

В большинстве ультразвуковых приложений используется металлический рупор, прикрепленный к преобразователю, чтобы сфокусировать энергию на небольшой площади, в зависимости от приложения. Рупор вибрирует на своей собственной резонансной частоте, поэтому резонансная частота всей системы (преобразователь + рупор) представляет собой их слияние. Как правило, рупор делают очень длинным и «подрезают» его, чтобы он соответствовал резонансу преобразователя.

Ультразвуковой очиститель соединяет преобразователь напрямую с металлической ванной, где ультразвуковая энергия сильно отражается.

1) Камера квадратная, со скругленными углами

2) Вы не знаете заранее, сколько жидкости находится в камере

3) Вы не знаете плотность жидкости (возможно, это не чистая вода)

4) Вы не знаете, что или сколько вещей находится в воде, которую нужно очистить.

Из-за этого ванна-пылесос никогда не будет иметь резкого резонанса, как это было бы с настроенным рупором. Система ультразвуковой очистки во всех случаях должна иметь высокое сопротивление цепи возбуждения.

Объяснение драйвера ультразвукового преобразователя eBay

Вот полная схема платы драйвера eBay.

Входное напряжение 120 вольт выпрямляется (плохо) до 160 вольт, а затем разделяется на сбалансированное напряжение +/- 80 вольт с помощью C3/C4. Один конец первичной обмотки T1 удерживается в общей средней точке, в то время как Q1 и Q2 попеременно переключают другой конец на высокий (+80 вольт) и низкий (-80 вольт) конец. Вторичная обмотка T1 усиливает это напряжение, а T2 действует как грубый фильтр для выходного сигнала. Обратите внимание, что T2 используется только как индуктор — первичная обмотка закорочена и заземлена, чтобы на ней не возникало напряжения.

Колебания преобразователя улавливаются L1-1 и передаются на Q1 и Q2 через L1-3 и L1-2. Поскольку Q1 включает преобразователь, обратная связь от L1 в конечном итоге выключит его, а Q2 включит питание преобразователя в другом направлении. Когда Q2 включает преобразователь, обратная связь от L1 в конце концов отключает *он*, и Q1 снова включается.

Выходное напряжение на T1 примерно в 4 раза превышает входное напряжение выпрямителя/разветвителя (по результатам осторожных измерений с помощью вариатора). При полном переменном напряжении 80 вольт на выходе становится 320 вольт, что примерно соответствует системе вне резонанса.

Я считаю, что это разновидность осциллятора Ройера. Система найдет и сохранит резонансную частоту «преобразователь плюс система», какой бы она ни была.

Проблемы со схемой eBay

1) Легко выгорает

Самая большая проблема с сетью eBay заключается в том, что она имеет тенденцию перегорать.

Ссылаясь на приведенные выше расчеты, схема генерирует напряжение, соответствующее достаточно высокому импедансу. Голый преобразователь (ничего не подключено) будет представлять собой хорошо настроенную схему с низким импедансом, потребляющую примерно в 6 раз больше тока, чем ожидают транзисторы. Транзисторы сгорают в течение нескольких секунд (например, трех секунд).

(Кроме того, именно поэтому в руководствах к ультразвуковым очистителям содержится предупреждение о работе с небольшим количеством жидкости или без нее. Например, в руководстве пользователя ультразвукового очистителя Branson есть зловещее предупреждение: ниже линии рабочего уровня при включенном нагреве или ультразвуке. Несоблюдение этого требования может привести к повреждению преобразователя и/или нагревателя и аннулированию гарантии.")

2) Сгенерированный сигнал некачественный

Форма выходного сигнала далеко не синусоидальная.

Глядя на схему, обратите внимание, что переменный ток выпрямлен, но не сглажен. Без фильтрующих конденсаторов в системе питания переменный ток с частотой 29 кГц коммутируется через высокочастотный импульсный трансформатор.

Возможно, это нормально для ультразвуковой очистки, так как от этого щебень только сильнее отскакивает, но не для домашней лаборатории.

3) Нет хорошего способа отрегулировать мощность

Возможно, вы могли бы запустить плату от вариатора, одновременно измеряя ток, но это требует больших усилий. Кроме того, если система по какой-либо причине выходит из строя (например, из-за нагрева преобразователя), мощность упадет, и если вы отрегулируете мощность, и система вернется *назад* к настройке, вы рискуете сжечь плату.

Это очень хлопотно, и вы должны продолжать наблюдать за этим.

Кроме того, вариак не имеет большого разрешения при 1/6 полной шкалы, и неясно, будет ли схема обратной связи работать даже при таком низком напряжении.

4) Цепь практически невозможно измерить

Пробник осциллографа практически в любом месте изменит поведение схемы в худшую сторону.

Прощальные мысли

Насколько я могу судить, никто не размещал на YouTube видео, демонстрирующее самодельный ультразвуковой очиститель.(Есть несколько постов, в которых используются двигатели и орбитальные шлифовальные машины, но ни один из них не является самодельным и на самом деле ультразвуковым.)

Кроме того, эта ссылка свидетельствует о том, что *никто* не смог самостоятельно собрать ультразвуковой очиститель. Этот инструктаж — единственный настоящий самодельный ультразвуковой очиститель, который я смог найти, и он использует профессиональную доску за 200 долларов (не доску eBay) *и* он сжег одну в процессе.

Я понимаю, что цена бывших в употреблении чистящих средств на eBay начинается примерно с 50 долларов США, но тем не менее недорогие ультразвуковые преобразователи мощностью 100 Вт обладают хорошим хакерским потенциалом. Я удивлен, что больше никто не использует их в своих проектах.

В настоящее время я разрабатываю блок питания на основе ШИМ-контроллера 3525. У них есть вход синхронизации, который можно использовать для подчинения устройства внешним часам. Я думаю, что в качестве этого входа можно использовать обратную связь преобразователя, что сделало бы систему саморезонансной.

Ультразвуковая чрескожная передача энергии является эффективным методом неинвазивного питания имплантированных устройств. Тем не менее, количество энергии, собираемой имплантированным приемником, чувствительно к расстоянию и ориентации внешнего передающего датчика, прикрепленного к коже, по отношению к имплантированному приемному датчику. В этой статье описывается ультразвуковая линия передачи мощности, собранная мощность которой контролируется индуктивной линией. Напряжение небольшого (5 мкФ) накопительного конденсатора, являющегося частью имплантированного блока, может колебаться в пределах от 3,8 до 3,5 В с использованием гистерезисного управления. Два контрольных состояния обозначаются возбуждением (при снижении напряжения на имплантированном накопительном конденсаторе) или отсутствием возбуждения имплантированной катушки, которая магнитно связана с внешней катушкой, прикрепленной к поверхности кожи. Ультразвуковая чрескожная передача энергии мощностью 35 мВт была изготовлена с использованием двух пьезоэлектрических преобразователей одинакового размера (диск Fuji Ceramics C-2 PZT 15 мм × 3 мм), работающих на частоте вибрации 720 кГц. Применяя предложенное гистерезисное управление, захватываемая мощность эффективно регулировалась для глубины имплантации до 85 мм.

Цитируется по 5 статьям

Бхаве Г., Чен Д.С., Сингер А., Шарма А., Робинсон Д.Т. Бхаве Г. и соавт. Матер сегодня (Кидлингтон). 2021 июнь;46:125-135. doi: 10.1016/j.mattod.2020.12.020. Epub 2021, 6 марта. Mater Today (Кидлингтон). 2021. PMID: 34366697

Мирбозорги С.А., Цзя И., Каналес Д., Гованлоо М. Мирбозорги С.А. и соавт. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2016 Октябрь; 10 (5): 979-989. doi: 10.1109/TBCAS.2016.2577705. Epub 2016, 16 сентября. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2016. PMID: 27654976 Бесплатная статья PMC.

Ma G, Yang M, Xiao S, Yang Z, Sheng P. Ma G и др. Нат Матер. 2014 сен; 13 (9): 873-8. DOI: 10.1038/nmat3994. Epub 2014 1 июня. Nat Mater. 2014. PMID: 24880731

Читайте также: