高带宽压电陶瓷驱动电源.pdf

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1、2016年仪表技术与传感器2016第3期InstrumentTechniqueandSensorNo．3高带宽压电陶瓷驱动电源王彭，宋克非(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。吉林长春130033)摘要：压电激振器是超声导波无损检测应用中的关键部件，针对激振器对压电驱动电源高带宽和大功率的要求，设计并研制了一种基于高压运放MP108的压电陶瓷驱动电源。采用直接数字频率合成技术产生信号源，信号经过前级放大和滤波后输入到高压运放电路驱动压电陶瓷。分析了大功率驱动电源的散热问题，指出驱动电源散热片到空气的最大热阻为1．1℃／w。实验结果表明，当负载

2、为10nf时，驱动电源在10~300kHz的频带范围内能够实现100v~一。的放大输出，基本满足超声导波压电激振器的驱动要求。关键词：压电陶瓷；高压运放；高带宽；超声导波中图分类号：TP384文献标识码：A文章编号：1002-1841(2016)03-0021-03HighBandwidthAmplifiersforPiezoelectricActuatorWANGPeng，SONGKe—fei(ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，

3、Changchun130033，China)Abstract：PiezoelectricactuatoriSthecriticalcomponentinultrasonicguidedwavedetection．Asthepiezoelectricactuatorde．mandshigllpowerandhighbandwidthdrivingpower，apiezoelectricdrivingpowerbasedonhigh-voltageamplifierMP108wasde-signedanddeveloped．ThesignalSOUl

4、~ewasgeneratedbydirectdistal~equencysynthesistechniquethenamplifiedandfilteredbeforesenttothehigh—voltageamplifier．ThermaldissipationofthedrivingpowerWasanalyzedandthemaximumthermalresistancefromtheheatsinktoairis1．1／w．TheexperimentverifiesthatthedrivingpowerCanoutput100inban

5、dwidthfrom10kHzto300kHzwhentheloadis10nf，whichCansatisfytherequestoftheultrasonicguidedwavepiezoelectricactuator．Keywords：piezoelectricceramic；high—voltageamplifier；high-bandwidth；ultrasonicguidedwave0引言根据前述设计要求，当信号频率为500kHz，信号半峰值为超声导波无损检测技术在管道损伤检测、轨道探伤等领域50V时，根据式(1)计算得电压转换速率

6、约为157V／s。拥有巨大的应用前景，而激励产生超声导波是其关键技术之大功率驱动电源还需要考虑电源的驱动能力，即驱动电源一。压电陶瓷激振器具有体积小、频响快、推力大等特点，已经的最大输出电流，根据前述输出电压和负载电容值可得最大输开始应用于超声导波的激励。其驱动电源更加注重电源的出电流为1．57A。频带范围、总谐波失真和输出功率，对电源的纹波和线性度等通过以上分析，为了满足超声导波无损检测的激励需求，要求不高。现有的压电陶瓷驱动电源多注重其输出电压的稳对压电驱动电源的指标要求如下：定性和纹波的大小以达到较高的控制精度一，因此，设计出高(1)驱动电

7、压输出范围为-50-+50V；带宽大功率的压电驱动电源是激励超声导波的关键技术之一。(2)频率响应范围10～300kHz；1驱动电源的技术要求及系统组成(3)电压转换速率sR≥157V／p~s；1．1驱动电源的技术要求(4)最大输出电流，≥1．57A(负载c=10nF)。在超声导波压电激振器应用中，选用的压电陶瓷的P51材1．2驱动电源系统组成料压电陶瓷片，其电容大约为10nF。导波激励要求的频带为驱动电源系统主要分为2个部分：信号发生电路和驱动电10～300kHz，电压峰峰值为100V。在简化模型中将压电陶瓷路。其组成结构如图1所示，单片机作为

8、系统的总控制单元，负载等效为纯电容器件，考虑到设计裕度，分析频带上限为控制DDS信号发生器产生驱动信号，之后经过前级放大和滤波500kH