压电换能器阻抗匹配研究

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高!电!压!技!术

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压电换能器阻抗匹配研究

杨!哲，鞠晓东

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（中国石油大学资源与信息学院，北京"#$$%&）

摘!要：声波测井井下仪器在探测过程中需要将足够大的声波信号辐射到地层中，须用高压大功率脉冲信号激励发射换能器，同时在信号源与换能器之间，还应做到阻抗匹配。为有效提高信号源对换能器的激发效率，达到了阻抗匹配的目的，分析了信号源与换能器之间的理想匹配条件，介绍了如何在高压大功率信号源与换能器之间利用脉冲变压器和电阻、电感、电容组成阻抗匹配网络，给出了脉冲变压器和电感的制作和设计方法，并利用简要的实验方法对变压器和电感进行了参数测量，测量结果表明变压器和电感的计算和制作过程符合要求。最后用信号源对换能器进行了激发实验，实验结果说明通过该阻抗匹配网络取得了明显的效果。关键词：声波测井；脉冲变压器；换能器；电感；匹配电路中图分类号：’()*$

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9:引:言

声波测井需要为发射换能器提供足够大的激励信号，否则接收探头无法探测到从地层中反射回来的声波信号，最高激励脉冲电压可达几RV。此外，激励电路与换能器之间应做到阻抗匹配，使激励脉冲的能量能够有效地传递给换能器。在如此高的电压下，很难直接在信号源和换能器之间直接加入电抗元件组成阻抗匹配网络。因此探索了如何使用脉冲变压器组成阻抗匹配网络的方法。测试结果表明该方法取得了明显的效果。;:阻抗匹配原理

声波测井中，为了保证对发射换能器的有效激励，应在信号源与换能器之间设置阻抗匹配网络，阻

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抗匹配的一般原理包括两个方面：压电换能!调谐，器存在一定的电抗，造成在工作频率上输出电压和电流之间存在一定的相位差，使得输出功率达不到期望的最大值，需要在信号源的输出端并联或串联一个反向电抗使信号源的负载变为纯电阻。"阻抗变换，根据阻抗匹配原理，当负载为纯电阻时，信号源的内阻和负载相同时负载能够得到额定功率，可以通过在信号源和负载之间加入变压器的方法将换能器的阻值变换成与信号源的内阻相等的阻值。故信号源与换能器之间达到阻抗匹配，可采用!使用电感W电容和"使用变压器两种方法组成匹配电路。该文讨论方法"。

图"上图中脉冲信号通过一个脉冲升压变压器

国家自然科学基金项目（%#*.%#%&）

+)""6年!月高+电+压+技+术第;;卷第!期 6!

升压后直接激励换能器，图!中图表示可将换能器等效为由!"、!!、"!、#!组成的阻抗网络，!"为换能器的静态电容，!!为动态电容，"!为动态电阻，#!为动态电感。用$#代表换能器的输入阻抗，$$%""&图!下图用$(%"(&’%"代表信号源的输出阻抗，

’%(代表换能器加阻抗匹配电路后的输入阻抗。设信号源内阻为纯阻性，根据最大功率输出原理，可得理想阻抗匹配条件为："$%"(，%(%"

。

在脉冲电压刚加到脉冲变压器初级上时，变压器磁化电感中的电流为"，磁化电感两端的电压等于脉冲电压，随着磁化电感中的电流逐渐增大，电压逐渐降低，同时次级负载两端的电压也逐渐减小。

设脉冲变压器初级绕组上的矩形脉冲电压-为：,="时，-%"，"=,=,3时，-%.!，,>,3时-%"。

根据电磁感应定律，加到变压器初级绕组的电压和绕组感应电势相平衡，因此：

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根据变压器阻抗变换原理可得通过变压器进行阻抗匹配的条件（"代表变压器初级的绕线电阻）

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。（)）5"匹配电路的设计)*!+换能器基本参数

图!中，换能器的参数为：!"%)*,-.，#!%"/")-.，"!%)0""!，耐压!1""2，激励脉冲宽度,3为4156178，主频,39:。

由式（!）、（)）可得变压器变比为!：0/66，匹配电感#%"/;0<9，脉冲变压器内阻较小，可略。)*)+脉冲变压器的设计

脉冲变压器升高脉冲电压信号并使信号源与换能器阻抗匹配，是换能器激励电路中的重要器件。

!）脉冲变压器初、次级绕组的确定

-’/!?"+?,’/!01@?2+?,，

其中1@为铁心填充系数，一般为"/05"/,；-等于信号源的输出电压值，即-%.!，/!为变压器初级绕组的匝数，"为通过变压器铁心 …… 此处隐藏：6826字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……