超声刀主机、超声刀系统及超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法

摘要

本发明提供一种超声刀主机、超声刀系统及超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法，该超声刀系统通过计算获取超声换能器的实时静态电容，并结合超声刀系统的工作频率范围，计算得到匹配电感的取值范围，再从换能器匹配电路中选择合适的电感接入超声换能器，能有效根据超声换能器的静态电容及超声刀系统的工作频率范围的变化动态调整匹配电感的感值，实现了最大限度的匹配，使得超声换能器工作在最优状态；此外，若电感匹配失败，则说明超声换能器老化严重，可能会无法正常工作，需要更换超声换能器之后重新匹配电感，通过对超声换能器的工作状态的间接检查，进一步保证了超声换能器与匹配电感最大限度的匹配，提高了超声换能器的工作效率。

权利要求

1.一种超声刀主机，其特征在于，包括：数字信号处理器、可编程逻辑模块、波形发生器、数模转换器、功率放大电路、换能器匹配电路、电压采样转换模块及电流采样转换模块；

所述数字信号处理器接所述波形发生器，所述波形发生器接所述功率放大电路的输入端，所述数字信号处理器接所述数模转换器，所述数模转换器接所述功率放大电路的输入端，所述功率放大电路的输出端接所述换能器匹配电路，所述数字信号处理器接所述换能器匹配电路，所述数字信号处理器调节控制所述换能器匹配电路提供的电感；

所述功率放大电路的输出端接所述电压采样转换模块，所述电压采样转换模块接所述可编程逻辑模块，所述功率放大电路的输出端接所述电流采样转换模块，所述电流采样转换模块接所述可编程逻辑模块，所述可编程逻辑模块接所述数字信号处理器；

所述可编程逻辑模块根据输出电压与输出电流计算外接的超声换能器的阻抗，所述数字信号处理器根据所述阻抗计算所述超声换能器的静态电容并根据所述静态电容计算所述超声换能器的匹配电感的取值范围，所述数字信号处理器自动根据所述匹配电感的取值范围将所述换能器匹配电路中的电感匹配接入所述超声换能器；

其中，所述数字信号处理器按照如下公式计算所述超声换能器的静态电容：上式中，C0表示所述超声换能器的静态电容，Z表示所述超声换能器的阻抗，L0表示所述换能器匹配电路提供的电感，ωz＝2πfz，ωZ表示所述波形发生器输出信号的角频率，fZ表示所述波形发生器输出信号的频率；

所述数字信号处理器根据所述静态电容以及所述超声刀主机的工作频率范围，按照并联谐振公式计算所述匹配电感的取值范围。

2.根据权利要求1所述的超声刀主机，其特征在于，所述换能器匹配电路包括片选芯片和多个感值不同的电感，所述片选芯片的每个选择通道上串接一个所述电感，所述片选芯片的控制端接所述数字信号处理器，所述片选芯片的输出端分别接超声换能器和所述功率放大电路的输出端。

3.根据权利要求1或2所述的超声刀主机，其特征在于，所述超声刀主机还包括微控制器、输入模块、显示模块、音频播放模块及通讯模块，所述微控制器分别与所述输入模块、显示模块、音频播放模块及通讯模块连接，所述微控制器还与所述数字信号处理器连接。

4.根据权利要求1所述的超声刀主机，其特征在于，所述超声刀主机还包括开关电源模块，所述开关电源模块与所述功率放大电路连接，为所述功率放大电路提供电源。

5.根据权利要求1所述的超声刀主机，其特征在于，所述超声刀主机还包括安全检测模块，所述安全检测模块接所述功率放大电路的输出端，所述安全检测模块还与所述可编程逻辑模块连接，所述安全检测模块对所述功率放大电路的输出电压和输出电流进行监测，发现异常情况时向所述可编程逻辑模块反馈警报信号。

6.根据权利要求1所述的超声刀主机，其特征在于，所述电压采样转换模块包括电压采样单元和第一模数转换单元，所述电压采样单元的输入端接所述功率放大电路的输出端，所述电压采样单元的输出端接所述第一模数转换单元的输入端，所述第一模数转换单元的输出端接所述可编程逻辑模块；所述电流采样转换模块包括电流采样单元和第二模数转换单元，所述电流采样单元的输入端接所述功率放大电路的输出端，所述电流采样单元的输出端接所述第二模数转换单元的输入端，所述第二模数转换单元的输出端接所述可编程逻辑模块。

7.一种超声刀系统，其特征在于，包括权利要求1‑6中任意一项所述的超声刀主机，还包括超声换能器和超声刀头，所述功率放大电路的输出端分别接所述换能器匹配电路的输出端、所述超声换能器的输入端，所述超声换能器的输出端接所述超声刀头。

8.根据权利要求7所述的超声刀系统，其特征在于，所述超声刀系统还包括档位控制模块，所述档位控制模块与所述数字信号处理器连接，所述档位控制模块用于调节控制所述超声刀主机的输出能量。

9.一种超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法，其特征在于，包括步骤：提供超声刀系统，所述超声刀系统包括超声刀主机和超声换能器，所述超声刀主机包括换能器匹配电路，所述换能器匹配电路能提供多个感值不同的电感；

启动所述超声刀主机，控制所述换能器匹配电路将第一电感接入所述超声换能器，并向所述超声换能器输出第一频率信号；

检测所述超声刀主机的输出电压和输出电流，并根据所述输出电压和输出电流计算所述超声换能器的阻抗；

根据所述第一电感、所述第一频率信号的频率以及所述阻抗计算所述超声换能器的静态电容；

根据所述静态电容，以及所述超声刀系统的工作频率范围，按照并联谐振公式计算匹配电感的取值范围；

控制所述换能器匹配电路将第二电感接入超声换能器，所述第二电感的感值满足所述匹配电感的取值范围；

其中，所述超声换能器的静态电容的计算公式为：上式中，C0表示所述超声换能器的静态电容，Z表示所述超声换能器的阻抗，L0表示所述第一电感，ωz＝2πfz，ωZ表示所述第一频率信号的角频率，fZ表示所述第一频率信号的频率。

10.根据权利要求9所述的超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法，其特征在于，所述第一频率信号的频率小于所述超声刀系统的谐振频率。

11.根据权利要求9所述的超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法，其特征在于，所述超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法还包括步骤：若所述换能器匹配电路中不存在满足所述匹配电感的取值范围的所述第二电感，则在更换所述超声换能器之后再重复上述步骤。

说明书

超声刀主机、超声刀系统及超声刀系统换能器阻抗的自动匹

配方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超声刀技术领域，特别是涉及一种超声刀主机、超声刀系统及超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法。

背景技术

[0002] 超声刀(超声切割止血刀)是一种常见的外科手术刀，手术过程中创伤小、烟雾少、可凝血等特点，故能够在外科手术中广泛应用。超声刀(系统)由超声刀主机、超声换能器及
超声刀头组成，其工作原理是超声刀主机产生一定频率的功率源给超声换能器，超声换能
器产生该频率的机械振动并带动超声刀头也产生机械振动，因为频率高、振幅小，故能对小
面积的人体组织产生切割作用。

[0003] 其中，超声换能器的等效电路如图1虚线框所示，L1为动态电感，C1为动态电容，R1为动态电阻，三者构成串联回路，也是机械回路，三者会根据负载的不同而变化；C0为静态
电容，即静止状态的电容，并联在电路中。在工作中，超声刀主机产生一定频率的电源，这个
频率需能够使机械回路达到最小阻抗才能实现最大的效率。根据串联谐振电路原理，频率
需满足 此时超声换能器工作在串联谐振状态，串联回路等效于只有动态电
阻R1存在，阻抗最小，效率最高。但因为有静态电容C0的存在，使超声换能器呈容性，即使工
作在串联谐振频率点上，也限制了超声换能器工作的效率，且以目前的技术，静态电容C0无
法消除，常用的做法是使用一个固定的电感L0并联或串联在回路中(如图1和图2)，使电感L0
和静态电容C0在当前工作频率下也工作在谐振状态，满足 因为静态电容C0
相对较为固定，所以只需选择一个适当的电感L0与其匹配，就可以达到目的。

[0004] 但是在超声刀系统的工作过程中，由于负载的变化，串联谐振频率并不固定，而是在一定范围内变化，比如超声刀系统的频率变化在55KHz～56KHz；而不同超声换能器的静
态电容C0的大小也有差异，且根据超声换能器的特性，使用年限越长，静态电容C0的值会缓
慢增加。根据并联谐振公式 其中，ω0＝2πf0，超声信号的频率f0和静态电容C0都
能改变电感L0的取值，因此固定取值的电感L0并不一定使电感L0和静态电容C0工作在谐振
状态，虽然两者构成的电路不在谐振状态时的阻抗较大，对串联谐振回路的阻抗影响较小，
但如果超声刀系统工作在高阻抗环境下，比如切割一些硬组织的时候，阻抗就会较大，这时
电感L0和静态电容C0回路的阻抗就会对串联回路的阻抗产生影响，就会降低工作效率。

发明内容

[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超声刀系统换能器阻抗的自动匹配技术方案，用于解决上述技术问题。

[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超声刀主机，包括：数字信号处理器、可编程逻辑模块、波形发生器、数模转换器、功率放大电路、换能器匹配电路、电压采
样转换模块及电流采样转换模块；

[0007] 所述数字信号处理器接所述波形发生器，所述波形发生器接所述功率放大电路的输入端，所述数字信号处理器接所述数模转换器，所述数模转换器接所述功率放大电路的
输入端，所述功率放大电路的输出端接所述换能器匹配电路，所述数字信号处理器接所述
换能器匹配电路，所述数字信号处理器调节控制所述换能器匹配电路提供的电感；

[0008] 所述功率放大电路的输出端接所述电压采样转换模块，所述电压采样转换模块接所述可编程逻辑模块，所述功率放大电路的输出端接所述电流采样转换模块，所述电流采
样转换模块接所述可编程逻辑模块，所述可编程逻辑模块接所述数字信号处理器；

[0009] 所述可编程逻辑模块根据输出电压与输出电流计算外接的超声换能器的阻抗，所述数字信号处理器根据所述阻抗计算所述超声换能器的静态电容并根据所述静态电容计
算所述超声换能器的匹配电感的取值范围，所述数字信号处理器自动根据所述匹配电感的
取值范围将所述换能器匹配电路中的电感匹配接入所述超声换能器。

[0010] 可选地，所述换能器匹配电路包括片选芯片和多个感值不同的电感，所述片选芯片的每个选择通道上串接一个所述电感，所述片选芯片的控制端接所述数字信号处理器，
所述片选芯片的输出端分别接超声换能器和所述功率放大电路的输出端。

[0011] 可选地，所述超声刀主机还包括微控制器、输入模块、显示模块、音频播放模块及通讯模块，所述微控制器分别与所述输入模块、显示模块、音频播放模块及通讯模块连接，
所述微控制器还与所述数字信号处理器连接。

[0012] 可选地，所述超声刀主机还包括开关电源模块，所述开关电源模块与所述功率放大电路连接，为所述功率放大电路提供电源。

[0013] 可选地，所述超声刀主机还包括安全检测模块，所述安全检测模块接所述功率放大电路的输出端，所述安全检测模块还与所述可编程逻辑模块连接，所述安全检测模块对
所述功率放大电路的输出电压和输出电流进行监测，发现异常情况时向所述可编程逻辑模
块反馈警报信号。

[0014] 可选地，所述电压采样转换模块包括电压采样单元和第一模数转换单元，所述电压采样单元的输入端接所述功率放大电路的输出端，所述电压采样单元的输出端接所述第
一模数转换单元的输入端，所述第一模数转换单元的输出端接所述可编程逻辑模块；所述
电流采样转换模块包括电流采样单元和第二模数转换单元，所述电流采样单元的输入端接
所述功率放大电路的输出端，所述电流采样单元的输出端接所述第二模数转换单元的输入
端，所述第二模数转换单元的输出端接所述可编程逻辑模块。

[0015] 同时，为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种超声刀系统，包括上述任意一项所述的超声刀主机，还包括超声换能器和超声刀头，所述功率放大电路的输出端
分别接所述换能器匹配电路的输出端、所述超声换能器的输入端，所述超声换能器的输出
端接所述超声刀头。

[0016] 可选地，所述超声刀系统还包括档位控制模块，所述档位控制模块与所述数字信号处理器连接，所述档位控制模块用于调节控制所述超声刀主机的输出能量。

[0017] 此外，为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法，包括步骤：

[0018] 提供超声刀系统，所述超声刀系统包括超声刀主机和超声换能器，所述超声刀主机包括换能器匹配电路，所述换能器匹配电路能提供多个感值不同的电感；

[0019] 启动所述超声刀主机，控制所述换能器匹配电路将第一电感接入所述超声换能器，并向所述超声换能器输出第一频率信号；

[0020] 检测所述超声刀主机的输出电压和输出电流，并根据所述输出电压和输出电流计算阻抗；

[0021] 根据所述第一电感、所述第一频率信号的频率以及所述阻抗计算所述超声换能器的静态电容；

[0022] 根据所述静态电容，以及所述超声刀系统的工作频率范围，按照并联谐振公式计算匹配电感的取值范围；

[0023] 控制所述换能器匹配电路将第二电感接入超声换能器，所述第二电感的感值满足所述匹配电感的取值范围。

[0024] 可选地，所述第一频率信号的频率小于所述超声刀系统的谐振频率。

[0025] 可选地，所述超声换能器的静态电容的计算公式为：

[0026]

[0027] 其中，C0表示所述超声换能器的静态电容，Z表示所述阻抗，L0表示所述第一电感，ωz＝2πfz，ωz表示所述第一频率信号的角频率，fz表示所述第一频率信号的频率。

[0028] 可选地，所述超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法还包括步骤：

[0029] 若所述换能器匹配电路中不存在满足所述匹配电感的取值范围的所述第二电感，则在更换所述超声换能器之后再重复上述步骤。

[0030] 如上所述，本发明的超声刀主机，具有以下有益效果：

[0031] 在超声刀主机中加入换能器匹配电路，可编程逻辑模块根据输出电压与输出电流计算外接超声换能器的阻抗，数字信号处理器根据阻抗计算外接超声换能器的静态电容并
根据静态电容计算外接超声换能器的匹配电感的取值范围，数字信号处理器自动根据匹配
电感的取值范围将换能器匹配电路中的电感匹配接入外接超声换能器，能有效根据超声换
能器的实时静态电容及超声刀系统的工作频率范围的变化动态调整匹配电感的感值，实现
了最大限度的匹配，使得超声换能器工作在最优状态，提高了超声换能器的工作效率。

附图说明

[0032] 图1显示为超声换能器的等效电路与匹配电感的并联电路图。

[0033] 图2显示为超声换能器的等效电路与匹配电感的串联电路图

[0034] 图3显示为本发明实施例中超声刀系统的结构示意图。

[0035] 图4显示为本发明实施例中换能器匹配电路的结构示意图。

[0036] 图5显示为本发明实施例中超声刀系统换能器阻抗的自动匹配流程图。

[0037] 附图标号说明

[0038] 1 数字信号处理器

[0039] 2 可编程逻辑模块

[0040] 3 波形发生器

[0041] 4 数模转换器

[0042] 5 功率放大电路

[0043] 6 换能器匹配电路

[0044] 7 电压采样转换模块

[0045] 8 电流采样转换模块

[0046] 9 安全检测模块

[0047] 10 开关电源模块

[0048] 11 微控制器

[0049] 12 输入模块

[0050] 13 显示模块

[0051] 14 音频播放模块

[0052] 15 通讯模块

[0053] 16 超声刀主机

[0054] 17 超声换能器

[0055] 18 超声刀头

[0056] C0 静态电容

[0057] C1 动态电容

[0058] L0、L0‑1、L0‑2、L0‑3、L0‑4 电感

[0059] L1 动态电感

[0060] R1 动态电阻

[0061] S1、S2、S3、S4 开关

[0062] V 超声刀主机提供的电压源(输出信号)

具体实施方式

[0063] 如前述在背景技术中所提及的，由于超声刀系统的谐振频率并不固定，而是在一定范围内波动，且超声换能器的静态电容会随着使用年限而变化，根据并联谐振公式
如果向超声换能器接入一固定感值的电感L0，并不一定使电感L0和静态电容C0工
作在谐振状态，电感L0和静态电容C0回路的阻抗会对超声换能器的等效串联回路的阻抗产
生影响，导致超声换能器的工作效率降低。

[0064] 基于此，本发明提出一种超声刀系统换能器阻抗的自动匹配技术方案，先随机向超声换能器接入第一电感并输出第一频率信号，对第一频率信号进行采样反馈并据此计算
第一频率信号下的阻抗；其次，根据第一电感、阻抗和第一频率信号的频率计算超声换能器
的静态电容；再次，根据超声换能器的静态电容以及超声刀系统的工作频率范围计算匹配
电感的取值范围；最后，选择满足匹配电感的取值范围的第二电感并将第二电感接入超声
换能器。

[0065] 该超声刀系统换能器阻抗的自动匹配技术方案通过计算获取超声换能器的实时静态电容，并结合超声刀系统的工作频率范围(也是谐振频率变化范围)，计算得到匹配电
感的取值范围，再从换能器匹配电路中选择合适的电感接入超声换能器，能有效根据超声
换能器的静态电容及超声刀系统的工作频率范围的变化动态调整匹配电感的感值，实现了
最大限度的匹配，使得超声换能器工作在最优状态。

[0066] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0067] 请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数
目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其
组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以
配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实
施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调
整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技
术内容得能涵盖的范围内。

[0068] 如图3所示，本发明提供一种超声刀主机16，其包括：数字信号处理器1、可编程逻辑模块2、波形发生器3、数模转换器4、功率放大电路5、换能器匹配电路6、电压采样转换模
块7及电流采样转换模块8；

[0069] 数字信号处理器1接波形发生器3，波形发生器3接功率放大电路5的输入端，数字信号处理器1接数模转换器4，数模转换器4接功率放大电路5的输入端，功率放大电路5的输
出端接换能器匹配电路6，数字信号处理器1接换能器匹配电路6，数字信号处理器1调节控
制换能器匹配电路6提供的电感；

[0070] 功率放大电路5的输出端接电压采样转换模块7，电压采样转换模块7接可编程逻辑模块2，功率放大电路5的输出端接电流采样转换模块8，电流采样转换模块8接可编程逻
辑模块2，可编程逻辑模块2接数字信号处理器1；

[0071] 可编程逻辑模块2根据输出电压与输出电流计算外接的超声换能器的阻抗，数字信号处理器1根据阻抗计算超声换能器的静态电容并根据静态电容计算外接超声换能器的
匹配电感的取值范围，数字信号处理器1自动根据匹配电感的取值范围将换能器匹配电路6
中的电感匹配接入外接超声换能器。

[0072] 其中，数字信号处理器1包括可编程数字信号处理器，如单片信号处理器

[0073] 或者超大规模集成电路(VLSI)阵列处理器等；可编程逻辑模块2包括可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)等；波形发生器3包括直接数字式频率合成器(DDS)
等；功率放大电路5的末级可以是各种驱动类型的电路，如甲类放大、乙类放大、甲乙类放
大、半桥驱动、全桥驱动或H桥驱动等可以实现正弦波放大的电路结构。

[0074] 可选地，如图4所示，换能器匹配电路6包括片选芯片(如专用片选芯片74HS138)和多个感值不同的电感(如L0‑1、L0‑2、L0‑3、L0‑4等)，该片选芯片的每个选择通道上串接一个电
感，每个选择通道由一个开关(如S1、S2、S3、S4)进行控制，该片选芯片的控制端(每个开关的
控制端)接数字信号处理器1，该片选芯片的输出端分别接超声换能器和功率放大电路5的
输出端。在数字信号处理器1的指令控制下，片选芯片每次只闭合一个开关，一次只有一个
电感接入电路。

[0075] 可选地，换能器匹配电路6还可以是其它结构，如基于可调电感的结构，该可调电感的控制端接数字信号处理器1，可调电感的输出端分别接超声换能器和功率放大电路5的
输出端。

[0076] 详细地，电压采样转换模块7包括电压采样单元和第一模数转换单元(图中未示出)，电压采样单元的输入端接功率放大电路5的输出端，电压采样单元的输出端接第一模
数转换单元的输入端，第一模数转换单元的输出端接可编程逻辑模块2；电流采样转换模块
8包括电流采样单元和第二模数转换单元(图中未示出)，电流采样单元的输入端接功率放
大电路5的输出端，电流采样单元的输出端接第二模数转换单元的输入端，第二模数转换单
元的输出端接可编程逻辑模块2。

[0077] 其中，电压采样单元对输出信号的电压进行采样，第一模数转换单元将采样得到的模拟电压信号转换为数字信号；电流采样单元对输出信号的电流进行采样，第二模数转
换单元将采样得到的模拟电流信号转换为数字信号。

[0078] 详细地，如图3所示，超声刀主机16还包括安全检测模块9，安全检测模块9接功率放大电路5的输出端，安全检测模块8还与可编程逻辑模块2连接，安全检测模块9对功率放
大电路5的输出电压和输出电流进行监测，发现异常情况时向可编程逻辑模块2反馈警报信
号。

[0079] 详细地，如图3所示，超声刀主机16还包括开关电源模块10，开关电源模块10与功率放大电路5连接，为功率放大电路5提供电源。

[0080] 可选地，如图3所示，超声刀主机16还包括微控制器11、输入模块12、显示模块13、音频播放模块14及通讯模块15，微控制器11分别与输入模块12、显示模块12、音频播放模块
14及通讯模块15连接，微控制器11还与数字信号处理器1连接。基于该外围输入输出结构的
设计，数字信号处理器1可有效发送或者接收响应指令。

[0081] 其中，微控制11包括常用的嵌入式微控制器，如先进RISC机器的ARM、TI的DSP、SiliconGraphics的MIPS、IBM和Motorola的Power PC、Intel的x86和i960芯片、AMD的
Am386EM和日立的SH RISC芯片等；输入模块12包括鼠标键盘等输入设备；显示模块13包括
LCD、LED等显示器；音频播放模块14包括扬声器等；通讯模块15包括USB、串口、3G、4G等有线
或无线通讯模块，可实现超声刀主机16与外界设备的数据交互。

[0082] 更详细地，如图3所示，数字信号处理器1与波形发生器3通讯，产生一定频率的正弦波信号，同时数字信号处理器1经数模转换器4产生一个模拟电压，两者输入到功率放大
电路5，并通过开关电源模块10，产生超声换能器所需要的特定频率功率电源，在超声换能
器上产生机械振动，从而传送到超声刀头上切割人体组织。在超声刀头切割过程中会产生
一定的负载，负载通过超声换能器的等效电路和匹配电路传递到超声刀主机16的功率输出
回路，在这里设置有电压采样转换模块7和电流采样转换模块8，对输出的电流和电压进行
采样与模数转换，再输送到可编程逻辑模块2，由可编程逻辑模块2计算输出电流大小、输出
电压大小、输出电流的相位、输出电压的相位以及对应的阻抗(根据输出电流和输出电压计
算)等，可编程逻辑模块2将计算结果传递到数字信号处理1，数字信号处理1根据反馈的输
出计算结果通过波形发生器3调整输出信号的频率，通过数模转换器4调整输出信号的功率
大小，形成了一个反馈系统。

[0083] 在超声刀系统的工作过程中，超声刀主机16就是这样不断地输出并反馈，使输出电压和输出电流的相位差接近于零，这样超声换能器就工作在谐振状态。

[0084] 此外，由于超声换能器的静态电容并不是固定值，不同批次超声换能器的静态电容可能并不相同，工作一段时间后超声换能器的静态电容也会变化。因此，本发明的超声刀
主机包括一个换能器匹配电路6，通过换能器匹配电路6可以随时调整电感L0以更好地匹配
静态电容C0和谐振频率的变化，以提高超声换能器的工作效率。

[0085] 同时，如图3所示，本发明还提供一种超声刀系统，该超声刀系统包括超声刀主机16，还包括超声换能器17和超声刀头18，功率放大电路5的输出端分别接换能器匹配电路6
的输出端、超声换能器17的输入端，超声换能器17的输出端接超声刀头18。

[0086] 其中，超声换能器17包括压电陶瓷，其将超声刀主机16提供的电能(输出信号)转换为振动的机械能，在一定频率范围内产生机械振动，在机械谐振频率点振动效率最高，为
超声刀头18提供振动源。

[0087] 可选地，该超声刀系统还包括开关，开关通过导线与数字信号处理器1连接，开关用于调节控制超声刀主机16的输出能量大小。

[0088] 详细地，超声刀主机16在为超声换能器17匹配电感时：可编程逻辑模块2根据输出电压与输出电流计算外接的超声换能器的阻抗，数字信号处理器1根据阻抗计算超声换能
器的静态电容并根据静态电容计算外接超声换能器的匹配电感的取值范围，数字信号处理
器1自动根据匹配电感的取值范围将换能器匹配电路6中的电感匹配接入外接超声换能器。

[0089] 更详细地，超声刀主机16根据反馈的输出自动为超声换能器17调节接入匹配电感的过程可以参考如图5所示的超声刀系统换能器阻抗的自动匹配方法，其包括步骤：

[0090] S1、提供超声刀系统，如图3及图4所示，该超声刀系统包括超声刀主机16和超声换能器17，超声刀主机16包括换能器匹配电路6，换能器匹配电路6能提供多个感值不同的电
感；

[0091] S2、启动超声刀主机16，控制换能器匹配电路6将第一电感接入超声换能器17，并向超声换能器17输出第一频率信号；

[0092] S3、检测超声刀主机16的输出电压和输出电流，并根据输出电压和输出电流计算阻抗；

[0093] S4、根据第一电感、第一频率信号的频率以及阻抗计算超声换能器17的静态电容C0；

[0094] S5、根据静态电容C0，以及超声刀系统的工作频率范围，按照并联谐振公式计算匹配电感的取值范围；

[0095] S6、控制换能器匹配电路6将第二电感接入超声换能器17，第二电感的感值满足匹配电感的取值范围。

[0096] 详细地，在步骤S1中，提供如图3及图4所示的超声刀系统，该超声刀系统包括超声刀主机16、超声换能器17和超声刀头18，超声刀主机16的输出信号经超声换能器17转换后
加载在超声刀头18上，超声刀主机16包括换能器匹配电路6，换能器匹配电路6能为超声换
能器17提供多个感值不同的电感。

[0097] 详细地，在步骤S2中，启动超声刀主机16，超声刀主机16开机后会通过数字信号处理器1随机将换能器匹配电路6中的一个电感(记为第一电感)选择接入超声换能器17，同时
执行一次自检；自检时，数字信号处理器1控制波形发生器3(及数模转换器4)输出第一频率
信号到超声换能器17，第一频率信号的频率小于且远小于超声刀系统的谐振频率(如针对
工作频率为55KHz～～56KHz的超声刀系统，第一频率信号的频率可取20KHz～30KHz)。

[0098] 详细地，在步骤S3中，先利用电压采样转换模块7检测超声刀主机16的输出电压、利用电流采样转换模块8检测超声刀主机16的输出电流，即检测第一频率信号的电压与电
流，再利用可编程逻辑模块2根据输出电压和输出电流计算超声换能器17的阻抗。

[0099] 详细地，在步骤S4中，由于第一频率信号的频率远小于超声刀系统的谐振频率，结合图1所示，超声换能器17的串联回路阻抗很大，对匹配电感和静态电容的并联阻抗影响很
小，此时计算得到的阻抗近似于匹配电感和静态电容的并联阻抗；因此，在匹配电感(第一
电感)和阻抗(由可编程逻辑模块2计算得到)均为已知量的情况下，可通过下述计算公式得
到超声换能器的静态电容：

[0100]

[0101] 其中，C0表示超声换能器17的静态电容，Z表示阻抗，L0表示第一电感，ωz＝2πfz，ωz表示第一频率信号的角频率，fz表示第一频率信号的频率。

[0102] 详细地，在步骤S5中，已知静态电容C0，以及超声刀系统的工作频率范围，按照并联谐振公式 计算匹配电感的取值范围，其中，L0表示匹配电感，ω0＝2πf0，f0表示
超声刀系统的工作频率，其取值在一定范围之内，如55KHz～56KHz。

[0103] 可选地，超声换能器17的静态电容C0以及匹配电感的取值范围的计算处理可在数字信号处理器1中完成。

[0104] 详细地，在步骤S6中，先通过数字信号处理器1参考换能器匹配电路6提供的多个电感的感值并选定一个满足匹配电感的取值范围的第二电感，随后通过数字信号处理器1
控制换能器匹配电路6将第二电感接入超声换能器17。

[0105] 更详细地，在步骤S6中，若换能器匹配电路6内有多个电感均满足匹配电感的取值范围，则从中选择一个最合适的(如感值居中)作为第二电感并将其匹配到超声换能器17
中，第二电感匹配成功；若换能器匹配电路6内只有一个电感满足匹配电感的取值范围，则
选择该电感作为第二电感并将其匹配到超声换能器17中，第二电感匹配成功；若换能器匹
配电路6内没有电感满足匹配电感的取值范围，则第二电感匹配失败。

[0106] 更详细地，若第二电感匹配成功，则整个超声刀系统就可以开始正常启动并工作；若换能器匹配电路6中不存在满足匹配电感的取值范围的第二电感，即第二电感匹配失败，
则说明超声换能器17已经老化得比较严重，静态电容比较大，需要更换超声换能器17，更换
超声换能器17之后再重复上述步骤选定合适的匹配电感。

[0107] 综上所述，在本发明所提供的超声刀系统换能器阻抗的自动匹配技术方案通过计算获取超声换能器的实时静态电容，并结合超声刀系统的工作频率范围(也是谐振频率变
化范围)，计算得到匹配电感的取值范围，再从换能器匹配电路中选择合适的电感接入超声
换能器，能有效根据超声换能器的静态电容及超声刀系统的工作频率范围的变化动态调整
匹配电感的感值，实现了最大限度的匹配，使得超声换能器工作在最优状态；此外，若电感
匹配失败，则说明超声换能器老化严重，可能会无法正常工作，需要更换超声换能器之后重
新匹配电感，通过对超声换能器的工作状态的间接检查，进一步保证了超声换能器与匹配
电感最大限度的匹配，提高了超声换能器的工作效率。

[0108] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。