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超声波换能器-

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详细资料

【超威】超声波换能器
1、超声波换能器主要包括外壳、声窗(匹配层)、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆、Cymbal阵列接收器等几大部分构成。
2、其中,压电陶瓷圆盘换能器起到的作用和一般的换能器相同,主要用于发射并接受超声波;而在压电陶瓷圆盘换能器的上面是Cymbal阵列接收器,主要由引出电缆、Cymbal换能器、金属圆环和橡胶垫圈组成,用作超声波接收器,接受压电陶瓷圆盘换能器频带外产生的多普勒回拨信号。
3、超声波换能器,其实就是频率与其谐振频率相同的压电陶瓷,利用的是材料的压电效应将电能转换为机械振动。一般情况下,先由超声波发生器产生超声波,经超声波换能器将其转换为机械振动,再经超声波导出装置、超声波接收装置便可产生超声波。

超声波换能器又称超声波振子。


评定一个判断超声波振子好坏,需要从参数和导纳曲线图两方面进行分析:
什么是超声波振子?
超声波振子又称超声波振动子,行业内将换能器与变幅杆连接后的整体叫做振动子。超声波振子由压电陶瓷的压电效应实现电能与机械能(声波振动)的相互转换,并通过声阻抗匹配的前后辐射盖块进行放大的器件。
超声波振子由超声波换能器和超声波变幅杆组成。超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置,超声波变幅杆是一个无源器件,本身不产生振动,只是将超声波换能器输入的振动改变振幅后再传递出去,完成了阻抗变换。
1)参数:
用阻抗分析仪可以评定压电陶瓷片、压电换能器、整个振动系统(换能器加上变幅杆、模具)等各种器件设备的性能优劣。用阻抗分析仪分析超声器件设备,最重要的几个参数如下:
Fs:机械谐振频率,即振动系统的工作频率、设计中应尽可能接近期望值,并且必须与电源工作点匹配。
对于清洗机,超声波振子的谐振频率一致性越高越好。
对于塑焊机或超声加工,变幅杆或模具设计不合理的情况下,超声波振子的谐振频率会偏离工作点。
R1:动态电阻,压电超声波振子串联支路的电阻,在相同的支撑条件下越小越好。对于清洗或焊接超声波振子来说,一般在5Ω~20Ω之间。如果太大的话,超声波振子或振动系统工作会有问题,如电路不匹配或转换效率低、超声波振子寿命短。
Qm:机械品质因素,以电导曲线法确定,Qm=Fs/(F2-F1),Qm越高越好,因为Qm越高,超声波振子的效率越高;但Qm必须与电源匹配,Qm值太高时,电源无法匹配。
对于清洗超声波振子来说,Qm值越高越好,一般来说,清洗超声波振子的Qm要达到500~1000之间,太低的话,超声波振子效率低,太高的话,电源无法匹配。
对于超声焊接或加工来说,超声波振子本身的Qm值一般在500~1000左右,整机系统在1500~3000,太低的话,振动效率低,但是也不能太高,因为Qm越高,工作带宽越窄,电源难以匹配,即:电源难以工作在谐振频率点,设备无法工作。
CT:自由电容,压电器件在1kHz频率下的电容值,此值和数字电容表测得的值是一致的。这个值减掉动态电容C1就可以得到真正的静电容C0,C0=CT-C1。使用时要以电感对C0进行平衡。
在清洗机或超声加工机器的电路设计中,正确地平衡C0可以提高电源的功率因素,使用电感平衡有两种方法,并联调谐和串联调谐。
Fp:反谐振频率,压电超声波振子并联支路的谐振频率,在这个频率下,压电超声波振子的阻抗Zmax最大,如果反谐振阻抗Zmax很低,则超声波振子有问题。
2) 图形
阻抗分析仪提供五种坐标特性图,其中对数特性图对于压电器件的检测有重要的意义。压电超声波振子或振动系统的振动性能可以直接通过对数坐标图进行判断,比较直观,很实用。
正常的情况下,导纳圆为单圆,对数坐标图只有一对极小值和极大值:
异常情况下导纳圆图上出现多个寄生小圆,对数坐标图有多对极小值和极大值:
在以下的情况中,压电陶瓷或换能器的导纳圆与电导曲线会出现异常:
1)换能器在装配时出现晶片裂。
2)压电陶瓷本身有问题,如内部分层。
3)超声变幅杆、模具的设计或装配出现问题。
4)换能器同心度差造成的应力杆周围零件相碰。一般来说,导纳曲线图和参数互相有关联,如果振子的导纳曲线图正常,则R1较低,Qm较高,反之如果振子的导纳曲线图异常,一般R1较大,Qm较小。
对于换能器来说,往往有很多谐振点,第一振动、第二振动、第三振动等等,一般来说,第一振动(一般为厚向振动模式,用户所用模式)与第二振动相隔越远越好,因为第二振动为其他模式的振动(如弯曲、扭转等等),在第一振动模式工作的时候,第二振动也会产生振动,从而影响换能器寿命,它们隔得越远,影响越小。

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