超声波换能器的设计制作

超声波换能器是一种能量转换器件,它的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去,而它自身只消耗很小的功率。

超声波发生器将220V的市电转换为高频电流传递给压电陶瓷,谐振于超声频率的压电陶瓷,由材料的压电效应将电信号转换为线性的机械振动,再通过超声波变幅杆放大(减小)振幅,最终传送到工具头进行工作。超声波换能器一般有磁致伸缩式和压电陶瓷两种形式,我们公司采用所有换能器均为压电陶瓷。

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常用的几款超声波换能器

压电陶瓷超声波换能器的基本原理就是“压电逆效应” ,在压电陶瓷原件上通入一定的交变电流,压电陶片会产生厚薄形变,通过这一原理,我们就可以制作出各种频率、功率、振幅的超声波换能器。

超声波换能器的组成

几乎所有用于功率超声的压电换能器都是Langevin类型的,即,一个或多个压电陶瓷在前驱动器和后驱动器之间进行机械压缩(预应力)。

超声波换能器主要由中央压电陶瓷元件、前后金属盖板 、预应力螺杆、电极片以及绝缘管组成,具体组成详见下图。

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超声波换能器的组成

后驱动器:压电换能器背面的圆柱形元件,后驱动器紧靠最后一片压电陶瓷,并通常通过叠成螺栓施加预紧压力。

电极片:在换能器相邻的压电陶瓷之间的一种薄的导电圆盘。换能器驱动电压施加于这些电极之间。

前端驱动器:将换能器的超声波能量传送到变幅杆或工具头,前驱动器通常包括用于连接外壳的安装法兰。

预应力螺杆:单个堆叠螺栓穿过陶瓷的中心孔。拧紧该螺栓后,陶瓷将在后驱动器和前驱动器之间被压缩,从而对陶瓷施加所需的预应力。

压电陶瓷:压电陶瓷是换能器的心脏,将超声波发生器的电信号转换为线性的机械振动的一种元器件。


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换能器压电陶瓷片

换能器核心元器件

压电陶瓷通常分为“软”或“硬”。硬压电陶瓷用于电力应用。硬质压电陶瓷有两种基本类型,通常称为PZT4和PZT8(PZT代表压电陶瓷组成的锆钛酸铅),我们公司所有换能器均采用PZT-8的压电陶瓷。PZT-8的压电陶瓷具有更高的品质因素Qm,更高的安全工作温度(居里温度)以及较低的介电损耗(tanδ)。

低电场条件下压电陶瓷性能

换能器制作核心

由于压电陶瓷的张力较弱,因此当换能器超声振动时,必须施加静态压缩预应力以防止压电陶瓷承受拉应力。另外,预应力确保压电陶瓷界面形成良好的接触,从而使声波以最小的损耗良好地传输。压缩预应力必须足以防止压电陶瓷遭受超声拉伸应力和防止横向压电陶瓷滑移,在超声波换能器制作过程中预应力的大小对品质起决定性的作用

传统方式拧紧换能器

通过拧紧预应力螺栓后可以对压电陶瓷施加预应力。传统方法是使用扭矩扳手,设置特定的扭力后拧紧预应力螺栓,但是该参数受许多因素影响,并且经常会有偏差。使用同样扭力的情况下,螺栓以及前后驱动器的润滑程度,会影响到施加在陶瓷片上预应力的大小。

超声波换能器预应力

预应力受螺栓润滑度的影响

预应力对换能器的影响

压电陶瓷的阻抗和频率会随着预应力的增加而稳定,较大的预应力可以降低换能器的阻抗,如果压电陶瓷未充分夹紧,换能器阻抗将变大。

那换能器的预应力是不是越大越好呢?

过大的预应力会使得换能器的性能降低,主要体现在以下几个方面:

压电陶瓷的性能在压缩偏压作用下发生了变化。特别是,材料有效工作的最高安全温度可能会大幅度降低,高压缩应力可能会降低居里温度。

过多的预紧力会导致明显的去极化,同时还会产生不稳定的阻抗和老化。

过大的预应力会减少换能器的使用寿命,严重时候还会引起换能器的陶瓷片晶裂。

换能器预应力过大前期会表现出较小的阻抗,但是随着时间推移换能器的性能变下降,同时伴随高阻抗的产品。

HBSONIC   , ZHIYUAN   超声波换能器制作


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换能器组装预应力控制设备

我们将换能器固定在工作台上,然后将电极片的正负极和专用设备相连,输入相应的参数后,使用特定的扳手对预应力螺栓进行拧紧,当预应力达到所需的值时,设备会提示停止工作,从而制作高品质的超声波换能器,以适应各种工作环境。

超声波换能器导纳图

我们生产的每一个超声波换能器,都要进行严格的导纳测试,并老化,只有性能达标的超声波换能器才能够出厂。

在上面这个导纳曲线图中:

Fs[Hz]:是换能器的中心频率。在图中显示是196000Hz。
F1[Hz]和F2[Hz]:表示换能器的带宽范围,超声波换能器带宽从194410~197798Hz。
Qm:简称Q值,Q值越大,换能器灵敏度就越高,余振时间就越长。Q值越小,换能器灵敏度就越低,余振时间就越短。
Gmax[ms]:1.748151
R1[ohm]:最小阻抗,单位是欧姆。
Fp[Hz]:反共振频率,单位是赫兹。
Keff:机电耦合系数
CT[nF]:静态电容值,单位是纳法。用于功率超声上,比如:焊接、清洗,这个指标用于匹配电感用。
C0[nF]和C1[nF]:两者相加=CT。
C0[nF]:自由电容。
C1[nF]:动态电容。用于功率超声上,比如:焊接、清洗,这个指标用于匹配电感用。
L1[mH]:电感值,单位是毫亨。
Zmax[kohm]:最大阻抗,单位是千欧姆。




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