超聲波換能器、變幅桿、焊頭知識

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超聲波換能器參數、知識

發布時間:11-04-04 關注次數:

超聲波換能器,要解決的技術問題是設計一種作用距離大、頻帶寬的超聲波換能器。本發明由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。

  超聲波換能器,要解決的技術問題是設計一種作用距離大、頻帶寬的超聲波換能器。本發明由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成,Cymbal陣列接收器由8~16只Cymbal換能器、兩個金屬圓環和橡膠墊圈組成。壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超聲波換能器,由它發射和接收超聲波信號;Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器之上,作為超聲波接收器,用于接收圓盤換能器頻帶之外的多普勒回波信號。本發明的作用距離大于35m,頻帶寬度達到10kHz,能檢測高速移動的遠距離目標。
  超聲波換能器,包括外殼(1)、匹配層即聲窗(2)、壓電陶瓷圓盤換能器(3)、背襯(4)、引出電纜(5),其特征在于它還包括Cymbal陣列接收器,它由引出電纜(6)、8~16只Cymbal換能器(7)、金屬圓環(8)、(9)和橡膠墊圈(10) 組成;Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器3之上;壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超聲波換能器,由它發射和接收超聲波信號;Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器之上,作為超聲波接收器,用于接收圓盤換能器頻帶之外的多普勒回波信號。


超聲波換能器參數的測試及阻抗測試儀

用阻抗分析儀可以評定壓電陶瓷片、壓電換能器、整個振動系統(超聲波換能器加上變幅桿、模具)等各種器件設備的性能優劣。用阻抗分析儀分析超聲器件設備,最重要的幾個參數如下:
  1. Fs:機械諧振頻率,即振動系統的工作頻率、設計中應盡可能接近期望值。
  對于清洗機,振子的諧振頻率一致性越高越好。
  對于塑焊機或超聲加工,變幅桿或模具設計不合理的情況下,振子的諧振頻率會偏離工作點。
  2. Gmax:諧振時的電導,振動系統工作時的電導值,它是動態電阻的倒數。在相同的支撐條件下越大越好,Gmax=1/R1。一般對于清洗或焊接振子來說,一般在50ms~500ms之間。如果太小的話,一般來說,振子或振動系統工作會有問題,如電路不匹配或轉換效率低、振子壽命短。
  3. C0:超聲波換能器壓電器件等效電路中靜態支路的電容量,C0=CT-C1(其中:CT為1kHz下的自由電容,C1為壓電器件等效電路中動態支路的電容量)。使用時要以電感對C0進行平衡。
  在清洗機或超聲加工機器的電路設計中,正確地平衡C0可以提高電源的功率因素,使用電感平衡有兩種方法,并聯調諧和串聯調諧。
  4. 超聲波換能器機械品質因素,以電導曲線法確定,Qm=Fs/(F2-F1),Qm越高越好,因為越高,振子的效率越高;但必須與電源匹配,Qm值太高時,電源無法匹配。
  對于清洗振子來說,值越高越好,一般來說,清洗振子的Qm要達到500以上,太低的話,振子效率低。
  對于超聲波換能器超聲加工來說,振子本身的Qm值一般在500左右,加上變幅桿之后,一般達到1000左右,再加上模具,一般達到1500~3000。太低的話,振動效率低,但是不能太高,因為Qm越高,工作帶寬越窄,電源難以匹配,電源難以工作在諧振頻率點,設備無法工作。
  5. F2,F1:振子半功率點頻率,對于超聲加工的整個振動系統(包含變幅桿和模具)來說,F2-F1要大于10Hz, 否則頻帶太窄,電源難以工作在諧振頻率點,設備無法工作。    F2-F1與Qm值直接相關,Qm=Fs/(F2-F1)。
  6. Fp:反諧振頻率,壓電振子并聯支路的諧振頻率,在這個頻率下,壓電振子的阻抗最大。
  7. Zmax:反諧振阻抗,正常的情況下,一個換能器的反諧振阻抗都在幾十千歐姆以上,如果反諧振阻抗比較低,往往振子的壽命比較短。
  8. CT:超聲波換能器自由電容,壓電器件在1kHz頻率下的電容值,此值和數字電容表測得的值是一致的。這個值減掉動態電容C1就可以得到真正的靜電容C0,C0需要用外接電感平衡,C1在系統工作的時候參與能量轉換,不必平衡。
  9. R1:動態電阻,壓電振子串聯支路的電阻,在相同的支撐條件下越小越好。對于清洗或焊接振子來說,如果R1太大的話,說明振子有問題。
  10. Keff:有效機電耦合系數,一般來說,Keff越高,說明轉換效率越高

 

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