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超声波换能器的参数有哪些?分别表示什么含义?

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发表时间:2018-10-27 18:58网址:https://www.chaoshengbohanjieji.com/h-nd-537.html

超声波换能器参数是分三种:

1.压电陶瓷片参数(可由生产厂商提供

2.小信号测量换能器(书上有介绍方法,目的为匹配和检查换能器的质量)

3.大功率测量(实际产品,现很少有做测量的有效方法)

超声波压电换能器阻抗测试仪


超声波换能器测量时包括的参数:

F:谐振频率(既阻抗最小时的状态)

FS:反谐振频率(阻抗最大时的状态)

F1-F2:带宽

R:动态电阻(阻抗)

C0:静电容(电容表就可测得)

C1:动态电容(匹配参数)

L1:动态电感(匹配参数)

以上数据可以通过阻抗分析仪/HP4139可以测得关键的动态参数

超声波换能器阻抗测试图

1、从纯电学角度:它就是个电容,用电阻表量,不通;用电容表量有几百几千PF的容值;

2、从纯机械角度:它是个能谐振的弹性东西,振动在它内部有特殊的模式,象二胡的琴弦,但比它要复杂一点,在不同频率下表现出串联谐振和并联谐振特性;

3、从电声学角度:它是个转换器,加电压产生体积变化,限制它体积变化,就对限制它的物体产生力;加力在上就产生电压。

  这种转换就象我们电源中用的变压器,描述变压器转换的参数是匝变比n,输入Vp输出Vs,则转换用Vp=-nVs表示,变压器两侧的参数都是电压V。

  而描述换能器转换的参数是电声转换系数(电声比)Φ,电端参数电流I,声端(或叫机端)参数是声速v,转换用I= -Φv表示。

  因为电学网络分析的理论较成熟,所以把力学向电学靠拢,就是说用电学的描述方式(如V、I、R、L、C等)来描述力学的规律。

  在等效图的机端,力F相当于电学的电压V,声速v相当于电学的电流I,力阻抗Zm相当于电阻R。

  于是在机端一侧,欧姆定律的力学形式为:F= v·Zm;机端侧的Lm、Cm等只做分析和理解用,是虚拟参数,难以实测,但可以通过其它参数的测量推算出来,如果用的到的话。

  对物体施力物体就有状态变化的趋势,阻值形态变化的因素就是力阻Zm产生的原因,如损耗、变为动能、弹性势能等其它能量,于是

  Zm = Rm + j·Xm = Rm + j·(ωM -K/ω)

  可以这样理解:损耗因素Rm将能量转化为换能器以外的其它能量如热损,这种能量转换是不可逆的;

 Xm可以理解为象LC等电元件那样存储能量的因素,包括转变为机械动能的ωM 项、产生弹性形变后变成弹性势能的K/ω项,储能这两项只是暂时存储能量,什么时候回收、什么时候它们之间相互转换,不同形、材的换能器就有不同的表现。

超声波电路原理等效图.png

对于换能器压电器件的分析和等效,我想应该有三种状态:

  1、自由状态:不夹紧的状态,分析压电片时;

  2、夹紧状态:即做成换能器后但不施加负载时;

  3、使用状态:实际使用情况,换能器置放于使用介质中,了解这一状态是我们设计电源最需要。

 从等效电路看,换能器和晶振滤波器等元件的电特性相似,应该有两个谐振频率,LCR串联谐振频率和LC0并联谐振频率。

超声波换能器等效电路


 如果换能器使用中(业内)通说的谐振频率只是指串联谐振频率(阻抗最小状态),而忽略那个并联谐振频率,那么,是不是可以这样理解:要有效地完成电声转换,工作频率应该是串联谐振频率,只有在这个频率下L和C的电抗相互抵消,能量才能最大效率地传输到R上;而静电容C0通过电路中的匹配电感Lz进行中和,使开关管输出的电压和电流相位尽可能保持一致,从而满足电路输出能量传输的高效率。这样理解可以吗?

 参数中的L1、C1是否就是上面31贴图中的L、C?

 如果是,那么是否还可以这样理解输出回路:

  换能器接入电源后,暂且抛开反馈变压器的输出电路是一个串联谐振回路(L1C1R)并联在另一个串联回路(LzC0)的电容C0两端。前一个回路是不可调的(但不知是否受声学负载变化的影响?),而后一个回路可以通过Lz来调谐。

        L1和C1会受到负载影响的,影响的因素主要有温度和机械负载,当温度升高到45度以上时,电流会变大,但输出功率会明显变小;对机械负载而言,影响到L1和C1也是必然的,因为超声换能器的原理是机械应变效应,施加机械负载后会使换能器的结构、质量、形状等发生变化,从而改变了换能器的应变特性。两者对换能器综合影响的结果,会使谐振频率偏移达2%甚至更多。


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