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超声波换能器的工作原理以及使用注意事项

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发表时间:2019-03-06 11:22网址:http://www.chaoshengbohanjieji.com/h-nd-554.html

超声波换能器工作原理


超声波换能器是把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。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,而自身消耗很少的一部分功率。

换能器的作用.png

使用方法:

  使用超声波换能器最主要考虑的问题就是与输入输出端的匹配,其次是机械安装和配合尺寸。换能器的频率相对而言还比较直观些。该频率是指用频率(函数)发生器,毫伏表,示波器等通过传输线路法测得的频率,或用网络阻抗分析仪等类似仪表测得的频率。一般通称小信号频率。与它相对应的是上机频率,即客户将换能器通过电缆连到机箱上,通电后空载或有载时测得的实际工作频率。

不同换能器的输出振幅.png


超声波换能器使用时效果不好怎么办 ?

常见的问题

  晶片开裂、无力、易过载、电极片打火、电极片开裂、发热严重、怪声、漏波、晶片错位发生了问题,我们认为原因可以归为三类。其一是客户的驱动电源或模具及装配有问题,其二是换能器及变幅杆有问题,第三是双方的产品都没有问题,但不匹配。  


  对于第一种情况,我们建议客户积极的查找原因,或与我们公司技术人员沟通,尽快改进。就算您不采用我们公司的产品,但改进自身存在的问题绝对是有利而无害的。   第二种情况也是必定会发生的,只不过发现的可能性很小。 第三种情况是最常见的,就是客户的驱动电源是好的,换能器也是好的,组装也是正常的,但是各部分不匹配。引起不匹配的主要参数是换能器的频率和电容量。


超声波换能器和超声波发生器匹配概念

  让换能器和驱动电源、焊接模具良好配合以形成一台完整的超声波设备可以简称为匹配。由于匹配对整机性能的影响是决定性的,无论怎样强调匹配的重要性都不为过。匹配最主要考虑的因素是换能器的电容量,其次是换能器的频率。


  需要强调的是,超声波换能器本身不是一个能量发生器,它只是一个能量转换器。是将电能转换为声能 (机械能 ) ,在输入 ( 驱动电源 ) ,输出 (增幅器,模具 ) 良好匹配的前提下,它可以转换(输出)很大的能量。 输入匹配是指换能器与驱动电源的匹配,若输出匹配好而输入匹配不好,则表现为换能器无力,焊不牢。若输出匹配不好而输入匹配好,则换能器会过载,造成晶片错位开裂,破碎,螺杆断,铝裂或烧电箱功率管。

振动系统(机械谐振单元).png

  举个例子,就像汽车在空挡状态下猛踩油门,发动机肯定容易损坏的。 换能器与驱动电源的匹配主要有 4 个方面,即阻抗匹配、频率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中最主要的是容抗和频率。


  如前所述 因为陶瓷片是绝缘体,你几乎可以理解为换能器是不通电的,它只是相当于一个电容器。要使换能器工作,实际上是通过驱动电路对它施加交流高电压,让换能器的电容充放电。

换能器.png


  压电陶瓷片在交变电场的作用下做同步伸缩变形,形成了整个换能器的纵向振动,从而带动变幅杆和模具振动。所以,若电容匹配不好,轻者是换能器无力,焊不牢;重者换能器发热严重,烧电极片、烧电源的大功率管。


我们的换能器产品附有产品性能参数表,给出了每个换能器的电容和频率。驱动电源应该根据换能器的电容量,调整高压变压器,匹配电容板,峰化线圈,调频线圈等的参数。由于电感和电容量的敏感性,功放板,扼流线圈及其他外围电路对匹配也有影响。


  而且随着工作进行,换能器的温度会升高,导致电容也会升高且变化量可能会超过 50% ,若不能将电容有效地匹配掉,就会造成回路中电流电压相位差很大,功率因素很低,虚功高。看看电流很大,但换能器没力,易发热,且电源的功率器件也容易发热损坏。一般换能器电极片(耳朵)振裂或烧掉很可能就是由此引起的。


换能器和发生器匹配操作

频率匹配同样也非常重要。这首先是因为超声换能器只能工作在他的谐振频率点,所以驱动电源、变幅杆、焊接模具(工具头)都应该在这个频率下工作。一般而言,我们希望这个差别最大不超过 ± 0.1kHz ,能小一点就更好。 我们强烈建议您配套焊接模具(焊头)的频率低于振动子频率 0.1kHz左右(小信号频率)。也就是说,若原振动子小信号测量的频率是 14.85 kHZ ,则连上模具后再测频率为 14.75kHZ 最为理想。

一套振动单元的组装.png

同时就应考虑到,超声波换能器接上变幅器和模具头后,系统的谐振频率峰会变得很尖锐,也即带宽很窄,机械品质因数很大,频率偏移一点都会造成阻抗很大的增加。表现在驱动电源上就是电源(振幅表电功率)很大或过载保护。若刚好这时是空载调机,则很可能会造成晶片错位,晶片裂或中心螺杆断。


功率匹配和阻抗匹配主要是考虑到超声波焊接系统是间隙式工作,负载变化极大,焊接时要有足够的功率输出,空载时要控制在最小振幅。否则,就像前面提到的,空载时输入很大,则损坏换能器。满载时功率上不去,焊不牢还是没用的。



各部件装配注意事项

超声波振动系统的各个部件,如换能器、变幅杆、工具头等主要部分是通过中心螺栓连接的。

1 、 检查接触面应平整光滑无伤痕,若有伤痕,用零号以上的金相砂纸轻轻打磨。要求既能将缺  陷磨平,又不破坏接触面的平面度。2 、 用易挥发无腐蚀性的清洁剂清洁螺丝、螺孔和接触面。

3 、 彻底清洁螺丝、螺孔和接触面。

4 、 所有连接螺孔应垂直于接触面。

5 、 拧紧前在接触面上涂薄薄一层硅脂(或黄油和凡士林),注意不要将硅脂涂到连接螺丝及螺孔上。

6 、小心地将二个部件拧紧。根据连接螺丝规格的不同,控制合适的拧紧力矩。在可能的情况下,应拧的适当紧一点。

7、若重新松开结合面后应该看不到有任何伤痕。

8 、用手摸振动系统振幅均匀,无怪声,无局部严重发热。

9 、工作一段时间后重新送开结合面应没有氧化或烧蚀痕迹,否则就说明此处接触不好,超声波能量在这里损失严重。


换能器的使用环境

能器使用时会发热,这主要是由三个原因引起的。


其一是被焊工件会发热或被超声波处理的物质会发热,或模具(工具头)、变幅杆长时间工作会发热,这些热量都会传递到换能器上。


其二是换能器本身的功率损耗。既然做不到能量转换效率 100% ,损耗的那部分能量必然转换成热量。温升会导致换能器参数变化,逐渐偏移最佳匹配状态,更严重的是温升会导致压电陶瓷晶片性能的劣化。这反过来又促使换能器工作状态更坏,更快地升温,这是一个恶性循环。


所以我们必须给以换能器良好的冷却条件,一般是常温风冷;如有必要,也可采用冷风风冷。在正常情况下,这两点引起的温升也是正常的,在正常的冷却条件下,不会有大的问题。



                                               换能器结构.jpg               倒喇叭换能器




换能器.png



在实践中我们发现,还有第三个原因,就是客户在使用时没能将换能器与驱动电源匹配到最佳工作状态,这引起的发热是很大的,而且是不可控的,会产生严重的后果。同时温度高了,铝材的机械强度就急剧下降,在大功率的作用下,开裂就是必然的了。明明是好的东西,由于使用不当造成损坏,实在是太可惜了。我公司有很大的损失,但贵公司的损失更大。所以,我们很希望能和贵公司一起,共同努力,提高应用技术水平。 根据国内外的经验,换能器的温度在任何时候都绝对不能超过摄氏 85 ℃ 。


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