超声波换能器的工作原理以及使用注意事项

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。

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。

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。

　　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。

　　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。

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。

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 ℃ 。