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超聲波換能器的工作原理以及使用注意事項

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發(fā)表時(shí)間:2024-05-29 10:54網(wǎng)址:http://www.jayclicksolutions.com/h-nd-554.html

超聲波換能器工作原理


超聲波換能器是把高頻電能轉化為機械能的裝置。由材料的壓電效應將電信號轉換為機械振動(dòng)。超聲波換能器是一種能量轉換器件,它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率(即超聲波)再傳遞出去,而自身消耗很少的一部分功率。

                      超聲波換能器結構超聲波換能器剖面示意圖                                                    壓電陶瓷原理.png壓電陶瓷片 (2).jpg

換能器的作用.png

使用方法:

  使用超聲波換能器最主要考慮的問(wèn)題就是與輸入輸出端的匹配,其次是機械安裝和配合尺寸。換能器的頻率相對而言還比較直觀(guān)些。該頻率是指用頻率(函數)發(fā)生器,毫伏表,示波器等通過(guò)傳輸線(xiàn)路法測得的頻率,或用網(wǎng)絡(luò )阻抗分析儀等類(lèi)似儀表測得的頻率。一般通稱(chēng)小信號頻率。與它相對應的是上機頻率,即客戶(hù)將換能器通過(guò)電纜連到機箱上,通電后空載或有載時(shí)測得的實(shí)際工作頻率。

不同換能器的輸出振幅.png


超聲波換能器使用時(shí)效果不好怎么辦 ?

常見(jiàn)的問(wèn)題

  晶片開(kāi)裂、無(wú)力、易過(guò)載、電極片打火、電極片開(kāi)裂、發(fā)熱嚴重、怪聲、漏波、晶片錯位發(fā)生了問(wèn)題,我們認為原因可以歸為三類(lèi)。其一是客戶(hù)的驅動(dòng)電源或模具及裝配有問(wèn)題,其二是換能器及變幅桿有問(wèn)題,第三是雙方的產(chǎn)品都沒(méi)有問(wèn)題,但不匹配?! ?/span>


  對于第一種情況,我們建議客戶(hù)積極的查找原因,或與我們公司技術(shù)人員溝通,盡快改進(jìn)。就算您不采用我們公司的產(chǎn)品,但改進(jìn)自身存在的問(wèn)題絕對是有利而無(wú)害的?! ?第二種情況也是必定會(huì )發(fā)生的,只不過(guò)發(fā)現的可能性很小?!〉谌N情況是最常見(jiàn)的,就是客戶(hù)的驅動(dòng)電源是好的,換能器也是好的,組裝也是正常的,但是各部分不匹配。引起不匹配的主要參數是換能器的頻率和電容量。


超聲波換能器和超聲波發(fā)生器匹配概念

  讓換能器和驅動(dòng)電源、焊接模具良好配合以形成一臺完整的超聲波設備可以簡(jiǎn)稱(chēng)為匹配。由于匹配對整機性能的影響是決定性的,無(wú)論怎樣強調匹配的重要性都不為過(guò)。匹配最主要考慮的因素是換能器的電容量,其次是換能器的頻率。


  需要強調的是,超聲波換能器本身不是一個(gè)能量發(fā)生器,它只是一個(gè)能量轉換器。是將電能轉換為聲能 (機械能 ) ,在輸入 ( 驅動(dòng)電源 ) ,輸出 (增幅器,模具 ) 良好匹配的前提下,它可以轉換(輸出)很大的能量。 輸入匹配是指換能器與驅動(dòng)電源的匹配,若輸出匹配好而輸入匹配不好,則表現為換能器無(wú)力,焊不牢。若輸出匹配不好而輸入匹配好,則換能器會(huì )過(guò)載,造成晶片錯位開(kāi)裂,破碎,螺桿斷,鋁裂或燒電箱功率管。

振動(dòng)系統(機械諧振單元).png

  舉個(gè)例子,就像汽車(chē)在空擋狀態(tài)下猛踩油門(mén),發(fā)動(dòng)機肯定容易損壞的。 換能器與驅動(dòng)電源的匹配主要有 4 個(gè)方面,即阻抗匹配、頻率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中最主要的是容抗和頻率。


  如前所述 因為陶瓷片是絕緣體,你幾乎可以理解為換能器是不通電的,它只是相當于一個(gè)電容器。要使換能器工作,實(shí)際上是通過(guò)驅動(dòng)電路對它施加交流高電壓,讓換能器的電容充放電。

換能器.png


  壓電陶瓷片在交變電場(chǎng)的作用下做同步伸縮變形,形成了整個(gè)換能器的縱向振動(dòng),從而帶動(dòng)變幅桿和模具振動(dòng)。所以,若電容匹配不好,輕者是換能器無(wú)力,焊不牢;重者換能器發(fā)熱嚴重,燒電極片、燒電源的大功率管。


我們的換能器產(chǎn)品附有產(chǎn)品性能參數表,給出了每個(gè)換能器的電容和頻率。驅動(dòng)電源應該根據換能器的電容量,調整高壓變壓器,匹配電容板,峰化線(xiàn)圈,調頻線(xiàn)圈等的參數。由于電感和電容量的敏感性,功放板,扼流線(xiàn)圈及其他外圍電路對匹配也有影響。


  而且隨著(zhù)工作進(jìn)行,換能器的溫度會(huì )升高,導致電容也會(huì )升高且變化量可能會(huì )超過(guò) 50% ,若不能將電容有效地匹配掉,就會(huì )造成回路中電流電壓相位差很大,功率因素很低,虛功高??纯措娏骱艽?,但換能器沒(méi)力,易發(fā)熱,且電源的功率器件也容易發(fā)熱損壞。一般換能器電極片(耳朵)振裂或燒掉很可能就是由此引起的。


換能器和發(fā)生器匹配操作

頻率匹配同樣也非常重要。這首先是因為超聲換能器只能工作在他的諧振頻率點(diǎn),所以驅動(dòng)電源、變幅桿、焊接模具(工具頭)都應該在這個(gè)頻率下工作。一般而言,我們希望這個(gè)差別最大不超過(guò) ± 0.1kHz ,能小一點(diǎn)就更好。 我們強烈建議您配套焊接模具(焊頭)的頻率低于振動(dòng)子頻率 0.1kHz左右(小信號頻率)。也就是說(shuō),若原振動(dòng)子小信號測量的頻率是 14.85 kHZ ,則連上模具后再測頻率為 14.75kHZ 最為理想。

一套振動(dòng)單元的組裝.png

同時(shí)就應考慮到,超聲波換能器接上變幅器和模具頭后,系統的諧振頻率峰會(huì )變得很尖銳,也即帶寬很窄,機械品質(zhì)因數很大,頻率偏移一點(diǎn)都會(huì )造成阻抗很大的增加。表現在驅動(dòng)電源上就是電源(振幅表電功率)很大或過(guò)載保護。若剛好這時(shí)是空載調機,則很可能會(huì )造成晶片錯位,晶片裂或中心螺桿斷。


功率匹配和阻抗匹配主要是考慮到超聲波焊接系統是間隙式工作,負載變化極大,焊接時(shí)要有足夠的功率輸出,空載時(shí)要控制在最小振幅。否則,就像前面提到的,空載時(shí)輸入很大,則損壞換能器。滿(mǎn)載時(shí)功率上不去,焊不牢還是沒(méi)用的。



各部件裝配注意事項

超聲波振動(dòng)系統的各個(gè)部件,如換能器、變幅桿、工具頭等主要部分是通過(guò)中心螺栓連接的。

1 、 檢查接觸面應平整光滑無(wú)傷痕,若有傷痕,用零號以上的金相砂紙輕輕打磨。要求既能將缺  陷磨平,又不破壞接觸面的平面度。2 、 用易揮發(fā)無(wú)腐蝕性的清潔劑清潔螺絲、螺孔和接觸面。

3 、 徹底清潔螺絲、螺孔和接觸面。

4 、 所有連接螺孔應垂直于接觸面。

5 、 擰緊前在接觸面上涂薄薄一層硅脂(或黃油和凡士林),注意不要將硅脂涂到連接螺絲及螺孔上。

6 、小心地將二個(gè)部件擰緊。根據連接螺絲規格的不同,控制合適的擰緊力矩。在可能的情況下,應擰的適當緊一點(diǎn)。

7、若重新松開(kāi)結合面后應該看不到有任何傷痕。

8 、用手摸振動(dòng)系統振幅均勻,無(wú)怪聲,無(wú)局部嚴重發(fā)熱。

9 、工作一段時(shí)間后重新送開(kāi)結合面應沒(méi)有氧化或燒蝕痕跡,否則就說(shuō)明此處接觸不好,超聲波能量在這里損失嚴重。


換能器的使用環(huán)境

能器使用時(shí)會(huì )發(fā)熱,這主要是由三個(gè)原因引起的。


其一是被焊工件會(huì )發(fā)熱或被超聲波處理的物質(zhì)會(huì )發(fā)熱,或模具(工具頭)、變幅桿長(cháng)時(shí)間工作會(huì )發(fā)熱,這些熱量都會(huì )傳遞到換能器上。


其二是換能器本身的功率損耗。既然做不到能量轉換效率 100% ,損耗的那部分能量必然轉換成熱量。溫升會(huì )導致?lián)Q能器參數變化,逐漸偏移最佳匹配狀態(tài),更嚴重的是溫升會(huì )導致壓電陶瓷晶片性能的劣化。這反過(guò)來(lái)又促使換能器工作狀態(tài)更壞,更快地升溫,這是一個(gè)惡性循環(huán)。


所以我們必須給以換能器良好的冷卻條件,一般是常溫風(fēng)冷;如有必要,也可采用冷風(fēng)風(fēng)冷。在正常情況下,這兩點(diǎn)引起的溫升也是正常的,在正常的冷卻條件下,不會(huì )有大的問(wèn)題。



                                               換能器結構.jpg               倒喇叭換能器




換能器.png



在實(shí)踐中我們發(fā)現,還有第三個(gè)原因,就是客戶(hù)在使用時(shí)沒(méi)能將換能器與驅動(dòng)電源匹配到最佳工作狀態(tài),這引起的發(fā)熱是很大的,而且是不可控的,會(huì )產(chǎn)生嚴重的后果。同時(shí)溫度高了,鋁材的機械強度就急劇下降,在大功率的作用下,開(kāi)裂就是必然的了。明明是好的東西,由于使用不當造成損壞,實(shí)在是太可惜了。我公司有很大的損失,但貴公司的損失更大。所以,我們很希望能和貴公司一起,共同努力,提高應用技術(shù)水平。 根據國內外的經(jīng)驗,換能器的溫度在任何時(shí)候都絕對不能超過(guò)攝氏 85 ℃ 。


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