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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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發表時間:2019-03-06 11:22網址:http://www.clovermaderitch.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。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。

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些。該頻率是指用頻率(函數)發生器,毫伏表,示波器等通過傳輸線路法測得的頻率,或用網絡阻抗分析儀等類似儀表測得的頻率。一般通稱小信號頻率。與它相對應的是上機頻率,即客戶將換能器通過電纜連到機箱上,通電后空載或有載時測得的實際工作頻率。

不同換能器的輸出振幅.png


超聲波換能器使用時效果不好怎么辦 ?

常見的問題

  晶片開裂、無力、易過載、電極片打火、電極片開裂、發熱嚴重、怪聲、漏波、晶片錯位發生了問題,我們認為原因可以歸為三類。其一是客戶的驅動電源或模具及裝配有問題,其二是換能器及變幅桿有問題,第三是雙方的產品都沒有問題,但不匹配?! ?/span>


  對于第一種情況,我們建議客戶積極的查找原因,或與我們公司技術人員溝通,盡快改進。就算您不采用我們公司的產品,但改進自身存在的問題絕對是有利而無害的?! ?第二種情況也是必定會發生的,只不過發現的可能性很小?!〉谌N情況是最常見的,就是客戶的驅動電源是好的,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生器匹配概念

  讓換能器和驅動電源、焊接模具良好配合以形成一臺完整的超聲波設備可以簡稱為匹配。由于匹配對整機性能的影響是決定性的,無論怎樣強調匹配的重要性都不為過。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能量發生器,它只是一個能量轉換器。是將電能轉換為聲能 (機械能 ) ,在輸入 ( 驅動電源 ) ,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,則表現為換能器無力,焊不牢。若輸出匹配不好而輸入匹配好,則換能器會過載,造成晶片錯位開裂,破碎,螺桿斷,鋁裂或燒電箱功率管。

振動系統(機械諧振單元).png

  舉個例子,就像汽車在空擋狀態下猛踩油門,發動機肯定容易損壞的。 換能器與驅動電源的匹配主要有 4 個方面,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,它只是相當于一個電容器。要使換能器工作,實際上是通過驅動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的作用下做同步伸縮變形,形成了整個換能器的縱向振動,從而帶動變幅桿和模具振動。所以,若電容匹配不好,輕者是換能器無力,焊不牢;重者換能器發熱嚴重,燒電極片、燒電源的大功率管。


我們的換能器產品附有產品性能參數表,給出了每個換能器的電容和頻率。驅動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,峰化線圈,調頻線圈等的參數。由于電感和電容量的敏感性,功放板,扼流線圈及其他外圍電路對匹配也有影響。


  而且隨著工作進行,換能器的溫度會升高,導致電容也會升高且變化量可能會超過 50% ,若不能將電容有效地匹配掉,就會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?,但換能器沒力,易發熱,且電源的功率器件也容易發熱損壞。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,所以驅動電源、變幅桿、焊接模具(工具頭)都應該在這個頻率下工作。一般而言,我們希望這個差別最大不超過 ± 0.1kHz ,能小一點就更好。 我們強烈建議您配套焊接模具(焊頭)的頻率低于振動子頻率 0.1kHz左右(小信號頻率)。也就是說,若原振動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。

一套振動單元的組裝.png

同時就應考慮到,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變得很尖銳,也即帶寬很窄,機械品質因數很大,頻率偏移一點都會造成阻抗很大的增加。表現在驅動電源上就是電源(振幅表電功率)很大或過載保護。若剛好這時是空載調機,則很可能會造成晶片錯位,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,焊接時要有足夠的功率輸出,空載時要控制在最小振幅。否則,就像前面提到的,空載時輸入很大,則損壞換能器。滿載時功率上不去,焊不牢還是沒用的。



各部件裝配注意事項

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

1 、 檢查接觸面應平整光滑無傷痕,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 、 用易揮發無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。

7、若重新松開結合面后應該看不到有任何傷痕。

8 、用手摸振動系統振幅均勻,無怪聲,無局部嚴重發熱。

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


換能器的使用環境

能器使用時會發熱,這主要是由三個原因引起的。


其一是被焊工件會發熱或被超聲波處理的物質會發熱,或模具(工具頭)、變幅桿長時間工作會發熱,這些熱量都會傳遞到換能器上。


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。溫升會導致換能器參數變化,逐漸偏移最佳匹配狀態,更嚴重的是溫升會導致壓電陶瓷晶片性能的劣化。這反過來又促使換能器工作狀態更壞,更快地升溫,這是一個惡性循環。


所以我們必須給以換能器良好的冷卻條件,一般是常溫風冷;如有必要,也可采用冷風風冷。在正常情況下,這兩點引起的溫升也是正常的,在正常的冷卻條件下,不會有大的問題。



                                               換能器結構.jpg               倒喇叭換能器




換能器.png



在實踐中我們發現,還有第三個原因,就是客戶在使用時沒能將換能器與驅動電源匹配到最佳工作狀態,這引起的發熱是很大的,而且是不可控的,會產生嚴重的后果。同時溫度高了,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,提高應用技術水平。 根據國內外的經驗,換能器的溫度在任何時候都絕對不能超過攝氏 85 ℃ 。


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