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超聲波換能器的原理和使用

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超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件,它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率(即超聲波)再傳遞出去,而它自身消耗很少一部分功率(小于10%)。所以,使用超聲波換能器很主要考慮的問(wèn)題即是與輸入輸出端的匹配,其次是機(jī)械安裝和配合尺寸。

超聲波換能器分類(lèi):

1、柱型

2、倒喇叭型

3、鋼后蓋型

4、中間夾鋁片型

主要適用于超聲波塑料焊接機(jī)、超聲波切割刀、超聲波金屬焊接機(jī),超聲波清洗機(jī),超聲波聲化學(xué)設(shè)備等。

超聲波換能器在合適的電場(chǎng)激勵(lì)下能發(fā)生有規(guī)律的振動(dòng),其振幅一般10μm左右,這樣的振幅要直接完成焊接和加工工序是不夠的。連上通過(guò)合理設(shè)計(jì)的變幅桿后,超聲波的振幅可以在很大的范圍內(nèi)變化,只要材料強(qiáng)度足夠,振幅可以超過(guò)100μm。

因加工方式和要求不同,換能器的工作方式大致可分為連續(xù)工作(如花邊機(jī),CD機(jī),清洗機(jī),拉鏈機(jī))和脈沖工作(如塑料焊機(jī)),不同的工作方式對(duì)換能器的要求是不同的。一般而言,連續(xù)式工作幾乎沒(méi)有停頓時(shí)間,但工作電流不是很大,脈沖工作是間歇的,有停頓,但瞬間電流很大。平均而言,二種狀態(tài)的功率都是很大的。

使用超聲波換能器很主要考慮的問(wèn)題即是與輸入輸出端的匹配,其次是機(jī)械安裝和配合尺寸。換能器的頻率相對(duì)而言還比較直觀些。該頻率是指用頻率(函數(shù))發(fā)生器,毫伏表,示波器等通過(guò)傳輸線(xiàn)路法測(cè)得的頻率,或用網(wǎng)絡(luò)阻抗分析儀等類(lèi)似儀表測(cè)得的頻率。一般通稱(chēng)小信號(hào)頻率。與它相對(duì)應(yīng)的是上機(jī)頻率,即客戶(hù)將換能器通過(guò)電纜連到機(jī)箱上,通電后空載或有載時(shí)測(cè)得的實(shí)際工作頻率。因客戶(hù)匹配電路各不相同,同樣的換能器在不同的驅(qū)動(dòng)電源(電箱)表現(xiàn)出來(lái)的頻率是不同的,這樣的頻率不能作為交流討論的依據(jù)。

讓換能器和驅(qū)動(dòng)電源、模具良好配合以形成一臺(tái)完整的超聲波設(shè)備可以簡(jiǎn)稱(chēng)為匹配。由于匹配對(duì)整機(jī)性能的影響是決定性的,無(wú)論怎樣強(qiáng)調(diào)匹配的重要性都不為過(guò)。匹配很主要考慮的因素是換能器的電容量,其次是換能器的頻率。

換能器與驅(qū)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。其中很主要的是容抗和頻率。如前所述因?yàn)樘沾善墙^緣體,你幾乎可以理解為換能器是不通電的,它只是相當(dāng)于一個(gè)電容器。要使換能器工作,實(shí)際上是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)它施加交流高電壓,讓換能器的電容充放電。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(yán)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(shù)表,給出了每個(gè)換能器的電容和頻率。驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)該根據(jù)換能器的電容量,調(diào)整高壓變壓器,匹配電容板,峰化線(xiàn)圈,調(diào)頻線(xiàn)圈等的參數(shù)。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(duì)匹配也有影響。而且隨著工作進(jìn)行,換能器的溫度會(huì)升高,導(dǎo)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,即會(huì)造成回路中電流電壓相位差很大,功率因素很低,虛功高??纯措娏骱艽螅珦Q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)振裂或燒掉很可能即是由此引起的。

頻率匹配同樣也非常重要。這首先是因?yàn)槌晸Q能器只能工作在他的諧振頻率點(diǎn),所以驅(qū)動(dòng)電源、變幅桿、模具(工具頭)都應(yīng)該在這個(gè)頻率下工作。一般而言,這個(gè)差別很大不超過(guò)±0.1kHz,能小一點(diǎn)會(huì)更好。我們強(qiáng)烈建議配套模具(焊頭)的頻率低于振動(dòng)子頻率0.1kHz左右(小信號(hào)頻率)。也即是說(shuō),若原振動(dòng)子小信號(hào)測(cè)量的頻率是14.85kHZ,則連上模具后再測(cè)頻率為14.75kHZ很為理想。同時(shí)即應(yīng)考慮到,超聲波換能器接上變幅桿和模具頭后,系統(tǒng)的諧振頻率峰會(huì)變得很尖銳,也即帶寬很窄,機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很大,頻率偏移一點(diǎn)都會(huì)造成阻抗很大的增加。表現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電源上會(huì)是電源(振幅表電功率)很大或過(guò)載保護(hù)。若剛好這時(shí)是空載調(diào)機(jī),則很可能會(huì)造成晶片錯(cuò)位,晶片裂或中心螺桿斷。

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