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如何判断超声波换能器的性能优劣

资讯来源:广东斯凯瑞    发布时间:2016-1-25 11:27:08

       超声波换能器在超声波设备中占有非常重要的作用,一个优质的超声波换能器,能保证输出功率强劲而稳定。那么,怎么去判断超声波换能器的性能优劣呢?可以从参数和导纳曲线图两方面进行分析。

       1、参数

       1)机械谐振频率(Fs)
       这是指振动系统的工作频率,设计中应尽可能接近期望值,必须与电源工作点匹配。

       2)动态电阻(R1)
       压电振子串联支路的电阻,在相同的支撑条件下越小越好!对于清洗或焊接振子来说,一般在5Ω-20Ω之间。如果太大的话,振子或振动系统工作会有问题,如电路不匹配或转换效率低,振子寿命短等。

       3)机械品质因素(Qm)
       以电导曲线法确定,Qm=Fs /(F2-F1),Qm越高越好,因为Qm越高,振子的效率越高。但Qm必须与电源匹配,Qm值太高时,电源无法匹配。对于清洗振子来说,Qm值越高越 好。一般来说,清洗振子的Qm要达到500-1000之间,太低的话,振子效率低,太高的话,电源无法匹配。对于超声焊接或加工来说,振子本身的Qm值一 般在50-1000左右,整机系统在1500-3000,太低的话,振动效率低,但是也不能太高,因为Qm越高,工作带宽越窄,电源难以匹配,也就是说电 源难以工作在谐振频率点,设备无法正常工作。

       4)自由电容(CT)
       压电器件在1kHz频率下的电容值,此值和数字电容表测得的值是一致的。这个值减掉动态电容C1就可以得到真正的静电容C0,C0=CT-C1。使用时要 以电感对C0进行平衡,在超声加工机器的电路设计中,正确地平衡C0可以提高电源的功率因素,使用电感平衡有两种方法,并联调谐和串联调谐。

       5)反谐振频率(Fp)
       压电振子并联支路的谐振频率,在这个频率下,压电振子的阻抗Zmax最大,如果反谐振阻抗Zmax很低,则振子有问题。

       2、图形

       一般说来,振动系统的振动性能或压电换能器,可以直接通过对数坐标图进行判断,简单直观。

       1)正常情况下,导纳圆为单圆,对数坐标图只有一对极小值和极大值,导纳圆与电导曲线如下图:
 

导纳圆与电导曲线图1


       2)异常情况下,导纳圆图上出现多个寄生小圆,对数坐标图有多对极小值和极大值,导纳圆与电导曲线如下图:
 

导纳圆与电导曲线2


       那么在什么情况下,压电陶瓷或换能器的导纳圆与电导曲线会出现异常呢?主要有以下几种情况:
       1)压电陶瓷本身有问题,如内部分层。
       2)换能器在装配时出现晶片裂。
       3)超声变幅杆、模具的设计或装配出现问题。
       4)换能器同心度差造成的应力杆周围零件相碰。

       一般来说,导纳曲线图和参数互相有关联,如果振子的导纳曲线图正常,则R1较低,Qm较高。反之如果振子的导纳曲线图异常,一般R1较大,Qm较小。超声波换能器作为超声波设备的重要组成部分,其质量的好坏,直接关系到设备的使用寿命。

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