一种超声换能器激振频率选择方法技术

本发明专利技术提供一种超声换能器激振频率选择方法，所述方法包括：针对待处理的超声换能器，根据超声换能器的参数，确定超声换能器的扫频范围；根据扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；根据扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件；根据筛选规则，和筛选临界条件，从扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。上述方法选择的超声换能器的激振频率使得超声换能器与外部匹配电感产生耦合谐振，达到电能到机械能的最佳转化效果，振幅最大，振动稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种超声换能器激振频率选择方法
本专利技术涉及超声加工
，特别是一种超声换能器激振频率选择方法及装置、计算机存储介质。
技术介绍
超声振动加工中，超声换能器接受超声电源输出的电能，并转换为机械能，驱动刀具产生超声频的微米级的振动，从而实现刀具与加工工件的周期性分离，降低切削力，改善加工表面质量，延长刀具寿命，该技术适宜于难加工材料加工。超声换能器为超声加工系统关键部件，采用夹心式结构(如图1所示)，由变幅杆1、压电陶瓷堆2、后盖板3和紧固螺栓4组成。超声换能器等效阻抗网络如图2所示，其中C0称为换能器的静态电容，它是受夹持压电振子两极板之间的电容，是一个真实存在的电学量，可以通过电容表直接测得，在换能器工作过程中近似为常数。L1称为换能器的等效动态电感，C1称为换能器的等效动态电容，R1称为换能器的等效动态电阻。L1、C1、R1反映了换能器压电振子的机械特性，其中，L1代表了压电振子的质量，C1代表了压电振子的柔量，R1代表了压电振子的阻尼，当换能器振动时，这三个参数受负载和温度影响会发生变化。L1、C1、R1串联构成换能器的机械支路，并与电学支路C0并联耦合。超声换能器是一个容性元件，为保证超声电源输出的电能有效转换为超声换能器的机械振动，需要在超声电源和超声换能器之间增加一个感性元件对换能器的容抗进行补偿，感性元件与超声换能器内部的容抗发生耦合谐振，使超声电源的负载表现为纯电阻，称这种补偿为阻抗匹配，而此时的耦合谐振频率即为换能器的激振频率。采用可调电感进行阻抗匹配的方法如图3所示，其中，RT、XT分别称为超声换能器的串联电阻和串联容抗，是换能器内部机械支路和电学支路耦合的结果，可由图2等效变换得到。根据图2，当换能器的激振频率时，换能器的机械支路发生谐振，称此频率为换能器的机械谐振频率，记作fs。当换能器的机械支路谐振时，换能器振动最为强烈，因而被认为是换能器的最佳激振频率。但换能器在机械谐振频率激振时，振动不稳定，且换能器是一个机电耦合体，不仅换能器内部存在机电耦合，与外部的匹配电感也存在耦合，要选择换能器的激振频率，不能单从换能器的机械支路分析，而应从整个换能器激振系统的机电耦合过程来分析确定。综上，如何基于计算机程序实现对现有的超声换能器的激振频率进行合理选择成为当前需要解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种超声换能器激振频率选择方法及装置、计算机存储介质。第一方面，本专利技术提供一种超声换能器激振频率选择方法，包括：101、针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围；102、根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；103、根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件。104、根据筛选规则和所述筛选临界条件，从所述扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。可选的，所述步骤101包括：根据所述超声换能器的导纳参数，获取所述超声换能器的机械谐振频率；根据所述机械谐振频率和预设频率阈值，确定所述超声换能器的扫频范围。可选的，所述步骤103包括：获取每一个频率节点对应的电抗与电阻的比值，以及获取最小电抗对应的该频率节点的电抗与电阻的比值作为第一比值；将第一比值的绝对值作为筛选临界条件Kmin。可选的，所述步骤104包括：将所有频率节点对应的比值绝对值超出所述筛选临界条件Kmin和另一临界条件Kmax的频率节点去除，剩余的频率节点为筛选的作为激励超声换能器的超声换能器工作频率的节点；其中，另一临界条件Kmax为预先设定的比值绝对值的最大值。第二方面，本专利技术还提供一种超声换能器激振频率选择装置，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储指令，所述处理器执行所述存储中存储的指令，具体包括：针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围；根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件；根据筛选规则和所述筛选临界条件，从所述扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。可选地，所述处理器还用于，根据所述超声换能器的导纳参数，获取所述超声换能器的机械谐振频率；根据所述机械谐振频率和预设频率阈值，确定所述超声换能器的扫频范围。可选地，所述处理器还用于，获取每一个频率节点对应的电抗与电阻的比值，以及获取最小电抗对应的该频率节点的电抗与电阻的比值作为第一比值；将第一比值的绝对值作为筛选临界条件Kmin。可选地，所述处理器还用于，将所有频率节点对应的比值绝对值超出所述筛选临界条件Kmin和另一临界条件Kmax的频率节点去除，剩余的频率节点为筛选的作为激励超声换能器的工作频率的节点；其中，另一临界条件Kmax为预先设定的比值绝对值的最大值。第三方面，本专利技术还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面任意一项方法的步骤。本专利技术具有的有益效果：1)超声换能器依据选择的工作频率与外部匹配电感产生耦合谐振，达到电能到机械能的最佳转化效果，振幅最大，振动稳定。2)本专利技术实施例中以换能器激振系统整体机电耦合为出发点，确定换能器的固有机械谐振频率以及偏固有机械谐振区，换能器在偏固有机械谐振区耦合谐振时，能够获得理想的高压正弦波激振电压信号，因而其振动效果要优于换能器在固有机械谐振频率点的耦合振动。附图说明图1为现有技术中夹心式换能器的结构示意图；图2为图1中的夹心式换能器的等效电路图；图3为图2中的夹心式换能器的可调电感串联匹配的示意图；图4a为本专利技术一实施例提供的超声换能器激振频率选择方法的流程示意图；图4b为本专利技术另一实施例提供的超声换能器激振频率选择方法的流程示意图；图5为本专利技术中换能器机械谐振点分析图；图6为本专利技术中换能器工作谐振点选择示意及匹配电感计算分析图；图7为本专利技术中一实施例中绘制的阻抗圆分析图；图8a为本专利技术中机械谐振频率下换能器振幅测量图；图8b为本专利技术中机械谐振频率下换能器两端激振电压及回路电流测量图；图9a为本专利技术中偏固有谐振区下换能器振幅测量图；图9b为本专利技术中偏固有谐振区下换能器两端激振电压及回路电流测量图。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。实施例一本专利技术实施例提供一种超声换能器激振频率选择方法，如图4a所示，该方法包括下述的步骤：101、针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围。例如，根据所述超声换能器的导纳参数，获取所述超声换能器的机械谐振频率；根据所述机械谐振频率和预设频率阈值，确定所述超声换能器的扫频范围。102、根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值。103、根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件。例如，获取每一个频率节点对应的电抗与电阻的比值，以及获取电抗对应的该频率节点的电抗与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声换能器激振频率选择方法，其特征在于，包括：101、针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围；102、根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；103、根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件。104、根据筛选规则和所述筛选临界条件，从所述扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。

【技术特征摘要】
1.一种超声换能器激振频率选择方法，其特征在于，包括：101、针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围；102、根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；103、根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件。104、根据筛选规则和所述筛选临界条件，从所述扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤101包括：根据所述超声换能器的导纳参数，获取所述超声换能器的机械谐振频率；根据所述机械谐振频率和预设频率阈值，确定所述超声换能器的扫频范围。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤103包括：获取每一个频率节点对应的电抗与电阻的比值，以及获取最小电抗对应的该频率节点的电抗与电阻的比值作为第一比值；将第一比值的绝对值作为筛选临界条件Kmin。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤104包括：将所有频率节点对应的比值绝对值超出所述筛选临界条件Kmin和另一临界条件Kmax的频率节点去除，剩余的频率节点为筛选的作为激励超声换能器的工作频率的节点；其中，另一临界条件Kmax为预先设定的比值绝对值的最大值。5.一种超声换能器激振频率选择装置，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储指令，所述处理器执行所述存储中存储...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兴刚，张德远，耿大喜，朱咸斌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11