一种具有声反馈功能的压电式超声换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器，包括预紧力螺钉、中间压块、发射压电陶瓷元件和前压块，中间压块和前压块设在发射压电陶瓷元件的两端，中间压块另一端还设有与上述发射压电陶瓷元件构造完全一致的检测压电陶瓷元件，检测压电陶瓷元件的另一端还设有后压块，前压块、中间压块和后压块通过预紧力螺钉将发射压电陶瓷元件和检测压电陶瓷元件压紧；检测压电陶瓷元件通过电极元件连接超声波电源检测电路。本发明专利技术利用检测压电陶瓷元件产生与超声波换能器出口处振动频率相同的振动，并通过超声波电源检测电路对其振动进行检测，以实现超声波换能器是否工作在振幅最大的谐振频率的快速判断，其判断方法简单且极易操作。

【技术实现步骤摘要】
一种具有声反馈功能的压电式超声换能器
本专利技术涉及压电式超声换能器，涉及超声波发射器的频率跟踪技术，更具体的说，涉及一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器。
技术介绍
换能器是利用压电晶体(陶瓷)的压电现象实现电能、机械能互换的装置。超声换能器只有在发生谐振时，才能向外发射出大功率的超声波。谐振频率范围内压电陶瓷换能器的模型可以用图2的等效电路来表示：C0为静态电容，是换能器在没有振动的情况下，两个电极间的电容值，其大小和压电陶瓷(或晶体)的介电常数，长、宽、厚有关，一般数量级为10-9F。R为压电陶瓷片内的介质电损耗，通常可以忽略其影响(一般认为R0为无穷大)。当换能器振动发出超声波时，还存在动态阻抗，是由换能器本身和介质对振动的反作用产生的。当介质为空气时，其对振动的反作用可忽略不计，动态阻抗可以用电阻，电容，电感的串联表示。Lm，Cm，Rm分别表示换能器无负载时等效电路的等效电感，等效电容，等效电阻。Lm相当于晶片振动的惯性，一般数量级为10-3H；Cm相当于晶片振动的弹性，一般数量级为10-12F；Rm相当于晶片振动时的摩擦损耗一般数量级为Ω。用Y表示换能器等效电路的总导纳，Y0和Ym表示静态导纳和动态导纳，有：Y＝Y0+Ym＝G+jB其中G，B为总电导和总电纳可以证明：其中ω为加在换能器电极上交流电的角频率在谐振频率ωc附近，可近似认为ωcC0＝ωC0，这样换能器导纳随频率的变化为图3所示的一个圆。在该图上可以得到换能器的许多重要参数：fs——串联谐振频率，压电振子等效电路中串联支路的谐振频率(导纳圆图2中最大电导处)fp——并联谐振频率，压电振子等效电路进行串并联等效变换后，并联支路的谐振频率(阻抗圆图中最大电阻处，本说明书未给出阻抗圆图)fm——最大导纳频率，压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率fn——最小导纳频率，压电振子导纳最小时的频率称为最大导纳频率fr——谐振频率，使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率fa——反谐振频率，使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率换能器空载时，六个特征频率存在以下关系：fm＝fs＝fr,fa＝fp＝fn加载后有：fm<fs<fr,fa<fp<fn,fs<fp这6个特征频率中,最大导纳频率fm和最小导纳频率fn可以用传输线法测得,谐振频率fr和反谐振频率fa可以通过观察谐振点即电流与电压波形的同相点而得出。只有串联谐振频率fs和并联谐振频率fp无法用简单的方法直接测出,而这两个频率在换能器的参数计算、性能评价和阻抗匹配中有着重要的作用。超声波清洗机多工作在换能器串联谐振频率，可提高超声电源的功率输出。换能器工作在并联谐振频率上，其输出功率可根据负载情况而自动调节，适合于超声焊接和粉碎。以串联谐振频率工作的超声系统谐振频率应在串联谐振频率附近，以并联谐振频率工作的超声系统谐振频率应在并联谐振频率附近。超声波电源的频率跟踪技术，采用电反馈法，在谐振频率因负载变化、换能器老化等原因漂移时，采集匹配电感抵消换能器容性后，换能器系统的电压和电流，根据其相位差，改变超声波频率，以达到定位在谐振频率附近的目的。本专利技术采用声反馈，专利技术一种兼备声波发射和接受功能的换能器，直接采用机械振动产生的信号，让超声波频率定位在换能器最大振幅频率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中机械谐振频率采集不方便的问题，提供了一种判断振动幅度信号简单，并能够判断换能器是否工作在振幅最大的谐振频率的一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器，包括预紧力螺钉、中间压块、发射压电陶瓷元件和前压块，所述中间压块和前压块设在发射压电陶瓷元件的两端，所述中间压块另一端还设有与上述发射压电陶瓷元件构造完全一致的检测压电陶瓷元件，所述中间压块和前压块大小形状完全一致，所述检测压电陶瓷元件的另一端还设有后压块，所述前压块、中间压块和后压块通过预紧力螺钉将发射压电陶瓷元件和检测压电陶瓷元件压紧；所述发射压电陶瓷元件和检测压电陶瓷元件上分别设有电极元件，所述检测压电陶瓷元件上的电极元件连接用于检测超声波振幅的超声波电源检测电路。发射压电陶瓷元件和检测压电陶瓷元件为采用参数相同的压电材料，其中发射压电陶瓷元件用来接收超声波电源驱动信号，以产生振动，检测压电陶瓷元件用来承受振动，产生信号，并利用产生的信号通过超声波电源检测电路进行检测，以判断上述超声波换能器是否工作在振幅最大的谐振频率。进一步的，所述发射压电陶瓷元件上的电极元件连接超声波电源驱动信号，用于发射压电陶瓷元件产生振动。进一步的，所述中间压块为长度为超声波波长一半且由金属材料制成的压块。这样可以使产生信号的压电材料振动幅度接近最大，提高灵敏度。压电材料夹在前、中、后压块之间，通过螺栓压紧，以保证压电材料工作在受压状态，避免受拉破碎。与现有技术相比，本专利技术的优点如下：本专利技术结构简单紧凑，生产成本低；利用设在中间压块另一端的检测压电陶瓷元件产生与超声波换能器出口处振动频率相同的振动，并通过超声波电源检测电路对其振动进行检测，以实现超声波换能器是否工作在振幅最大的谐振频率的快速判断，其判断方法简单且极易操作。附图说明图1是本专利技术一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器的结构示意图。图2是现有技术中换能器的等效电路图。图3是现有技术中换能器的导纳图。图中，1-前压块、2-发射压电陶瓷元件、3-中间压块、4-检测压电陶瓷元件、5-后压块、6-预紧力螺钉。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：如图1所示，一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器，包括预紧力螺钉6、中间压块3、发射压电陶瓷元件2和前压块1，所述中间压块3和前压块1设在发射压电陶瓷元件2的两端，所述中间压块3另一端还设有与上述发射压电陶瓷元件2构造完全一致的检测压电陶瓷元件4，所述中间压块3和前压块1大小形状完全一致，所述检测压电陶瓷元件4的另一端还设有后压块5，所述前压块1、中间压块3和后压块5通过预紧力螺钉6将发射压电陶瓷元件2和检测压电陶瓷元件4压紧；所述发射压电陶瓷元件2和检测压电陶瓷元件4上分别设有电极元件，所述检测压电陶瓷元件4上的电极元件连接用于检测超声波振幅的超声波电源检测电路。发射压电陶瓷元件2和检测压电陶瓷元件4为采用参数相同的压电材料，其中发射压电陶瓷元件2用来接收超声波电源驱动信号，以产生振动，检测压电陶瓷元件4用来承受振动，产生信号，并利用产生的信号通过超声波电源检测电路进行检测，以判断上述超声波换能器是否工作在振幅最大的谐振频率。所述发射压电陶瓷元件上的电极元件连接超声波电源驱动信号，用于发射压电陶瓷元件产生振动。所述中间压块为长度为超声波波长一半且由金属材料制成的压块。这样可以使产生信号的压电材料振动幅度接近最大，提高灵敏度。压电材料夹在前、中、后压块之间，通过螺栓压紧，以保证压电材料工作在受压状态，避免受拉破碎。产生振动的发射压电陶瓷元件接超声波电源驱动信号，即超声电源，在激励信号作用下产生超声机械振动，该机械振动向发射压电陶瓷元件的两端辐射；其向前端辐射部分通过前压块向外辐射，完成液体超声空化的功能；向后端辐射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器，包括预紧力螺钉(6)、中间压块(3)、发射压电陶瓷元件(2)和前压块(1)，所述中间压块(3)和前压块(1)设在发射压电陶瓷元件(2)的两端，其特征在于：所述中间压块(3)另一端还设有与上述发射压电陶瓷元件(2)构造完全一致的检测压电陶瓷元件(4)，所述中间压块(3)和前压块(1)大小形状完全一致，所述检测压电陶瓷元件(4)的另一端还设有后压块(5)，所述前压块(1)、中间压块(3)和后压块(5)通过预紧力螺钉(6)将发射压电陶瓷元件(2)和检测压电陶瓷元件(4)压紧；所述发射压电陶瓷元件(2)和检测压电陶瓷元件(4)上分别设有电极元件，所述检测压电陶瓷元件(4)上的电极元件连接用于检测超声波振幅的超声波电源检测电路。

【技术特征摘要】
1.一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器，包括预紧力螺钉(6)、中间压块(3)、发射压电陶瓷元件(2)和前压块(1)，所述中间压块(3)和前压块(1)设在发射压电陶瓷元件(2)的两端，其特征在于：所述中间压块(3)另一端还设有与上述发射压电陶瓷元件(2)构造完全一致的检测压电陶瓷元件(4)，所述中间压块(3)和前压块(1)大小形状完全一致，所述检测压电陶瓷元件(4)的另一端还设有后压块(5)，所述前压块(1)、中间压块(3)和后压块(5)通过预紧力螺钉(6)将发射压电陶瓷元件(2)和检...

【专利技术属性】
技术研发人员：计时鸣，陈凯，谭云峰，谭大鹏，金明生，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33