适应频率漂移的微宽频功率超声换能器制造技术

本发明专利技术涉及超声换能器技术领域，具体为一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器。解决了目前超声换能器的频率随外界条件变化发生漂移从而无法保证输出功率和振幅的技术问题。本发明专利技术将后盖板、第一组压电陶瓷晶堆、中间圆柱、第二组压电陶瓷晶堆和前盖板通过预紧力双头螺柱和螺母连接在一起。两压电陶瓷晶堆串联设计。两个压电陶瓷晶堆连接频率值相近但不同的频率源。本发明专利技术对两组压电陶瓷晶堆输入不同的频率，不仅拓宽了换能器的频带而且保证了换能器的输出功率和振幅。针对频率漂移引起的振幅衰减，本发明专利技术在基本不影响输出功率的前提下避免了由于频率漂移引起的失谐，保证了换能器的正常使用。

Microbroadband Power Ultrasound Transducer Adapted to Frequency Drift

The invention relates to the technical field of ultrasonic transducer, in particular to a microbroadband power ultrasonic transducer adapted to frequency drift. It solves the technical problem that the frequency of the current ultrasonic transducer drifts with the change of external conditions, so that the output power and amplitude can not be guaranteed. The rear cover plate, the first group of piezoelectric ceramic crystal piles, the middle cylinder, the second group of piezoelectric ceramic crystal piles and the front cover plate are connected together by a pre-tightening double-headed stud and a nut. Design of two piezoelectric ceramic crystal stacks in series. Two piezoelectric ceramic crystal stacks have similar but different frequency sources. The invention not only widens the frequency band of the transducer, but also ensures the output power and amplitude of the transducer by inputting different frequencies to two groups of piezoelectric ceramic crystal stacks. Aiming at the amplitude attenuation caused by frequency drift, the present invention avoids the detuning caused by frequency drift without affecting the output power, and ensures the normal use of the transducer.

【技术实现步骤摘要】
适应频率漂移的微宽频功率超声换能器
本专利技术涉及超声换能器
，具体为一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器。
技术介绍
超声波换能器是能量转换器也是整个振动系统的关键，作为超声技术的核心器件换能器能进行机械能量、电能量和声能量的相互转换。换能器通过压电材料的压电效应将输入的高频电能转换成高频振动的机械能,并产生超声波。由于超声波与物质各种有益的相互作用，功率超声广泛应用于超声清洗、超声焊接和各种超声加工如车削、磨削、钻孔、光整加工等领域。超声波清洗利用超声空化的作用，使浸在液体中的物件的表面污物快速去掉，对不易清洗的结构如深孔、细缝等，超声清洗也能够到达比较好的清洗效果，相比于工艺清洗，超声清洗的工作效率高、减少了对环境的污染，清洗的效果更彻底，并且不伤害被清洗物件。超声焊接利用超声振动及空化的压力和高温效应，促使两种物质相互扩散，它的特点是不需要焊剂和外加热，不会因受热变形，没有残余应力，对焊件表面的焊前处理要求不高。超声加工利用超声高频振动，在传统的车削、磨削、钻孔等加工过程中施加超声振动形成的新加工方法，超声加工降低了切削力、提高了刀具的寿命、提高了加工精度。功率超声加工要求超声换能器产生高强度、大功率的超声波，有高的能量传输效率以及较大的振动位移。功率超声换能器只有工作在谐振频率下（即系统处于共振状态）才能高效地运行，获得最大的振动位移。而在实际应用中，功率超声换能器的频率随着外界条件以及加工条件的变化而变化（如：加工温度、环境、元件老化、负载等因素的变化），系统频率会发生漂移，使换能器工作的工作频率脱离谐振频率附近，从而影响换能器以及加工系统的振动，系统振动的振幅也随之衰减，甚至出现停振的现象。针对功率超声加工中的频率漂移，目前的研究大都是通过频率跟踪和优化匹配网络来解决，但是频率漂移是动态过程，这类方法的实时性和准确性有待提高。与本专利技术相关的现有技术一现有技术一的技术方案现有的方法都是通过合理的匹配网络和频率自动跟踪，使超声波电源输出的频率随换能器频率的变化而变化，如文献1,2,3和专利1。现有技术一的缺点只借助动态的频率跟踪都很难做到实时的跟踪，当功率超声加工的外界负载变化较大较快时或温升较快时，超声波电源的频率很难快速的做出改变，极容易导致换能器的损坏。与本专利技术相关的现有技术二现有技术二的技术方案专利2提出了一种应用于集成电路芯片热超声引线键合封连工艺的串联复合结构双频、多振幅压电超声换能器，目的是实现多种振幅输出并且此换能器的两端分别振动，输入频率为60KHz和120KHz，同时工作时输入的频率相同。现有技术二的缺点同时激励时，两头都会振动，能量损耗大。另外，此技术方案中，两组压电陶瓷片同时激振时通入的是同频激励信号，振动形式是两端分别振动。左右两个换能器是独立的，连接在一起时中间多加一个连接面，在连接处会增加了能量损耗。与本专利技术相关的现有技术三现有技术三的技术方案专利3提供了一种大功率的超声波换能器。该换能器包括第一换能器和第二换能器,两个换能器的正极和负极两两并联，谐振频率相同。现有技术三的缺点谐振频率相同，输入的频率也是相同的，此技术的目的是增加功率，和使用相同数量压电陶瓷片的一个压电陶瓷换能器效果基本类似。前述参考文献如下：文献1：杜劲超.基于最小电压法的超声换能器谐振频率自动跟踪[J].应用声学，2013年09月第5期。文献2：钟龙.基于动态阻抗匹配的超声电源设计与研究[D].北京交通大学.2015。文献3：李夏林.超声电源频率自动跟踪的模糊控制算法研究[J].应用声学，2017年03月第2期。专利1：清华大学.基于多阻抗零点互调匹配网络的宽带多频功率放大器.中国201710757007.12017.08CN107528548A。专利2：张宏杰.一种串联复合结构双频多振幅压电超声换.中国201711389271.02017.12CN108176574A。专利3：陈元平.串联式大功率换能器.中国201220035353.12012.02CN202460960U。
技术实现思路
本专利技术为解决目前超声换能器的频率随外界条件变化发生漂移从而无法保证输出功率和振幅的技术问题，提供一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器。本专利技术是采用以下技术方案实现的：一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器，包括顺次共轴压紧排列的后盖板、第一组压电陶瓷晶堆、中间圆柱、第二组压电陶瓷晶堆和前盖板；还包括依次穿过后盖板、第一组压电陶瓷晶堆、中间圆柱、第二组压电陶瓷晶堆的中心并拧入前盖板内部进而将上述部件连接起来的双头螺柱；双头螺柱位于后盖板外的部分旋配有螺母；双头螺柱与后盖板、第一组压电陶瓷晶堆、中间圆柱、第二组压电陶瓷晶堆之间绝缘连接；第一组压电陶瓷晶堆包括轴线与双头螺柱轴线重合且相互间隔一定平行排列的两个圆环状的铜电极，两个铜电极之间叠压压电陶瓷；靠近后盖板的铜电极作为负极，靠近中间圆柱的铜电极作为正极；作为正极的铜电极与中间圆柱之间也叠压压电陶瓷；第二组压电陶瓷晶堆包括轴线与双头螺柱轴线重合且相互间隔一定平行排列的两个圆环状的铜电极以及叠压在两个铜电极中间的压电陶瓷；其中靠近中间圆柱的铜电极作为负极，靠近前盖板的铜电极作为正极，作为正极的铜电极与前盖板之间叠压有压电陶瓷；第一组压电陶瓷晶堆的负极与第二组压电陶瓷晶堆的负极相连接；第一组压电陶瓷晶堆的正负极输入一定频率的电压，第二组压电陶瓷晶堆的正负极输入的电压频率与第一组压电陶瓷晶堆输入电压频率不同但相近。本专利技术装置的目的在于提供一种自身具有一定变频作用的功率型压电超声换能器，当超声加工时由于外界负载、温度等的变化引起频率的变化、振幅的衰减时，换能器自身具有适应一定频率变化的能力。在使用相同数量压电陶瓷片的情况下，本专利技术设计对功率超声换能器的有效工作频带进行微拓宽，不仅解决了频率变化引起的振幅衰减问题，而且对压电超声换能器装置的输出功率和位移的影响很小。因为普通功率超声换能器由于负载等的变化很难工作在谐振频率点，大都是工作在谐振频率附近，有效的工作频率范围很小，振幅也很难达到理想值，本专利技术设计也是在保证要求输出振幅的同时，将有效的工作频率范围扩大，也就是保证功率换能器输出要求的前提下对工作频带的微拓宽。本专利技术用到的超声电源要能产生两个相近的频率，分别加在第一组压电陶瓷晶堆和第二组压电陶瓷晶堆的电极片上，使两个压电陶瓷晶堆同时振动，两个振动的功率和振幅便进行叠加。设计的功率超声换能器节面位于中间圆柱上，这样换能器后端由第一组压电陶瓷晶堆和后盖板及部分中间圆柱段组成四分之一波长的换能器，并且作为第二组压电陶瓷晶堆组成的换能器的后盖板。换能器前端由第二组压电陶瓷晶堆和前盖板及部分中间圆柱段组成的也为四分之一波长换能器。由于前后两个换能器谐振频率接近，所以波长几乎相等，设计时可按照节面前后两段波长相等来设计。本专利技术的复合超声换能器装置工作原理为：超声电源输出高频信号，传输给第一组压电陶瓷晶堆，输出的另一高频信号传输给第二组压电陶瓷晶堆，使轴向极化的压电陶瓷片产生沿装置轴线方向的超声频伸缩振动。换能器输出的纵向位移是两个压电陶瓷晶堆振动位移的相互叠加，两个压电陶瓷晶堆的输入信号频率相差很小，所以振幅在峰值处叠加的效果明显。而不同的频率又能对振动的频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器，其特征在于，包括顺次共轴压紧排列的后盖板（1）、第一组压电陶瓷晶堆（2）、中间圆柱（3）、第二组压电陶瓷晶堆（4）和前盖板（5）；还包括依次穿过后盖板（1）、第一组压电陶瓷晶堆（2）、中间圆柱（3）、第二组压电陶瓷晶堆（4）的中心并拧入前盖板（5）内部进而将上述部件连接起来的双头螺柱（6）；双头螺柱（6）位于后盖板（1）外的部分旋配有螺母（7）；双头螺柱（6）与后盖板（1）、第一组压电陶瓷晶堆（2）、中间圆柱（3）、第二组压电陶瓷晶堆（4）之间绝缘连接；第一组压电陶瓷晶堆（2）包括轴线与双头螺柱（6）轴线重合且相互间隔一定平行排列的两个圆环状的铜电极（10），两个铜电极之间叠压压电陶瓷（9）；靠近后盖板（1）的铜电极作为负极，靠近中间圆柱（3）的铜电极作为正极；作为正极的铜电极与中间圆柱（3）之间也叠压压电陶瓷（9）；第二组压电陶瓷晶堆（4）包括轴线与双头螺柱（6）轴线重合且相互间隔一定平行排列的两个圆环状的铜电极（10）以及叠压在两个铜电极（10）中间的压电陶瓷（9）；其中靠近中间圆柱（3）的铜电极（10）作为负极，靠近前盖板（5）的铜电极作为正极，作为正极的铜电极与前盖板（5）之间叠压有压电陶瓷（9）；第一组压电陶瓷晶堆（2）的负极与第二组压电陶瓷晶堆（4）的负极相连接；第一组压电陶瓷晶堆（2）的正负极输入一定频率的电压，第二组压电陶瓷晶堆（4）的正负极输入的电压频率与第一组压电陶瓷晶堆（2）输入电压频率不同但相近。...

【技术特征摘要】
1.一种适应频率漂移的微宽频功率超声换能器，其特征在于，包括顺次共轴压紧排列的后盖板（1）、第一组压电陶瓷晶堆（2）、中间圆柱（3）、第二组压电陶瓷晶堆（4）和前盖板（5）；还包括依次穿过后盖板（1）、第一组压电陶瓷晶堆（2）、中间圆柱（3）、第二组压电陶瓷晶堆（4）的中心并拧入前盖板（5）内部进而将上述部件连接起来的双头螺柱（6）；双头螺柱（6）位于后盖板（1）外的部分旋配有螺母（7）；双头螺柱（6）与后盖板（1）、第一组压电陶瓷晶堆（2）、中间圆柱（3）、第二组压电陶瓷晶堆（4）之间绝缘连接；第一组压电陶瓷晶堆（2）包括轴线与双头螺柱（6）轴线重合且相互间隔一定平行排列的两个圆环状的铜电极（10），两个铜电极之间叠压压电陶瓷（9）；靠近后盖板（1）的铜电极作为负极，靠近中间圆柱（3）的铜电极作为正极；作为正极的铜电极与中间圆柱（3）之间也叠压压电陶瓷（9）；第二组压电陶瓷晶堆（4）包括轴线与双头螺柱（6）轴线重合且相互间隔一定平行排列的两个圆环状的铜电极（10）以及叠压在两个铜电极（10）中间的压电陶瓷（9）；其中靠近中间圆柱（3）的铜电极（10）作为负极，靠近前盖板（5）的铜电极作为正极，作为正极的铜电极与前盖板（5）之间叠压有压电陶瓷（9）；第一组压电陶瓷晶堆（2）的负极与第二组压电陶瓷晶堆（4）的负极相连接；第一组压电陶瓷晶堆（2）的正负极输入一定频率的电压，第二组压电陶瓷晶堆（4）的正负极输入的电压频率与第一组压电陶瓷晶堆（2）输入电压频率不同但相近。2.如权利要求1所述的适应频率漂移的微宽频功率超声换能器，其特征在于，所述换能器后端由第一组压电陶瓷晶堆（2）和后盖板（1）及部分中间圆柱段组成四分之一波长的换能器，并且作为第二组压电陶瓷晶堆（4）组成的换能器的后盖板；换能器前端由第二组压电陶瓷晶堆（4）和前盖板（5）及部...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢秀琴，高春强，祝锡晶，王建青，崔学良，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14