一种利用过热预警机制确定谐振式压电换能器工作功率极限的方法技术

本发明专利技术提供一种利用过热预警机制确定谐振式压电换能器工作功率极限的方法，包括通过阻抗分析仪测量压电换能器的谐振频率，通过搭建压电换能器功率监控系统对输入功率进行实时监测，利用压电换能器功能元件压电陶瓷中心和边缘位置温度的偏差与相对变化速率实现工作功率极限的预警。本发明专利技术可以利用温度对压电换能器进行过热预警，进而确定压电换能器的极限工作功率和工作时间，具备设备要求低、方法简单、适用范围广等优势。适用范围广等优势。适用范围广等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种利用过热预警机制确定谐振式压电换能器工作功率极限的方法


[0001]本专利技术涉及超声波传感器
，具体涉及一种利用过热预警机制确定谐振式压电换能器工作功率极限的方法。

技术介绍

[0002]压电陶瓷可以实现机械能和电能互换，在超声医疗、超声探测、超声加工等领域被广泛应用。当作为发射换能器时，驱动频率通常为压电换能器的谐振频率，因此这种换能器又被称为谐振式换能器。为了提高发射换能器的输出信号，不论是振动速率，还是声源级，一种行之有效的方式就是通过提高输入电流和/或输入电压提高输入功率。然而，当输入功率超过一定工作极限后，由于压电陶瓷内在的机械损耗、介电损耗和压电损耗，谐振式压电换能器会将大量输入能量转化为热量，而压电换能器工作环境中的热量累积会进一步导致环境温度上升，进而导致电压换能器性能急速下降，严重时甚至直接损伤换能器。

技术实现思路

[0003]针对已有的谐振式换能器通过提高输入功率提高输出信号时，容易导致发热严重甚至换能器损伤的缺陷，本专利技术提供一种利用过热预警机制确定压电换能器工作功率极限的方法。利用温度传感器监测连续正弦电压驱动的压电换能器的环境温度，有利于在保证谐振式压电换能器的安全工作，实现通过提高输入功率，提高压电换能器的声学发射能力。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]一种利用过热预警机制确定谐振式压电换能器工作功率极限的方法，包括以下步骤：
[0006](1)通过粘接剂在压电陶瓷元件表面的中心和边界区黏贴两个温度传感器，并利用粘结剂实现温度传感器与压电陶瓷表面的电气绝缘；
[0007](2)清除压电陶瓷元件表面的油污、多余的粘结剂或其他杂质，保证压电陶瓷元件的表面清洁和完整；
[0008](3)组装压电换能器，通过阻抗分析仪测量压电换能器的阻抗(Z)—频率(f)曲线谱，记录压电换能器的谐振频率f
s
；
[0009](4)利用信号源、功率放大器、示波器、电流探头和电压探头搭建压电换能器功率监控系统，调整驱动信号为连续正弦信号，频率为f
s
，并记录初始输入功率P
in
；
[0010](5)利用温度监控模块和温度传感器搭建温度监控和预警系统，记录初始温度T1和T2；
[0011](6)结合两个温度传感器的温度相对偏差及温度随时间的相对变化率，确定温度预警限制条件；
[0012](7)设置压电换能器输入功率，使其维持一定的连续工作时间t，并记录实时输入功率P
int
和两个温度传感器实时温度T
1t
和T
2t
；t是压电换能器在实际使用环境中需要连续
工作的时间；
[0013](8)对压电换能器的温度相对偏差和温度相对变化速率进行评估，若偏差和相对变化率均满足温度预警限制，则压电换能器尚未达到极限输入功率，提高换能器的输入功率，重复步骤(7)
‑
(8)；
[0014](9)若温度相对偏差或温度相对变化速率超过温度预警限制，立即关闭压电换能器驱动电源，并将最高输入功率P
int
记录为极限输入功率。
[0015]优选地，所述的步骤(1)中温度传感器为接触式温度传感器，测试精度T
ac
满足
‑
2℃≤T
ac
≤+2℃；
[0016]优选地，所述的步骤(1)中粘结剂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂或聚氯乙烯树脂；
[0017]优选地，所述的步骤(1)中粘结剂厚度h满足0.5mm≤h≤2mm，粘结剂与压电陶瓷表面的接触面积S满足4mm2≤S≤25mm2；
[0018]优选地，所述的步骤(3)中阻抗谐振频率(f
s
)对最小阻抗值(Z
min
)所对应的频率；
[0019]优选地，所述的步骤(4)中输入功率P
in
由输入电压幅值V
in
、输入电流幅值I
in
及电流和电压相位差共同决定，满足：
[0020][0021]其中输入功率P
in
的提升通过增大输入电压V
in
和/或输入电流I
in
来实现。
[0022]优选地，所述的步骤(6)中确定温度预警限制条件的确定方法为：
[0023]①
计算两个温度传感器的实时相对偏差ΔT，满足：
[0024]ΔT＝T
1t
‑
T
2t
≤50℃；
[0025]②
分别计算温度传感器的实时温度与初始温度的相对偏差ΔT1和ΔT2，满足：
[0026][0027]③
分别计算温度传感器的温度随时间的相对变化速率k1和k2，满足：
[0028]有益效果：
[0029](1)通过接触式温度传感器实现压电换能器功能元件表面温度的精准监控；
[0030](2)通过温度传感器监测压电换能器工作时的发热状态，对设备的要求较低，制作成本较低；
[0031](3)通过确定压电换能器温度预警限制条件，可以在较大范围内实现压电换能器在极限输入功率下的安全工作；
[0032](4)适用范围大，适用于不同尺寸和材料的压电陶瓷元件。
附图说明
[0033]图1为本专利技术所述的压电换能器的阻抗Z
‑
频率f曲线；
[0034]图2为本专利技术所述的输入功率监测系统和温度监测系统框架图；
[0035]图3为本专利技术所述的压电换能器输入功率随时间变化的曲线；
[0036]图4为利用本专利技术进行过热预警的两个温度传感器的实时相对偏差ΔT随时间变
化的曲线；
[0037]图5为利用本专利技术进行过热预警的温度传感器的实时温度与初始温度的相对偏差ΔT1和ΔT2随时间变化的曲线；
[0038]图6为利用本专利技术利用本专利技术进行过热预警的温度传感器的温度随时间的相对变化速率k1和k2随时间变化的曲线。
[0039]其中1
‑
信号源、2
‑
功率放大器、3
‑
电压探头、4
‑
电流探头、5
‑
示波器、6
‑
压电换能器、7
‑
温度传感器1、8
‑
温度传感器2、9
‑
温度监测模块。
具体实施方式
[0040]实施例1：
[0041]一种利用过热预警机制确定谐振式压电换能器工作功率极限的方法，该方法包括以下步骤：
[0042](1)准备一个尺寸为a42.3*b45*h45mm的压电陶瓷球壳，通过丙烯酸酯粘接剂在压电陶瓷元件内表面的中心和边界区黏贴两个TPK
‑
01型点状热电偶温度传感器，测试精度T
ac
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用过热预警机制确定谐振式压电换能器工作功率极限的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过粘接剂在压电陶瓷元件表面的中心和边界区黏贴两个温度传感器，并利用粘结剂实现温度传感器与压电陶瓷表面的电气绝缘；清除压电陶瓷元件表面的油污、多余的粘结剂或其他杂质，保证压电陶瓷元件的表面清洁和完整；组装压电换能器，通过阻抗分析仪测量压电换能器的阻抗—频率曲线谱，记录压电换能器的谐振频率；利用信号源、功率放大器、示波器、电流探头和电压探头搭建压电换能器功率监控系统，调整驱动信号为连续正弦信号，频率为，并记录初始输入功率；利用温度监控模块和温度传感器搭建温度监控和预警系统，记录初始温度和；结合两个温度传感器的温度相对偏差及温度随时间的相对变化率，确定温度预警限制条件；设置压电换能器输入功率，使其维持一定的连续工作时间t，并记录实时输入功率和两个温度传感器实时温度和；t是压电换能器在实际使用环境中需要连续工作的时间；对压电换能器的温度相对偏差和温度相对变化速率进行评估，若偏差和相对变化率均满足温度预警限制，则压电换能器尚未达到极限输入功率，提高换能器的输入功率，重复步骤（7）
‑
（8）；若温度相对偏差或温度相对变化速率超过温度预警限制，立即关...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄世峰，张晓芳，郭瑞，李文龙，刘通，赵耀庭，林秀娟，杨长红，程新，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：