超聲波換能器的原理和使用

超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）再傳遞出去，而它自身消耗很少一部分功率（小于10%）。所以，使用超聲波換能器很主要考慮的問題即是與輸入輸出端的匹配，其次是機(jī)械安裝和配合尺寸。

超聲波換能器分類：

1、柱型

2、倒喇叭型

3、鋼后蓋型

4、中間夾鋁片型

主要適用于超聲波塑料焊接機(jī)、超聲波切割刀、超聲波金屬焊接機(jī)，超聲波清洗機(jī)，超聲波聲化學(xué)設(shè)備等。

超聲波換能器在合適的電場(chǎng)激勵(lì)下能發(fā)生有規(guī)律的振動(dòng)，其振幅一般10μm左右，這樣的振幅要直接完成焊接和加工工序是不夠的。連上通過合理設(shè)計(jì)的變幅桿后，超聲波的振幅可以在很大的范圍內(nèi)變化，只要材料強(qiáng)度足夠，振幅可以超過100μm。

因加工方式和要求不同，換能器的工作方式大致可分為連續(xù)工作（如花邊機(jī)，CD機(jī)，清洗機(jī)，拉鏈機(jī)）和脈沖工作（如塑料焊機(jī)），不同的工作方式對(duì)換能器的要求是不同的。一般而言，連續(xù)式工作幾乎沒有停頓時(shí)間，但工作電流不是很大，脈沖工作是間歇的，有停頓，但瞬間電流很大。平均而言，二種狀態(tài)的功率都是很大的。

使用超聲波換能器很主要考慮的問題即是與輸入輸出端的匹配，其次是機(jī)械安裝和配合尺寸。換能器的頻率相對(duì)而言還比較直觀些。該頻率是指用頻率（函數(shù)）發(fā)生器，毫伏表，示波器等通過傳輸線路法測(cè)得的頻率，或用網(wǎng)絡(luò)阻抗分析儀等類似儀表測(cè)得的頻率。一般通稱小信號(hào)頻率。與它相對(duì)應(yīng)的是上機(jī)頻率，即客戶將換能器通過電纜連到機(jī)箱上，通電后空載或有載時(shí)測(cè)得的實(shí)際工作頻率。因客戶匹配電路各不相同，同樣的換能器在不同的驅(qū)動(dòng)電源（電箱）表現(xiàn)出來的頻率是不同的，這樣的頻率不能作為交流討論的依據(jù)。

讓換能器和驅(qū)動(dòng)電源、模具良好配合以形成一臺(tái)完整的超聲波設(shè)備可以簡稱為匹配。由于匹配對(duì)整機(jī)性能的影響是決定性的，無論怎樣強(qiáng)調(diào)匹配的重要性都不為過。匹配很主要考慮的因素是換能器的電容量，其次是換能器的頻率。

換能器與驅(qū)動(dòng)電源的匹配主要有4個(gè)方面，即阻抗匹配、頻率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中很主要的是容抗和頻率。如前所述因?yàn)樘沾善墙^緣體，你幾乎可以理解為換能器是不通電的，它只是相當(dāng)于一個(gè)電容器。要使換能器工作，實(shí)際上是通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)它施加交流高電壓，讓換能器的電容充放電。壓電陶瓷片在交變電場(chǎng)的作用下做同步伸縮變形，形成了整個(gè)換能器的縱向振動(dòng)，從而帶動(dòng)變幅桿和模具振動(dòng)。所以，若電容匹配不好，輕者是換能器無力，焊不牢；重者換能器發(fā)熱嚴(yán)重，燒電極片、燒電源的大功率管。我們的換能器產(chǎn)品附有產(chǎn)品性能參數(shù)表，給出了每個(gè)換能器的電容和頻率。驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)該根據(jù)換能器的電容量，調(diào)整高壓變壓器，匹配電容板，峰化線圈，調(diào)頻線圈等的參數(shù)。由于電感和電容量的敏感性，功放板，扼流線圈及其他外圍電路對(duì)匹配也有影響。而且隨著工作進(jìn)行，換能器的溫度會(huì)升高，導(dǎo)致電容也會(huì)升高且變化量可能會(huì)超過50%，若不能將電容有效地匹配掉，即會(huì)造成回路中電流電壓相位差很大，功率因素很低，虛功高。看看電流很大，但換能器沒力，易發(fā)熱，且電源的功率器件也容易發(fā)熱損壞。一般換能器電極片（耳朵）振裂或燒掉很可能即是由此引起的。

頻率匹配同樣也非常重要。這首先是因?yàn)槌晸Q能器只能工作在他的諧振頻率點(diǎn)，所以驅(qū)動(dòng)電源、變幅桿、模具（工具頭）都應(yīng)該在這個(gè)頻率下工作。一般而言，這個(gè)差別很大不超過±0.1kHz，能小一點(diǎn)會(huì)更好。我們強(qiáng)烈建議配套模具（焊頭）的頻率低于振動(dòng)子頻率0.1kHz左右（小信號(hào)頻率）。也即是說，若原振動(dòng)子小信號(hào)測(cè)量的頻率是14.85kHZ，則連上模具后再測(cè)頻率為14.75kHZ很為理想。同時(shí)即應(yīng)考慮到，超聲波換能器接上變幅桿和模具頭后，系統(tǒng)的諧振頻率峰會(huì)變得很尖銳，也即帶寬很窄，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)很大，頻率偏移一點(diǎn)都會(huì)造成阻抗很大的增加。表現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電源上會(huì)是電源（振幅表電功率）很大或過載保護(hù)。若剛好這時(shí)是空載調(diào)機(jī)，則很可能會(huì)造成晶片錯(cuò)位，晶片裂或中心螺桿斷。