超声波换能器

超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去,而自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器,要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。
换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成,Cymbal阵列接收器由8~16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m,频带宽度达到10kHz,能检测高速移动的远距离目标。

20世纪初,电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年,法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声波换能器,并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展,又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器,以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声波换能器。

超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶体换能器两类。

磁致伸缩类型

属于磁致伸缩的有镍片换能器和铁氧体换能器。

铁氧体换能器的电声转换效率比较低,一般使用一、二年后效率下降,甚至几乎丧失电声转换能力。镍片换能器的工艺复杂,价格昂贵,所以至今很少使用。

压电晶体类型

其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件,称为压电换能器.由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高,原材料价格便宜,制作方便,也不容易老化。

常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。石英晶体的伸缩量太小,3000V电压才产生0.01um以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大20-30倍,但效率和机械强度不如石英晶体。锆钛酸铅具有二者的优点,一般可用作超声波清洗,探伤和小功率超声波加工的换能器。

根据不同的设计超声波换能器的形式主要有：
1、柱型（NTK型）;
2、倒喇叭型（必能信型）;
3、钢后盖型;
4、中间夹铝片型
主要适用与超声波塑料焊接机、超声波塑料焊接、超声波金属焊接机,超声波清洗机,超声波声化学设备等。

1.中央压电陶瓷元件 2.前后金属盖板；3.预应力螺杆 4.电极片以； 5.绝缘管；

这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波,是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。

1、超声波振子受潮,可以用兆欧表检查与换能器相连接的插头,检查绝缘电阻值就可以判断基本情况,一般要求绝缘电阻大于5兆欧以上。如果达不到这个绝缘电阻值,一般是换能器受潮,可以把换能器整体(不包括喷塑外壳)放进烘箱设定100℃左右烘干3小时或者使用电吹风去潮至阻值正常为止。

2、换能器振子打火,陶瓷材料碎裂,可以用肉眼和兆欧表结合检查,一般作为应急处理的措施,可以把个别损坏的振子断开,不会影响到别的振子正常使用。

3、振子脱胶,我们的换能器是采用胶结,螺钉紧固双重保证工艺,在一般情况下不会出现这种情况。

4、不锈钢振动面穿孔,一般换能器满负荷使用10年以后可能会出现振动面穿孔的情况。

5、振子发出刺耳的鸣响声,可以检查振子螺钉处,重新装配,或是陶瓷片处出现松动、破损也会出现这种情况。

1、发热量低。

2、热稳定性好。

3、频率与静态电容一致性强。

4、谐振阻抗低。

5、平均寿命长。

6、可用于各种超声波清洗设备。

1、超声波换能器与清洗槽体的连接胶水松脱,会引起压电陶瓷片碎裂,用肉眼就能看见的,轻摇振子的尾部,仔细观察振动面的胶水情况,应急处理的措施是把个别损坏的振子断开,不影响到别的振子正常使用,一般情况只能送回雷士超声波设备厂解决。为了避免振子脱胶,平时使用中避免撞击振动面。

2、超声波换能器满负荷使用若干年以后可能会出现振动面穿孔的情况。环境潮湿或者换能器安装的工艺处理不当,超声波清洗机振子容易受潮,这种情况可以用兆欧表检查与换能器相连接的插头,其中2脚为超声波换能器的正极,3脚与换能器的外壳相连,是换能器的负极。检查2、3脚间的绝缘电阻值就可以判断基本情况,一般要求绝缘电阻大于30兆欧以上,如果绝缘电阻值小于30兆欧,一般是换能器受潮了,这时候只要把换能器整体放进烘箱,设定100℃左右,烘烤3小时或者使用电吹风吹至阻值正常为止。

VGT系列投入式超声波震板由震板及超声波发生器两部分组成,适用于放置到各种清洗缸内,成为超声波清洗机,震板尺寸与引线管方向可按要求制作,根据超声波换能器的朝向可分为底震式、侧震式及顶震式三种,以满足各类物品的清洗。

典型机型： 单频功率可调式超声波振板

双频切换功率可调式超声波振板

三频切换功率可调式超声波振板

超声发生器：VT模式超垢发生器,输出功率连续可调

手动选频：可独立选择单频清洗,达到最佳清洗效率。

自动切换：三频或双频自动周期性清洗工件,对不同颗粒污物“冲击”性清洗,达到高洁净度

适用范围：半导体硅片、光学玻璃、五金件、钟表件、眼镜、珠宝首饰、涤纶过滤芯等

特点： 全不锈钢结构,耐酸耐碱,美观耐用

超声波震板与超声波发生器分成两部分,采用高频线连接方式,便于使用及保养

安装布置灵活,根据清洗要求可放置于清洗槽的底面、侧面或顶面。

超声波换能器的应用十分广泛,它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。按实现的功能分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测、检测、监测、遥测、遥控等；按工作环境分为液体、气体、生物体等;按性质分为功率超声波、检测超声波、超声波成像等。

压电陶瓷变压器

压电陶瓷变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动, 通过逆压电效应使其产生振动, 振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分, 输出部分再通过正压电效应产生电荷,实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换,在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比, 这具有体积小, 质量轻,功率密度高, 效率高, 耐击穿, 耐高温, 不怕燃烧, 无电磁干扰和电磁噪声, 且结构简单、便于制作、易批量生产, 在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。

超声波马达

超声波马达是把定子作为换能器, 利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声波频率的振动, 然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量, 带动转子转动。超声波马达体积小, 力矩大, 分辨率高, 结构简单, 直接驱动, 无制动机构, 无轴承机构, 这些优点有益于装置的小型化。超声波马达广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。

超声波清洗

超声波清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应, 对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用, 同时能促进清洗液与污物发生化学反应, 达到清洗物件的目的。超声波清洗机所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10～500 kHz, 一般多为20～50 kHz。随着超声波换能器频率的增加,可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。在小型化方面, 也有采用圆片振子的径向振动和弯曲振动的。超声波清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。

超声波焊接

超声波焊接有超声波金属焊接和超声波塑料焊接两大类。其中超声波塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动, 通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大, 所以会产生局部高温使塑料熔化, 在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位。另外, 还节约了塑料制品昂贵的模具费, 缩短了加工时间, 提高了生产效率, 有经济、快速和可靠等特点。

超声波加工

把微细磨料随超声波加工工具一起以一定静压力加在工件上, 就能加工出与工具相同的形状。加工时换能器需在 15～ 40 kHz的频率下, 产生 15～ 40 微米的振幅。超声波工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击, 破坏超声辐射部位, 使材料破碎而达到去除材料的目的。超声波加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外, 在普通切削工具上加超声波换能器振动时, 也可起到提高精度和效率的作用。

超声波减肥

利用超声波换能器的空化效应和微机械振动, 将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外, 达到减肥、塑形的目的。这是国际上90 年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocch i首次将超声去脂用于床, 并获得成功, 为整形、美容开创了先河。超声去脂技术在国内外得以迅速发展。

超声波育种

对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射, 可提高种子的发芽率, 降低霉烂率, 促进种子的生长, 提高植物生长速度。据资料介绍, 超声波可使某些植物种子生长速度提高2～3 倍。

电子血压计

利用超声波换能器接收血管的压力, 当气囊加压紧压血管时, 因外加压力高于血管舒张压力, 超声波换能器感受不到血管的压力; 而当气囊逐渐泄气, 超声波换能器对血管的压力随之减小到某一数值时, 二者的压力达到平衡, 此时超声波换能器就能感受到血管的压力, 该压力即为心脏的收缩压, 通过放大器发出指示信号, 给出血压值。电子血压计由于取消了听诊器, 可减轻医务人员的劳动强度。

遥测遥控

在有毒、放射性等恶劣环境中, 人们不能接近工作, 需要远地控制; 电视机, 电风扇以及电灯等电器开关需要遥控, 都可装上超声波换能器, 通过远地发射超声波由装在需要控制系统上的接收换能器所接收,把声信号转变成电信号使开关动作。

交通监测

现代交通, 自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运行情况是非常必要的。如交通监理站安装一个收发兼用的超声波换能器及其附属设备, 当车辆通过时就有一个声脉冲返回, 通过计数累计可得到日行车辆的数量。给汽车尾部装一个收发两用的换能器, 可防止倒车相撞事故发生。在公路上安装接收型压电超声波换能器还可以监测噪声指数。

测距

超声波测距装置又叫声尺。它是通过收发两用的换能器, 测量脉冲时间间隔。声尺可测10m 以内的距离, 精度可达千分之几。

检漏及气体检测

对于压力系统, 在泄漏处, 由于压力容器的内外压差造成射流噪声。这种噪声频谱极宽。对于非压力系统, 可在密闭系统内安放一个超声波源, 然后从密闭系统外部接收。一般未泄漏时测到的信号幅度极小或没有, 在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。气体流量检测也是化工中的重要手段之一。流量检测目前有多种放大,如浮子流量计等。但利用超声波换能器主要优点是不妨碍流体的流动。

信息采集

智能机器人要实现在空间自由行走、辨认物体等功能, 不仅要用超声波换能器测距导盲, 而且要成像辨识。所以, 需要小型的超声波换能器阵, 以实现多种功能, 这方面将成为一项重要的研究课题, 吸引着众多的科学家为之奋斗。