超聲波換能器的工作原理以及使用注意事項(xiàng)

超聲波換能器工作原理

超聲波換能器是把高頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。由材料的壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。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，而自身消耗很少的一部分功率。

使用方法：

　　使用超聲波換能器最主要考慮的問(wèn)題就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(guān)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(guò)傳輸線(xiàn)路法測(cè)得的頻率，或用網(wǎng)絡(luò)阻抗分析儀等類(lèi)似儀表測(cè)得的頻率。一般通稱(chēng)小信號(hào)頻率。與它相對(duì)應(yīng)的是上機(jī)頻率，即客戶(hù)將換能器通過(guò)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。

超聲波換能器使用時(shí)效果不好怎么辦 ？

常見(jiàn)的問(wèn)題

　　晶片開(kāi)裂、無(wú)力、易過(guò)載、電極片打火、電極片開(kāi)裂、發(fā)熱嚴(yán)重、怪聲、漏波、晶片錯(cuò)位發(fā)生了問(wèn)題，我們認(rèn)為原因可以歸為三類(lèi)。其一是客戶(hù)的驅(qū)動(dòng)電源或模具及裝配有問(wèn)題，其二是換能器及變幅桿有問(wèn)題，第三是雙方的產(chǎn)品都沒(méi)有問(wèn)題，但不匹配。　　

　　對(duì)于第一種情況，我們建議客戶(hù)積極的查找原因，或與我們公司技術(shù)人員溝通，盡快改進(jìn)。就算您不采用我們公司的產(chǎn)品，但改進(jìn)自身存在的問(wèn)題絕對(duì)是有利而無(wú)害的?！　?第二種情況也是必定會(huì)發(fā)生的，只不過(guò)發(fā)現(xiàn)的可能性很小。　第三種情況是最常見(jiàn)的，就是客戶(hù)的驅(qū)動(dòng)電源是好的，換能器也是好的，組裝也是正常的，但是各部分不匹配。引起不匹配的主要參數(shù)是換能器的頻率和電容量。

超聲波換能器和超聲波發(fā)生器匹配概念

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

　　需要強(qiáng)調(diào)的是，超聲波換能器本身不是一個(gè)能量發(fā)生器，它只是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器。是將電能轉(zhuǎn)換為聲能 (機(jī)械能 ) ，在輸入 ( 驅(qū)動(dòng)電源 ) ，輸出 (增幅器，模具 ) 良好匹配的前提下，它可以轉(zhuǎn)換（輸出）很大的能量。 輸入匹配是指換能器與驅(qū)動(dòng)電源的匹配，若輸出匹配好而輸入匹配不好，則表現(xiàn)為換能器無(wú)力，焊不牢。若輸出匹配不好而輸入匹配好，則換能器會(huì)過(guò)載，造成晶片錯(cuò)位開(kāi)裂，破碎，螺桿斷，鋁裂或燒電箱功率管。

　　舉個(gè)例子，就像汽車(chē)在空擋狀態(tài)下猛踩油門(mén)，發(fā)動(dòng)機(jī)肯定容易損壞的。 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。其中最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(guò)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(wú)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(xiàn)圈，調(diào)頻線(xiàn)圈等的參數(shù)。由于電感和電容量的敏感性，功放板，扼流線(xiàn)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(guò) 50% ，若不能將電容有效地匹配掉，就會(huì)造成回路中電流電壓相位差很大，功率因素很低，虛功高?？纯措娏骱艽?，但換能器沒(méi)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）振裂或燒掉很可能就是由此引起的。

換能器和發(fā)生器匹配操作

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、焊接模具（工具頭）都應(yīng)該在這個(gè)頻率下工作。一般而言，我們希望這個(gè)差別最大不超過(guò) ± 0.1kHz ，能小一點(diǎn)就更好。 我們強(qiáng)烈建議您配套焊接模具（焊頭）的頻率低于振動(dòng)子頻率 0.1kHz左右（小信號(hào)頻率）。也就是說(shuō)，若原振動(dòng)子小信號(hào)測(cè)量的頻率是 14.85 kHZ ，則連上模具后再測(cè)頻率為 14.75kHZ 最為理想。

同時(shí)就應(yīng)考慮到，超聲波換能器接上變幅器和模具頭后，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)電源上就是電源（振幅表電功率）很大或過(guò)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。

功率匹配和阻抗匹配主要是考慮到超聲波焊接系統(tǒng)是間隙式工作，負(fù)載變化極大，焊接時(shí)要有足夠的功率輸出，空載時(shí)要控制在最小振幅。否則，就像前面提到的，空載時(shí)輸入很大，則損壞換能器。滿(mǎn)載時(shí)功率上不去，焊不牢還是沒(méi)用的。

各部件裝配注意事項(xiàng)

超聲波振動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部件，如換能器、變幅桿、工具頭等主要部分是通過(guò)中心螺栓連接的。

1 、 檢查接觸面應(yīng)平整光滑無(wú)傷痕，若有傷痕，用零號(hào)以上的金相砂紙輕輕打磨。要求既能將缺　　陷磨平，又不破壞接觸面的平面度。2 、 用易揮發(fā)無(wú)腐蝕性的清潔劑清潔螺絲、螺孔和接觸面。

3 、 徹底清潔螺絲、螺孔和接觸面。

4 、 所有連接螺孔應(yīng)垂直于接觸面。

5 、 擰緊前在接觸面上涂薄薄一層硅脂（或黃油和凡士林），注意不要將硅脂涂到連接螺絲及螺孔上。

6 、小心地將二個(gè)部件擰緊。根據(jù)連接螺絲規(guī)格的不同，控制合適的擰緊力矩。在可能的情況下，應(yīng)擰的適當(dāng)緊一點(diǎn)。

7、若重新松開(kāi)結(jié)合面后應(yīng)該看不到有任何傷痕。

8 、用手摸振動(dòng)系統(tǒng)振幅均勻，無(wú)怪聲，無(wú)局部嚴(yán)重發(fā)熱。

9 、工作一段時(shí)間后重新送開(kāi)結(jié)合面應(yīng)沒(méi)有氧化或燒蝕痕跡，否則就說(shuō)明此處接觸不好，超聲波能量在這里損失嚴(yán)重。

換能器的使用環(huán)境

能器使用時(shí)會(huì)發(fā)熱，這主要是由三個(gè)原因引起的。

其一是被焊工件會(huì)發(fā)熱或被超聲波處理的物質(zhì)會(huì)發(fā)熱，或模具（工具頭）、變幅桿長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)發(fā)熱，這些熱量都會(huì)傳遞到換能器上。

其二是換能器本身的功率損耗。既然做不到能量轉(zhuǎn)換效率 100% ，損耗的那部分能量必然轉(zhuǎn)換成熱量。溫升會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器參數(shù)變化，逐漸偏移最佳匹配狀態(tài)，更嚴(yán)重的是溫升會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷晶片性能的劣化。這反過(guò)來(lái)又促使換能器工作狀態(tài)更壞，更快地升溫，這是一個(gè)惡性循環(huán)。

所以我們必須給以換能器良好的冷卻條件，一般是常溫風(fēng)冷；如有必要，也可采用冷風(fēng)風(fēng)冷。在正常情況下，這兩點(diǎn)引起的溫升也是正常的，在正常的冷卻條件下，不會(huì)有大的問(wèn)題。

在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，還有第三個(gè)原因，就是客戶(hù)在使用時(shí)沒(méi)能將換能器與驅(qū)動(dòng)電源匹配到最佳工作狀態(tài)，這引起的發(fā)熱是很大的，而且是不可控的，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。同時(shí)溫度高了，鋁材的機(jī)械強(qiáng)度就急劇下降，在大功率的作用下，開(kāi)裂就是必然的了。明明是好的東西，由于使用不當(dāng)造成損壞，實(shí)在是太可惜了。我公司有很大的損失，但貴公司的損失更大。所以，我們很希望能和貴公司一起，共同努力，提高應(yīng)用技術(shù)水平。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，換能器的溫度在任何時(shí)候都絕對(duì)不能超過(guò)攝氏 85 ℃ 。