超聲波換能器

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，而它自身只消耗很小的功率。

超聲波發(fā)生器將220V的市電轉(zhuǎn)換為高頻電流傳遞給壓電陶瓷，諧振于超聲頻率的壓電陶瓷，由材料的壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性的機(jī)械振動(dòng)，再通過(guò)超聲波變幅桿放大（減?。┱穹K傳送到工具頭進(jìn)行工作。超聲波換能器一般有磁致伸縮式和壓電陶瓷兩種形式，我們公司采用所有換能器均為壓電陶瓷。

磁致伸縮：磁場(chǎng)作用下材料發(fā)生變形或材料變形時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)的效應(yīng)。這些材料通常含有表現(xiàn)出強(qiáng)磁致伸縮的鎳。磁致伸縮傳感器中使用了磁致伸縮材料（通常為疊層），由于渦電流，磁致伸縮換能器通常比壓電換能器具有更高的損耗，因此具有更高的冷卻要求。

超聲波換能器的組成

幾乎所有用于功率超聲的壓電換能器都是Langevin類(lèi)型的，即，一個(gè)或多個(gè)壓電陶瓷在前驅(qū)動(dòng)器和后驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行機(jī)械壓縮（預(yù)應(yīng)力）。

超聲波換能器主要由中央壓電陶瓷元件、前后金屬蓋板 、預(yù)應(yīng)力螺桿、電極片以及絕緣管組成，具體組成詳見(jiàn)下圖。

超聲波換能器組成

• 后驅(qū)動(dòng)器：壓電換能器背面的圓柱形元件，后驅(qū)動(dòng)器緊靠后一片壓電陶瓷，并通常通過(guò)疊成螺栓施加預(yù)緊壓力。
• 電極片：在換能器相鄰的壓電陶瓷之間的一種薄的導(dǎo)電圓盤(pán)。換能器驅(qū)動(dòng)電壓施加于這些電極之間。
• 前端驅(qū)動(dòng)器：將換能器的超聲波能量傳送到變幅桿或工具頭，前驅(qū)動(dòng)器通常包括用于連接外殼的安裝法蘭。
• 預(yù)應(yīng)力螺桿：單個(gè)堆疊螺栓穿過(guò)陶瓷的中心孔。擰緊該螺栓后，陶瓷將在后驅(qū)動(dòng)器和前驅(qū)動(dòng)器之間被壓縮，從而對(duì)陶瓷施加所需的預(yù)應(yīng)力。
• 壓電陶瓷：壓電陶瓷是換能器的心臟，將超聲波發(fā)生器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性的機(jī)械振動(dòng)的一種元器件。

換能器的壓電陶瓷片

換能器核心元器件

壓電陶瓷通常分為“軟”或“硬”。硬壓電陶瓷用于電力應(yīng)用。硬質(zhì)壓電陶瓷有兩種基本類(lèi)型，通常稱(chēng)為PZT4和PZT8（PZT代表壓電陶瓷組成的鋯鈦酸鉛），我們公司所有換能器均采用PZT-8的壓電陶瓷。PZT-8的壓電陶瓷具有更高的品質(zhì)因素Qm，更高的安全工作溫度（居里溫度）以及較低的介電損耗（tanδ）。

低電場(chǎng)條件下壓電陶瓷性能

換能器制作核心

由于壓電陶瓷的張力較弱，因此當(dāng)換能器超聲振動(dòng)時(shí)，必須施加靜態(tài)壓縮預(yù)應(yīng)力以防止壓電陶瓷承受拉應(yīng)力。另外，預(yù)應(yīng)力確保壓電陶瓷界面形成良好的接觸，從而使聲波以小的損耗良好地傳輸。壓縮預(yù)應(yīng)力必須足以防止壓電陶瓷遭受超聲拉伸應(yīng)力和防止橫向壓電陶瓷滑移，在超聲波換能器制作過(guò)程中預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)品質(zhì)起決定性的作用。

傳統(tǒng)方式擰緊換能器

通過(guò)擰緊預(yù)應(yīng)力螺栓后可以對(duì)壓電陶瓷施加預(yù)應(yīng)力。傳統(tǒng)方法是使用扭矩扳手，設(shè)置特定的扭力后擰緊預(yù)應(yīng)力螺栓，但是該參數(shù)受許多因素影響，并且經(jīng)常會(huì)有偏差。使用同樣扭力的情況下，螺栓以及前后驅(qū)動(dòng)器的潤(rùn)滑程度，會(huì)影響到施加在陶瓷片上預(yù)應(yīng)力的大小。

預(yù)應(yīng)力受螺栓潤(rùn)滑度的影響

壓電陶瓷的阻抗和頻率會(huì)隨著預(yù)應(yīng)力的增加而穩(wěn)定，較大的預(yù)應(yīng)力可以降低換能器的阻抗，如果壓電陶瓷未充分夾緊，換能器阻抗將變大。

那換能器的預(yù)應(yīng)力是不是越大越好呢？

過(guò)大的預(yù)應(yīng)力會(huì)使得換能器的性能降低，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 壓電陶瓷的性能在壓縮偏壓作用下發(fā)生了變化。特別是，材料有效工作的安全溫度可能會(huì)大幅度降低，高壓縮應(yīng)力可能會(huì)降低居里溫度。
2. 過(guò)多的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致明顯的去極化，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的阻抗和老化。
3. 過(guò)大的預(yù)應(yīng)力會(huì)減少換能器的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)候還會(huì)引起換能器的陶瓷片晶裂。
4. 換能器預(yù)應(yīng)力過(guò)大前期會(huì)表現(xiàn)出較小的阻抗，但是隨著時(shí)間推移換能器的性能變下降，同時(shí)伴隨高阻抗的產(chǎn)品。

HCSONIC換能器制作

換能器組裝預(yù)應(yīng)力控制設(shè)備

我們將換能器固定在工作臺(tái)上，然后將電極片的正負(fù)極和設(shè)備相連，輸入相應(yīng)的參數(shù)后，使用特定的扳手對(duì)預(yù)應(yīng)力螺栓進(jìn)行擰緊，當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到所需的值時(shí)，設(shè)備會(huì)提示停止工作，從而制作高品質(zhì)的超聲波換能器，以適應(yīng)各種工作環(huán)境。

我們可以根據(jù)客戶的需求定制各類(lèi)不同頻率的換能器，頻率范圍從15khz~120Khz，分別用于焊接、切割、霧化噴涂、聲化學(xué)液體處理等方面，HCSONIC超聲波換能器提供一年的質(zhì)保服務(wù)。