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超聲波換能器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。
超聲波換能器,要解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種作用距離大、頻帶寬的超聲波換能器。
換能器由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤(pán)換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤(pán)換能器采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成,Cymbal陣列接收器由8~16只Cymbal換能器、兩個(gè)金屬圓環(huán)和橡膠墊圈組成。本發(fā)明的作用距離大于35m,頻帶寬度達(dá)到10kHz,能檢測(cè)高速移動(dòng)的遠(yuǎn)距離目標(biāo)。

20世紀(jì)初,電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機(jī)電換能器。1917年,法國(guó)物理學(xué)家朗之萬(wàn)用天然壓電石英制成了夾心式超聲波換能器,并用來(lái)探查海底的潛艇。隨著軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展,又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器,以及各種不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型換能器等多種超聲波換能器。

超聲波換能器一般有磁致伸縮換能器和壓電晶體換能器兩類(lèi)。

磁致伸縮類(lèi)型

屬于磁致伸縮的有鎳片換能器和鐵氧體換能器。

鐵氧體換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率比較低,一般使用一、二年后效率下降,甚至幾乎喪失電聲轉(zhuǎn)換能力。鎳片換能器的工藝復(fù)雜,價(jià)格昂貴,所以至今很少使用。

壓電晶體類(lèi)型

其中最成熟可靠的是以壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的器件,稱(chēng)為壓電換能器.由材料的壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。這種換能器電聲轉(zhuǎn)換效率高,原材料價(jià)格便宜,制作方便,也不容易老化。

常用的材料有石英晶體、鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛。石英晶體的伸縮量太小,3000V電壓才產(chǎn)生0.01um以下的變形。鈦酸鋇的壓電效應(yīng)比石英晶體大20-30倍,但效率和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。鋯鈦酸鉛具有二者的優(yōu)點(diǎn),一般可用作超聲波清洗,探傷和小功率超聲波加工的換能器。

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)超聲波換能器的形式主要有：
1、柱型（NTK型）;
2、倒喇叭型（必能信型）;
3、鋼后蓋型;
4、中間夾鋁片型
主要適用與超聲波塑料焊接機(jī)、超聲波塑料焊接、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。

1.中央壓電陶瓷元件 2.前后金屬蓋板；3.預(yù)應(yīng)力螺桿 4.電極片以； 5.絕緣管；

這種夾心換能器在負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲波,是獲得功率超聲波驅(qū)動(dòng)源的最基本最主要的方法。

1、超聲波振子受潮,可以用兆歐表檢查與換能器相連接的插頭,檢查絕緣電阻值就可以判斷基本情況,一般要求絕緣電阻大于5兆歐以上。如果達(dá)不到這個(gè)絕緣電阻值,一般是換能器受潮,可以把換能器整體(不包括噴塑外殼)放進(jìn)烘箱設(shè)定100℃左右烘干3小時(shí)或者使用電吹風(fēng)去潮至阻值正常為止。

2、換能器振子打火,陶瓷材料碎裂,可以用肉眼和兆歐表結(jié)合檢查,一般作為應(yīng)急處理的措施,可以把個(gè)別損壞的振子斷開(kāi),不會(huì)影響到別的振子正常使用。

3、振子脫膠,我們的換能器是采用膠結(jié),螺釘緊固雙重保證工藝,在一般情況下不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

4、不銹鋼振動(dòng)面穿孔,一般換能器滿(mǎn)負(fù)荷使用10年以后可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)面穿孔的情況。

5、振子發(fā)出刺耳的鳴響聲,可以檢查振子螺釘處,重新裝配,或是陶瓷片處出現(xiàn)松動(dòng)、破損也會(huì)出現(xiàn)這種情況。

1、發(fā)熱量低。

2、熱穩(wěn)定性好。

3、頻率與靜態(tài)電容一致性強(qiáng)。

4、諧振阻抗低。

5、平均壽命長(zhǎng)。

6、可用于各種超聲波清洗設(shè)備。

1、超聲波換能器與清洗槽體的連接膠水松脫,會(huì)引起壓電陶瓷片碎裂,用肉眼就能看見(jiàn)的,輕搖振子的尾部,仔細(xì)觀察振動(dòng)面的膠水情況,應(yīng)急處理的措施是把個(gè)別損壞的振子斷開(kāi),不影響到別的振子正常使用,一般情況只能送回雷士超聲波設(shè)備廠解決。為了避免振子脫膠,平時(shí)使用中避免撞擊振動(dòng)面。

2、超聲波換能器滿(mǎn)負(fù)荷使用若干年以后可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)面穿孔的情況。環(huán)境潮濕或者換能器安裝的工藝處理不當(dāng),超聲波清洗機(jī)振子容易受潮,這種情況可以用兆歐表檢查與換能器相連接的插頭,其中2腳為超聲波換能器的正極,3腳與換能器的外殼相連,是換能器的負(fù)極。檢查2、3腳間的絕緣電阻值就可以判斷基本情況,一般要求絕緣電阻大于30兆歐以上,如果絕緣電阻值小于30兆歐,一般是換能器受潮了,這時(shí)候只要把換能器整體放進(jìn)烘箱,設(shè)定100℃左右,烘烤3小時(shí)或者使用電吹風(fēng)吹至阻值正常為止。

VGT系列投入式超聲波震板由震板及超聲波發(fā)生器兩部分組成,適用于放置到各種清洗缸內(nèi),成為超聲波清洗機(jī),震板尺寸與引線(xiàn)管方向可按要求制作,根據(jù)超聲波換能器的朝向可分為底震式、側(cè)震式及頂震式三種,以滿(mǎn)足各類(lèi)物品的清洗。

典型機(jī)型： 單頻功率可調(diào)式超聲波振板

雙頻切換功率可調(diào)式超聲波振板

三頻切換功率可調(diào)式超聲波振板

超聲發(fā)生器：VT模式超垢發(fā)生器,輸出功率連續(xù)可調(diào)

手動(dòng)選頻：可獨(dú)立選擇單頻清洗,達(dá)到最佳清洗效率。

自動(dòng)切換：三頻或雙頻自動(dòng)周期性清洗工件,對(duì)不同顆粒污物“沖擊”性清洗,達(dá)到高潔凈度

適用范圍：半導(dǎo)體硅片、光學(xué)玻璃、五金件、鐘表件、眼鏡、珠寶首飾、滌綸過(guò)濾芯等

特點(diǎn)： 全不銹鋼結(jié)構(gòu),耐酸耐堿,美觀耐用

超聲波震板與超聲波發(fā)生器分成兩部分,采用高頻線(xiàn)連接方式,便于使用及保養(yǎng)

安裝布置靈活,根據(jù)清洗要求可放置于清洗槽的底面、側(cè)面或頂面。

超聲波換能器的應(yīng)用十分廣泛,它按應(yīng)用的行業(yè)分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、生活、醫(yī)療及軍事等。按實(shí)現(xiàn)的功能分為超聲波加工、超聲波清洗、超聲波探測(cè)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、遙測(cè)、遙控等；按工作環(huán)境分為液體、氣體、生物體等;按性質(zhì)分為功率超聲波、檢測(cè)超聲波、超聲波成像等。

壓電陶瓷變壓器

壓電陶瓷變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng), 通過(guò)逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動(dòng), 振動(dòng)波通過(guò)輸入和輸出部分的機(jī)械耦合到輸出部分, 輸出部分再通過(guò)正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷,實(shí)現(xiàn)壓電體的電能-機(jī)械能-電能的兩次變換,在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比, 這具有體積小, 質(zhì)量輕,功率密度高, 效率高, 耐擊穿, 耐高溫, 不怕燃燒, 無(wú)電磁干擾和電磁噪聲, 且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制作、易批量生產(chǎn), 在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點(diǎn)。此類(lèi)變壓器用于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈驅(qū)動(dòng)器等。

超聲波馬達(dá)

超聲波馬達(dá)是把定子作為換能器, 利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達(dá)定子處于超聲波頻率的振動(dòng), 然后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來(lái)傳遞能量, 帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。超聲波馬達(dá)體積小, 力矩大, 分辨率高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 直接驅(qū)動(dòng), 無(wú)制動(dòng)機(jī)構(gòu), 無(wú)軸承機(jī)構(gòu), 這些優(yōu)點(diǎn)有益于裝置的小型化。超聲波馬達(dá)廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、激光、半導(dǎo)體微電子工藝、精密機(jī)械與儀器、機(jī)器人、醫(yī)學(xué)與生物工程領(lǐng)域。

超聲波清洗

超聲波清洗的機(jī)理是利用超聲波在清洗液中傳播時(shí)的空化、輻射壓、聲流等物理效應(yīng), 對(duì)清洗件上的污物產(chǎn)生的機(jī)械起剝落作用, 同時(shí)能促進(jìn)清洗液與污物發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 達(dá)到清洗物件的目的。超聲波清洗機(jī)所用的頻率根據(jù)清洗物的大小和目的可選用10～500 kHz, 一般多為20～50 kHz。隨著超聲波換能器頻率的增加,可采用郎之萬(wàn)振子、縱向振子、厚度振子等。在小型化方面, 也有采用圓片振子的徑向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的。超聲波清洗在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設(shè)備、電子、汽車(chē)、橡膠、印刷、飛機(jī)、食品、醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究等行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

超聲波焊接

超聲波焊接有超聲波金屬焊接和超聲波塑料焊接兩大類(lèi)。其中超聲波塑料焊接技術(shù)已獲得較為普遍的應(yīng)用。它是利用換能器產(chǎn)生的超聲振動(dòng), 通過(guò)上焊件把超聲振動(dòng)能量傳送到焊區(qū)。由于焊區(qū)即兩焊件交界處聲阻大, 所以會(huì)產(chǎn)生局部高溫使塑料熔化, 在接觸壓力的作用下完成焊接工作。超聲塑料焊接可方便焊接其他焊接法無(wú)法焊接的部位。另外, 還節(jié)約了塑料制品昂貴的模具費(fèi), 縮短了加工時(shí)間, 提高了生產(chǎn)效率, 有經(jīng)濟(jì)、快速和可靠等特點(diǎn)。

超聲波加工

把微細(xì)磨料隨超聲波加工工具一起以一定靜壓力加在工件上, 就能加工出與工具相同的形狀。加工時(shí)換能器需在 15～ 40 kHz的頻率下, 產(chǎn)生 15～ 40 微米的振幅。超聲波工具使工件表面的磨料以相當(dāng)大的沖擊力連續(xù)沖擊, 破壞超聲輻射部位, 使材料破碎而達(dá)到去除材料的目的。超聲波加工主要應(yīng)用于寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質(zhì)合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細(xì)深孔的加工。此外, 在普通切削工具上加超聲波換能器振動(dòng)時(shí), 也可起到提高精度和效率的作用。

超聲波減肥

利用超聲波換能器的空化效應(yīng)和微機(jī)械振動(dòng), 將人體表皮下多余的脂肪細(xì)胞破碎、乳化后排出體外, 達(dá)到減肥、塑形的目的。這是國(guó)際上90 年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。意大利的Zocch i首次將超聲去脂用于床, 并獲得成功, 為整形、美容開(kāi)創(chuàng)了先河。超聲去脂技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得以迅速發(fā)展。

超聲波育種

對(duì)植物種子進(jìn)行適當(dāng)頻率和強(qiáng)度的超聲波照射, 可提高種子的發(fā)芽率, 降低霉?fàn)�率, 促進(jìn)種子的生長(zhǎng), 提高植物生長(zhǎng)速度。據(jù)資料介紹, 超聲波可使某些植物種子生長(zhǎng)速度提高2～3 倍。

電子血壓計(jì)

利用超聲波換能器接收血管的壓力, 當(dāng)氣囊加壓緊壓血管時(shí), 因外加壓力高于血管舒張壓力, 超聲波換能器感受不到血管的壓力; 而當(dāng)氣囊逐漸泄氣, 超聲波換能器對(duì)血管的壓力隨之減小到某一數(shù)值時(shí), 二者的壓力達(dá)到平衡, 此時(shí)超聲波換能器就能感受到血管的壓力, 該壓力即為心臟的收縮壓, 通過(guò)放大器發(fā)出指示信號(hào), 給出血壓值。電子血壓計(jì)由于取消了聽(tīng)診器, 可減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

遙測(cè)遙控

在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中, 人們不能接近工作, 需要遠(yuǎn)地控制; 電視機(jī), 電風(fēng)扇以及電燈等電器開(kāi)關(guān)需要遙控, 都可裝上超聲波換能器, 通過(guò)遠(yuǎn)地發(fā)射超聲波由裝在需要控制系統(tǒng)上的接收換能器所接收,把聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)使開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

交通監(jiān)測(cè)

現(xiàn)代交通, 自動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的通行和計(jì)數(shù)以便掌握車(chē)輛的運(yùn)行情況是非常必要的。如交通監(jiān)理站安裝一個(gè)收發(fā)兼用的超聲波換能器及其附屬設(shè)備, 當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)就有一個(gè)聲脈沖返回, 通過(guò)計(jì)數(shù)累計(jì)可得到日行車(chē)輛的數(shù)量。給汽車(chē)尾部裝一個(gè)收發(fā)兩用的換能器, 可防止倒車(chē)相撞事故發(fā)生。在公路上安裝接收型壓電超聲波換能器還可以監(jiān)測(cè)噪聲指數(shù)。

測(cè)距

超聲波測(cè)距裝置又叫聲尺。它是通過(guò)收發(fā)兩用的換能器, 測(cè)量脈沖時(shí)間間隔。聲尺可測(cè)10m 以?xún)?nèi)的距離, 精度可達(dá)千分之幾。

檢漏及氣體檢測(cè)

對(duì)于壓力系統(tǒng), 在泄漏處, 由于壓力容器的內(nèi)外壓差造成射流噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對(duì)于非壓力系統(tǒng), 可在密閉系統(tǒng)內(nèi)安放一個(gè)超聲波源, 然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一般未泄漏時(shí)測(cè)到的信號(hào)幅度極小或沒(méi)有, 在泄漏處信號(hào)幅度有突然增大的趨勢(shì)。氣體流量檢測(cè)也是化工中的重要手段之一。流量檢測(cè)目前有多種放大,如浮子流量計(jì)等。但利用超聲波換能器主要優(yōu)點(diǎn)是不妨礙流體的流動(dòng)。

信息采集

智能機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在空間自由行走、辨認(rèn)物體等功能, 不僅要用超聲波換能器測(cè)距導(dǎo)盲, 而且要成像辨識(shí)。所以, 需要小型的超聲波換能器陣, 以實(shí)現(xiàn)多種功能, 這方面將成為一項(xiàng)重要的研究課題, 吸引著眾多的科學(xué)家為之奮斗。