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超声波换能器电路设计原理

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超声波换能器电路设计原理

2018-08-04 10:11

超声波换能器是产生超声波必须的能量转换装置,它把超声电磁震荡的能量转换为声波。一个超声换能器,又称喇叭形换能器,具有重量轻、体积小、能量大的特点。1为金属前盖板,2为电极线,3为压电陶瓷片,4为金属后盖板,5为预应团螺钉。

每相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反,晶片的数目成偶数,以使前后金属盖板与同一极性的电极相连,否则在前后盖板与晶片之间要垫以绝缘垫圈,两晶片之间,晶片与金属盖板之间通常夹以薄黄铜片(厚度小于0.1mm),作为焊接电极引线用;晶片,电极铜片,金属支撑板,金属前后盖板之间用强力胶胶合,预应力螺钉可在环氧树脂固化前或固化后拧紧。由于压电陶瓷的抗压应力远大于抗压应力;胶合层也容易在大振幅情况下在拉伸阶段遭到破坏,所以加上预应螺钉把振子的晶片和胶合部分加上压预应力。以保证器件工作安全。所加预应力的大小应适当控制。未来配合紧凑,在预应力螺钉和盖板间要垫锥盘形弹簧垫圈和垫片。加上预应力螺钉对共振频率有小的影响,而电声转换效率不变。所承受的最大功率却可成倍增加,换能器个部分主要作用如下:

1,振子

压电陶瓷片称振子,是电声转换的元件,对于二分之一波长的振子,振动时,两端振幅最大,中间存在一个振速为零的截面,成为节面,节面的位置随着后盖板及晶片堆的密度、声连和尺寸而改变。并在节面位置放入节板,以便固定振子和整体考虑换能器结构。如果在振子电极上加上等于振子固有频率的超声波电压、振子就以正比于此电压振幅的振动,推动两金属盖板纵向振动,把超声波能量传播出去。

2,前后尽速盖板

金属前盖板用硬铝或镁铝合金等轻金属,后盖板采用钢或黄铜重金属,是为使前盖板产生远大于后盖板的位移量。根据动量守恒定律和换能器工作原理、可知节板两边的动量打下相等,方向相反,知其运动速度与密度成反比。利用铝作为前盖板,钢作为后盖板,起位移比率约为三比一。在此种情况下,轻金属便面位移较大,可辐射出振子中贮存的振动能量的较大部分。

轻金属前盖板设计成喇叭形,可以使硬铝(比重2 7)和水(比重1)匹配,以利于超声能量的定向传输。

超声波发生器是一个超声频电子振荡器,当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电陶瓷上时,压电陶瓷元件就在电场作用下产生纵振动。压电元件在超声震荡时,仿佛是一个小活塞,其振幅很小,约为1~10-20μm,但这种振动的加速度很大,是重力加速度的10~103倍,于是把电磁震荡能量转化为振动能量,这种巨大的超声波能量,沿着特定方向传播出来。

3,超声波振荡器(驱动电路)

超声换能器要把电能转变为超声波能量,必须对其提供超声波振荡器,或超声信号发生器电路形成很多,从有自激式振荡器、他激式振荡器、自跟踪、锁相环式振荡器电路等,从使用元件来分有双极晶体管振动电路等。

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