超声波换能器的原理和使用

超声波换能器是一种能量转换器件，它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，而它自身消耗很少一部分功率（小于10%）。所以，使用超声波换能器很主要考虑的问题即是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。

超声波换能器分类：

1、柱型

2、倒喇叭型

3、钢后盖型

4、中间夹铝片型

主要适用于超声波塑料焊接机、超声波切割刀、超声波金属焊接机，超声波清洗机，超声波声化学设备等。

超声波换能器在合适的电场激励下能发生有规律的振动，其振幅一般10μm左右，这样的振幅要直接完成焊接和加工工序是不够的。连上通过合理设计的变幅杆后，超声波的振幅可以在很大的范围内变化，只要材料强度足够，振幅可以超过100μm。

因加工方式和要求不同，换能器的工作方式大致可分为连续工作（如花边机，CD机，清洗机，拉链机）和脉冲工作（如塑料焊机），不同的工作方式对换能器的要求是不同的。一般而言，连续式工作几乎没有停顿时间，但工作电流不是很大，脉冲工作是间歇的，有停顿，但瞬间电流很大。平均而言，二种状态的功率都是很大的。

使用超声波换能器很主要考虑的问题即是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。换能器的频率相对而言还比较直观些。该频率是指用频率（函数）发生器，毫伏表，示波器等通过传输线路法测得的频率，或用网络阻抗分析仪等类似仪表测得的频率。一般通称小信号频率。与它相对应的是上机频率，即客户将换能器通过电缆连到机箱上，通电后空载或有载时测得的实际工作频率。因客户匹配电路各不相同，同样的换能器在不同的驱动电源（电箱）表现出来的频率是不同的，这样的频率不能作为交流讨论的依据。

让换能器和驱动电源、模具良好配合以形成一台完整的超声波设备可以简称为匹配。由于匹配对整机性能的影响是决定性的，无论怎样强调匹配的重要性都不为过。匹配很主要考虑的因素是换能器的电容量，其次是换能器的频率。

换能器与驱动电源的匹配主要有4个方面，即阻抗匹配、频率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中很主要的是容抗和频率。如前所述因为陶瓷片是绝缘体，你几乎可以理解为换能器是不通电的，它只是相当于一个电容器。要使换能器工作，实际上是通过驱动电路对它施加交流高电压，让换能器的电容充放电。压电陶瓷片在交变电场的作用下做同步伸缩变形，形成了整个换能器的纵向振动，从而带动变幅杆和模具振动。所以，若电容匹配不好，轻者是换能器无力，焊不牢；重者换能器发热严重，烧电极片、烧电源的大功率管。我们的换能器产品附有产品性能参数表，给出了每个换能器的电容和频率。驱动电源应该根据换能器的电容量，调整高压变压器，匹配电容板，峰化线圈，调频线圈等的参数。由于电感和电容量的敏感性，功放板，扼流线圈及其他外围电路对匹配也有影响。而且随着工作进行，换能器的温度会升高，导致电容也会升高且变化量可能会超过50%，若不能将电容有效地匹配掉，即会造成回路中电流电压相位差很大，功率因素很低，虚功高。看看电流很大，但换能器没力，易发热，且电源的功率器件也容易发热损坏。一般换能器电极片（耳朵）振裂或烧掉很可能即是由此引起的。

频率匹配同样也非常重要。这首先是因为超声换能器只能工作在他的谐振频率点，所以驱动电源、变幅杆、模具（工具头）都应该在这个频率下工作。一般而言，这个差别很大不超过±0.1kHz，能小一点会更好。我们强烈建议配套模具（焊头）的频率低于振动子频率0.1kHz左右（小信号频率）。也即是说，若原振动子小信号测量的频率是14.85kHZ，则连上模具后再测频率为14.75kHZ很为理想。同时即应考虑到，超声波换能器接上变幅杆和模具头后，系统的谐振频率峰会变得很尖锐，也即带宽很窄，机械品质因数很大，频率偏移一点都会造成阻抗很大的增加。表现在驱动电源上会是电源（振幅表电功率）很大或过载保护。若刚好这时是空载调机，则很可能会造成晶片错位，晶片裂或中心螺杆断。