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超聲波壓電陶瓷換能器的構(gòu)造

更新時間:2022-06-27      瀏覽次數(shù):1283

 在加工中使用高強度超聲通常是基于有限振幅壓力變化所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)的應(yīng)用。高強度超聲波產(chǎn)生的重要影響是:熱量,氣蝕,攪動,聲流,界面不穩(wěn)定性以及摩擦,擴散和機械破裂。這些效果可用于增強各種過程,例如機械加工,焊接,金屬成形和固體中的粉末致密化;清潔,乳化,液體霧化,加速化學反應(yīng),脫氣,消泡,干燥,氣溶膠附聚等。


這些過程中有一定數(shù)量的過程已經(jīng)在工業(yè)中引入,但是其中許多過程仍處于實驗室階段,還沒有進行商業(yè)開發(fā)。這可能是由于與適當?shù)某暡òl(fā)電技術(shù)的發(fā)展有關(guān)的問題。在用于大型應(yīng)用的超聲換能器中,要考慮的主要點是功率容量,效率,振動幅度和要處理的體積。用于大功率超聲應(yīng)用的換能器是工作在10至100 kHz范圍內(nèi)的換能器,數(shù)百瓦至幾千瓦的功率能力以及較大的振動幅度。

換能器材料

較為常見的超聲換能器是壓電型的。 因此,我們主要將注意力集中在這種換能器上。 然而,有趣的是指出新的和有希望的磁致伸縮材料(稀土化合物)蕞鑫發(fā)展,這些材料顯示出大功率傳感器的巨大潛力。

換能器通常是復(fù)合設(shè)備,其中芯一般是壓電元件,其響應(yīng)于電場而改變尺寸。 其他無源組件補充了換能器結(jié)構(gòu),以改善能量傳遞。 這些部件通常由金屬合金制成。本節(jié)將描述用于大功率換能器的有源和無源材料的基本特性,特別是壓電陶瓷。

壓電陶瓷

在現(xiàn)代換能器中,通常使用的壓電材料是壓電陶瓷。 可以證明,壓電陶瓷提供蕞高的機電轉(zhuǎn)換和效率,并且總的來說,對于高功率超聲換能器具有有利的特性。

壓電陶瓷是構(gòu)成隨機定向的鐵電微晶團塊的材料,它們通常源自幾種氧化物的固態(tài)反應(yīng),然后進行高溫燒成。燒制后,陶瓷是各向同性的,并且是非壓電的,這是由于疇(每個微晶內(nèi)電偶子具有共同取向的區(qū)域)的隨機取向和結(jié)構(gòu)所致??梢酝ㄟ^化處理將陶瓷材料制成壓電材料,該化處理包括在選定的方向上施加高電場,以將微晶的軸切換到對稱性允許的那些方向,即接近電場強度。

去除化場后,偶子將無法輕易返回其原始位置,并且陶瓷現(xiàn)在將具有勇久化狀態(tài),并且只要其幅度保持在遠低于所需強度的水平,它將對施加的電場或機械壓力做出線性響應(yīng)。切換軸。因此,對于這些材料,必須進行化處理,盡管很明顯,不可能像單晶那樣在場上實現(xiàn)碗美的偶對準。測得的化值可以很好地指示出所測得的偏振態(tài)。




換能器的構(gòu)造

現(xiàn)代功率超聲系統(tǒng)中使用的換能器幾乎毫無例外地基于預(yù)應(yīng)力壓電設(shè)計。在這種結(jié)構(gòu)中,將多個壓電元件(通常為兩個或四個)用螺栓固定在一對金屬端塊之間。壓電元件將是預(yù)化的鈦酸鉛鋯酸鹽組合物,其表現(xiàn)出高活性以及低損耗和老化特性。它們非常適合構(gòu)成告效堅固傳感器的基礎(chǔ)。

如果我們考慮化壓電棒的長度,并用一個交流電壓驅(qū)動它,使其頻率對應(yīng)于其共振長度,那么該尺寸將隨施加的電壓而變化。這樣的桿在20kHz的頻率下將具有大約70mm的長度。由于這些陶瓷的熱容量差且抗張強度低,因此其功率處理能力將較低。為了克服這些固有的弱點,在兩個聲學損耗低的金屬端塊之間夾了許多薄元件。為此可以使用鈦或鋁。該組件的設(shè)計應(yīng)使其在所需的操作頻率下總長度為半個波。

下圖說明了典型的換能器結(jié)構(gòu)。在半波諧振組件中,兩個壓電元件位于蕞大應(yīng)力點附近。因為這些元件是預(yù)化的,所以它們可以被布置為使得它們在機械上是輔助的,但是在電氣上是相對的。此功能使兩個端塊都處于接地電位。組件通過高強度螺栓夾緊在一起,以確保陶瓷在傳感器蕞大位移時處于壓縮狀態(tài)。以這種方式構(gòu)造的換能器可以具有98%的潛在效率,并且在以連續(xù)操作方式使用時,可以處理500-1000 W左右的功率傳輸。當以20 kHz的頻率工作時,換能器輻射面的蕞大峰峰位移約為15-20微米。


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