壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展

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1、超聲波維修www.chaoyinbo.orgwxfu壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展摘　要:壓電換能器是超聲技術(shù)的主要部件,其種類多,用途及發(fā)展前景廣。該文回顧了超聲換能器的發(fā)展歷程,概括總結(jié)了壓電超聲換能器的分類和應(yīng)用,分析了壓電超聲換能器的發(fā)展趨勢(shì)。大功率、低壓驅(qū)動(dòng)、高頻、薄膜化、微型化、集成化是當(dāng)前的發(fā)展方向。超聲換能器是實(shí)現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的部件。最早的超聲換能器是P1郎之萬(P1Langevin)在1917年為水下探測(cè)設(shè)計(jì)的夾心式換能器。這個(gè)換能器是以石英晶體為壓電材料,用兩塊鋼板在兩側(cè)夾緊而成的。1933年以后出現(xiàn)的疊片型磁致伸縮換能器,強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、功率容量大,迅

2、速取代了當(dāng)時(shí)的郎之萬換能器。到了50年代,由于電致伸縮材料、鈦酸鋇鐵電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的研制成功,使郎之萬型超聲換能器再度興起。目前壓電超聲的應(yīng)用范圍很廣,且對(duì)超聲測(cè)量精度、測(cè)量范圍、超聲功率以及器件的微小化程度的要求越來越高。目前妨礙超聲廣泛應(yīng)用的原因是缺少適用、可靠、經(jīng)濟(jì)、耐用的超聲換能器。超聲換能器歷來是各種超聲應(yīng)用的關(guān)鍵部件,國內(nèi)外均大力研究,近年來取得了很多成就。本文將介紹壓電超聲換能器的種類、應(yīng)用和發(fā)展。1壓電超聲換能器的種類壓電超聲換能器的種類很多,按組成超聲換能器的壓電元件形狀分為薄板形、圓片形、圓環(huán)形、圓管形、圓棒形、薄殼球形、壓電薄膜等;按振動(dòng)模式分為

3、伸縮振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等;按伸縮振動(dòng)的方向分為厚度、切向、縱向、徑向等;按壓電轉(zhuǎn)換方式分為發(fā)射型(電2聲轉(zhuǎn)換)、接收型(聲2電轉(zhuǎn)換)、發(fā)射2接收復(fù)合型等。2壓電換能器的應(yīng)用壓電換能器的應(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)的功能分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測(cè)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、遙測(cè)、遙控等;按工作環(huán)境分為液體、固體、氣體、生物體等;按性質(zhì)分為功率超聲、檢測(cè)超聲、超聲成像等。(1)壓電陶瓷變壓器壓電變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實(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),通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)波通過輸入和輸出部分的機(jī)械

4、耦合到輸出部分,輸出部分再通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷,實(shí)現(xiàn)壓電體的電能2機(jī)械能2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,無電磁干擾和電磁噪聲,且結(jié)構(gòu)簡單、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)。此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈驅(qū)動(dòng)器等。(2)超聲馬達(dá)超聲馬達(dá)是把定子作為換能器,超聲波維修www.chaoyinbo.orgwxfu利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達(dá)定子處于超聲頻率的振動(dòng),然后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來傳遞能量,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。超聲馬達(dá)體

5、積小,力矩大,分辨率高,結(jié)構(gòu)簡單,直接驅(qū)動(dòng),無制動(dòng)機(jī)構(gòu),無軸承機(jī)構(gòu),這些優(yōu)點(diǎn)有益于裝置的小型化。它們廣泛應(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。(3)超聲波清洗超聲清洗的機(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。清洗所用的頻率根據(jù)清洗物的大小和目的可選用10～500kHz,一般多為20～50kHz。隨著頻率的增加,可采用郎之萬振子、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。超聲清洗在各種

6、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設(shè)備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機(jī)、食品、醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。(4)超聲焊接超聲焊接有超聲金屬焊接和超聲塑料焊接兩大類。其中超聲塑料焊接技術(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)。(5)超聲加工把微細(xì)磨料隨超聲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

7、相同的形狀。加工時(shí)需在15～40kHz的頻率下,產(chǎn)生15～40Lm的振幅。超聲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振動(dòng)時(shí),也可起到提高精度和效率的作用。(6)超聲減肥利用超聲波的空化效應(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。這是國際上90年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。意