Un trasduttore ultrasuoni è un dispositivo di conversione dell'energia che trasforma la potenza elettrica in ingresso in potenza meccanica (vale a dire ultrasuoni) per la trasmissione, consumando autonomamente una quantità minima di energia.
Il generatore ad ultrasuoni (noto anche come alimentatore ad ultrasuoni) converte la corrente CA 220V in una corrente ad alta frequenza, che viene trasmessa alla ceramica piezoelettrica. La ceramica piezoelettrica, risonante alla frequenza degli ultrasuoni, utilizza l'effetto piezoelettrico per convertire i segnali elettrici in vibrazioni meccaniche lineari. Queste vibrazioni vengono successivamente amplificate (o attenuate) in ampiezza tramite un corno ultrasonico prima di essere trasmesse alla testa dell'utensile per l'operazione. I trasduttori ad ultrasuoni generalmente si presentano in due forme: magnetostrittive e ceramiche piezoelettriche. La nostra azienda utilizza esclusivamente trasduttori a ceramica piezoelettrica.
Magnetostrizione: L'effetto per cui i materiali si deformano sotto l'influenza di un campo magnetico oppure generano un campo magnetico quando vengono deformati. Questi materiali contengono tipicamente nichel, che mostra una forte magnetostrizione. I sensori magnetostrittivi utilizzano materiali magnetostrittivi (generalmente in forma laminata). A causa delle correnti parassite, i trasduttori magnetostrittivi presentano generalmente perdite maggiori rispetto ai trasduttori piezoelettrici, richiedendo requisiti di raffreddamento più rigorosi.
La composizione dei trasduttori ad ultrasuoni
Quasi tutti i trasduttori piezoelettrici utilizzati per l'ultrasuono ad alta potenza sono del tipo Langevin, cioè uno o più piezoceramici vengono compressi meccanicamente (precaricati) tra un driver frontale e un driver posteriore.
I trasduttori ultrasonici sono composti principalmente da elementi piezoceramici centrali, coperture metalliche anteriori e posteriori, bulloni precompressi, fogli elettrodi e tubi isolanti, come mostrato nel diagramma sottostante. Quasi tutti i trasduttori piezoelettrici utilizzati per l'ultrasuono ad alta potenza sono di tipo Langevin, che prevede uno o più elementi piezoceramici compressi meccanicamente (precaricati) tra un driver anteriore e un driver posteriore.
Driver posteriore: Un elemento cilindrico posizionato sul retro del trasduttore piezoelettrico. Il driver posteriore è adiacente all'ultimo pezzo di ceramica piezoelettrica e applica tipicamente una pressione di precarico attraverso bulloni impilati.
Piastra elettroda: Un disco conduttivo sottile posizionato tra ceramiche piezoelettriche adiacenti in un trasduttore. La tensione di alimentazione del trasduttore viene applicata attraverso queste elettrode.
Driver anteriore: Trasmette l'energia ultrasonica del trasduttore al cornetto o alla testa dell'attrezzo e il driver anteriore include generalmente una flangia di installazione per connettersi al contenitore.
Bullone pre-teso: Un singolo bullone passa attraverso il foro centrale della ceramica. Una volta serrato questo bullone, la ceramica verrà compressa tra il conduttore posteriore e il conduttore anteriore, applicando così il pre-carico richiesto alla ceramica.
Ceramiche piezoelettriche: Le ceramiche piezoelettriche sono il cuore dei trasduttori, convertendo i segnali elettrici provenienti dai generatori ad ultrasuoni in vibrazioni meccaniche lineari.
disco ceramico piezoelettrico
componenti principali del trasduttore
Le piézoceramiche sono generalmente suddivise in 'morbide' o 'dure'. Le piézoceramiche dure vengono utilizzate per applicazioni elettriche. Esistono due tipi fondamentali di piézoceramiche dure, comunemente indicate come PZT-4 e PZT-8 (PZT sta per titanato di zirconato di piombo, la composizione delle piézoceramiche). Tutti i nostri trasduttori utilizzano piézoceramiche PZT-8. Le piézoceramiche PZT-8 presentano un fattore di qualità Qm più elevato, una temperatura di funzionamento sicura più alta (temperatura di Curie) e perdite dielettriche più basse (tanδ).
Prestazioni delle ceramiche piezoelettriche in condizioni di campo elettrico basso
Nucleo produttivo del trasduttore
A causa della debole resistenza a trazione delle piezoceramiche, quando il trasduttore subisce vibrazioni ultrasoniche, deve essere applicato un precarico statico di compressione per evitare che la piezoceramica venga sollecitata a trazione. Inoltre, il precarico garantisce un buon contatto alle interfacce della piezoceramica, permettendo alle onde sonore di trasmettersi con perdite minime. Il precarico di compressione deve essere sufficiente per impedire che la piezoceramica subisca sforzi di trazione ultrasonici e per prevenire lo scivolamento laterale della piezoceramica. L'entità del precarico durante la fabbricazione dei trasduttori ultrasonici gioca un ruolo decisivo sulla qualità.
Dopo aver serrato i bulloni pretesati, è possibile applicare una precompressione al materiale piezoceramico. Tradizionalmente, una chiave dinamometrica viene utilizzata per impostare un preciso valore di coppia prima di stringere i bulloni pretesati; tuttavia, questo parametro è influenzato da molti fattori e spesso comporta delle deviazioni. Anche utilizzando la stessa coppia, il livello di lubrificazione dei bulloni e l'operatore anteriore e posteriore influenzano l'entità della precompressione applicata alle piastre ceramiche.
la condizione precompressa è influenzata dalla lubrificazione dei bulloni.
L'impatto della precompressione sui trasduttori
L'impedenza e la frequenza delle piezoceramiche si stabilizzano all'aumentare del precarico. Un precarico maggiore può ridurre l'impedenza del trasduttore. Se la ceramica piezoelettrica non è adeguatamente serrata, l'impedenza del trasduttore aumenterà.
È vero che la precompressione del trasduttore dovrebbe essere il più alta possibile?
Una precompressione eccessiva può ridurre le prestazioni del trasduttore, principalmente in base ai seguenti aspetti:
1. Le prestazioni delle piastre piezoceramiche cambiano sotto carico di compressione. In particolare, la temperatura massima sicura di funzionamento del materiale può diminuire significativamente e un'elevata tensione di compressione può abbassare la temperatura di Curie.
2. Un precarico eccessivo può provocare una significativa depolarizzazione, causando inoltre un'impedenza instabile e invecchiamento.
3. Una precompressione eccessiva può ridurre la durata del trasduttore e, nei casi più gravi, può causare la frattura delle piastre ceramiche all'interno del trasduttore.
4. Inizialmente, una precompressione eccessiva nel trasduttore può comportare un'impedenza inferiore, ma con il tempo le prestazioni del trasduttore peggiorano, accompagnate da prodotti che presentano un'alta impedenza.
HCSONIC produzione di trasduttori
Abbiamo fissato il trasduttore sul banco di lavoro, quindi collegato gli elettrodi positivo e negativo della piastra elettrodica all'attrezzatura dedicata. Dopo aver inserito i parametri corrispondenti, abbiamo utilizzato una chiave specifica per serrare i bulloni pretesati. Quando la tensione iniziale raggiunge il valore richiesto, il dispositivo segnala di interrompere l'operazione, producendo così trasduttori ultrasonici di alta qualità adatti a diversi ambienti di lavoro. I trasduttori ultrasonici rappresentano i componenti principali e fondamentali nella realizzazione dei dispositivi ultrasonici.
Possiamo personalizzare vari tipi di trasduttori con frequenze differenti in base alle esigenze del cliente, con un intervallo di frequenza compreso tra 15 kHz e 120 kHz, utilizzati per saldatura ultrasonica, taglio ultrasonico, nebulizzazione mediante spruzzatura ultrasonica e trattamento di liquidi mediante sonochemica ultrasonica, tra le altre applicazioni. I trasduttori ultrasonici HCSONIC offrono un anno di garanzia.
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