Ультразвуковой преобразователь представляет собой устройство преобразования энергии, которое преобразует входную электрическую мощность в механическую мощность (то есть, ультразвук) для передачи, при этом сам потребляет лишь минимальное количество энергии.
Ультразвуковой генератор (также известный как ультразвуковой источник питания) преобразует переменный ток 220 В в высокочастотный ток, который передается на пьезокерамику. Пьезокерамика, резонирующая на ультразвуковых частотах, использует пьезоэлектрический эффект для преобразования электрических сигналов в линейные механические колебания. Эти колебания затем усиливаются (или ослабляются) по амплитуде с помощью ультразвукового концентратора (рожка) перед передачей их на инструментальную головку для выполнения операции. Ультразвуковые преобразователи обычно бывают двух видов: магнитострикционные и пьезокерамические. Наша компания использует исключительно пьезокерамические преобразователи.
Магнитострикция: Эффект, при котором материалы деформируются под воздействием магнитного поля или генерируют магнитное поле при деформации. Эти материалы обычно содержат никель, обладающий сильной магнитострикцией. Магнитострикционные датчики используют магнитострикционные материалы (обычно в виде ламинированных слоев). Из-за вихревых токов магнитострикционные преобразователи, как правило, имеют более высокие потери по сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями, что требует более строгих условий охлаждения.
Состав ультразвуковых преобразователей
Практически все пьезоэлектрические преобразователи, используемые для мощного ультразвука, представляют тип Ланжевена, то есть одна или несколько пьезокерамик механически сжимаются (предварительно напрягаются) между передним и задним торцами.
Ультразвуковые преобразователи в основном состоят из центральных пьезокерамических элементов, передних и задних металлических крышек, болтов с предварительным напряжением, электродных пластин и изоляционных трубок, как показано на схеме ниже. Почти все пьезоэлектрические преобразователи, используемые для мощного ультразвука, относятся к типу Ланжевена, в которых один или несколько пьезокерамических элементов механически сжимаются (предварительно напрягаются) между передним и задним драйверами.
Задний драйвер: Цилиндрический элемент, расположенный с тыльной стороны пьезоэлектрического преобразователя. Задний драйвер находится рядом с последним пьезокерамическим элементом и обычно обеспечивает предварительное давление посредством стягивания стека болтов.
Электродная пластина: Тонкий проводящий диск, размещённый между соседними пьезокерамическими элементами в преобразователе. Напряжение питания преобразователя подается через эти электроды.
Передний драйвер: Передаёт ультразвуковую энергию преобразователя на рог или рабочую головку. Передний драйвер, как правило, включает фланец для установки и соединения с корпусом.
Предварительно напряженный болт: Единый болт проходит через центральное отверстие керамики. После затяжки этого болта керамика будет сжата между задним и передним излучателями, тем самым создавая требуемое предварительное напряжение в керамике.
Пьезокерамика: Пьезокерамика является сердцем преобразователя, преобразуя электрические сигналы от ультразвуковых генераторов в линейные механические колебания.
пьезокерамический диск
основные компоненты преобразователя
Пьезокерамика в целом делится на 'мягкую' и 'жесткую'. Жесткая пьезокерамика используется в электрических приложениях. Существует два основных типа жесткой пьезокерамики, обычно обозначаемые как PZT-4 и PZT-8 (PZT означает титанат цирконата свинца — состав пьезокерамики). Все наши преобразователи используют пьезокерамику PZT-8. Пьезокерамика PZT-8 имеет более высокий добротный фактор Qm, более высокую температуру безопасной эксплуатации (температура Кюри) и более низкие диэлектрические потери (tanδ).
Пьезокерамика в условиях слабого электрического поля
Основа производства преобразователей
Из-за слабой прочности пьезокерамики на растяжение, при ультразвуковых колебаниях преобразователя необходимо прикладывать статическую сжимающую предварительную нагрузку, чтобы не допустить возникновения растягивающих напряжений в пьезокерамике. Кроме того, предварительная нагрузка обеспечивает хороший контакт на границах раздела пьезокерамики, позволяя звуковым волнам передаваться с минимальными потерями. Сжимающая предварительная нагрузка должна быть достаточной, чтобы предотвратить возникновение ультразвуковых растягивающих напряжений в пьезокерамике и ее боковое смещение. Величина предварительной нагрузки во время изготовления ультразвуковых преобразователей играет решающую роль в обеспечении качества.
После затяжки предварительно напряженных болтов можно приложить предварительное напряжение к пьезокерамическому материалу. Традиционно для установки определенного значения крутящего момента перед затяжкой предварительно напряженных болтов используется динамометрический ключ; однако этот параметр зависит от множества факторов и часто приводит к отклонениям. Даже при использовании одинакового крутящего момента уровень смазки болтов, а также передние и задние приводы влияют на величину предварительного напряжения, прикладываемого к керамическим пластинам.
предварительно напряженное состояние зависит от смазываемости болтов.
Влияние предварительного напряжения на преобразователи
Импеданс и частота пьезокерамики стабилизируются с увеличением предварительной нагрузки. Повышенная предварительная нагрузка может снизить импеданс преобразователя. Если пьезокерамический элемент недостаточно зажат, импеданс преобразователя возрастет.
Правда ли, что предварительное напряжение преобразователя должно быть максимально возможным?
Избыточное предварительное напряжение может снизить эффективность преобразователя, что в основном проявляется в следующих аспектах:
1. Пьезокерамические свойства изменяются под действием сжимающего смещения. В частности, максимально допустимая рабочая температура материала может значительно снизиться, а высокое сжимающее напряжение может понизить температуру Кюри.
2. Избыточный предварительный нагрузка может привести к значительному разупорядочиванию поляризации, а также вызвать нестабильное сопротивление и старение.
3. Избыточное предварительное напряжение может сократить срок службы преобразователя, а в тяжелых случаях может вызвать растрескивание керамических пластин в преобразователе.
4. Первоначально избыточное предварительное напряжение в преобразователе может привести к более низкому сопротивлению, но со временем характеристики преобразователя ухудшаются, что сопровождается увеличением импеданса.
HCSONIC transducer manufacturing
Мы закрепили преобразователь на верстаке, затем подключили положительный и отрицательный электроды электродной пластины к специальному оборудованию. После ввода соответствующих параметров мы использовали специальный гаечный ключ для затяжки предварительно напряженных болтов. Когда предварительное напряжение достигает заданного значения, устройство подаст сигнал остановки работы, тем самым производя ультразвуковые преобразователи высокого качества, подходящие для различных рабочих условий. Ультразвуковые преобразователи являются основными ключевыми компонентами при изготовлении ультразвуковых устройств.
Мы можем изготовить различные преобразователи разных частот по требованию клиентов, с диапазоном частот от 15 кГц до 120 кГц, которые применяются для ультразвуковой сварки, ультразвуковой резки, ультразвукового распыления и ультразвуковой обработки жидкостей методом звуковой химии, а также в других областях. Ультразвуковые преобразователи HCSONIC имеют гарантию один год.
EN