[发明专利]一种具有声反馈功能的压电式超声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及压电式超声换能器，涉及超声波发射器的频率跟踪技术，更具体的说，涉及一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器。

背景技术

换能器是利用压电晶体(陶瓷)的压电现象实现电能、机械能互换的装置。超声换能器只有在发生谐振时，才能向外发射出大功率的超声波。谐振频率范围内压电陶瓷换能器的模型可以用图2的等效电路来表示：

C₀为静态电容，是换能器在没有振动的情况下，两个电极间的电容值，其大小和压电陶瓷(或晶体)的介电常数，长、宽、厚有关，一般数量级为10^-9F。R为压电陶瓷片内的介质电损耗，通常可以忽略其影响(一般认为R₀为无穷大)。

当换能器振动发出超声波时，还存在动态阻抗，是由换能器本身和介质对振动的反作用产生的。当介质为空气时，其对振动的反作用可忽略不计，动态阻抗可以用电阻，电容，电感的串联表示。Lm，Cm，Rm分别表示换能器无负载时等效电路的等效电感，等效电容，等效电阻。Lm相当于晶片振动的惯性，一般数量级为10^-3H；Cm相当于晶片振动的弹性，一般数量级为10^-12F；Rm相当于晶片振动时的摩擦损耗一般数量级为Ω。

用Y表示换能器等效电路的总导纳，Y₀和Ym表示静态导纳和动态导纳，有：

Y＝Y₀+Y_m＝G+jB  其中G，B为总电导和总电纳

可以证明： 

其中ω为加在换能器电极上交流电的角频率

在谐振频率ω_c附近，可近似认为ω_cC₀＝ωC₀，这样换能器导纳随频率的变化为图3所示的一个圆。在该图上可以得到换能器的许多重要参数：

fs——串联谐振频率，压电振子等效电路中串联支路的谐振频率(导纳圆图2中最大电导处)

fp——并联谐振频率，压电振子等效电路进行串并联等效变换后，并联支路的谐振频率(阻抗圆图中最大电阻处，本说明书未给出阻抗圆图)

fm——最大导纳频率，压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率

fn——最小导纳频率，压电振子导纳最小时的频率称为最大导纳频率

fr——谐振频率，使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率

fa——反谐振频率，使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率

换能器空载时，六个特征频率存在以下关系：f_m＝f_s＝f_r,f_a＝f_p＝f_n

加载后有：f_m<f_s<f_r,f_a<f_p<f_n,f_s<f_p

这6个特征频率中,最大导纳频率fm和最小导纳频率fn可以用传输线法测得,谐振频率fr和反谐振频率fa可以通过观察谐振点即电流与电压波形的同相点而得出。

只有串联谐振频率fs和并联谐振频率fp无法用简单的方法直接测出,而这两个频率在换能器的参数计算、性能评价和阻抗匹配中有着重要的作用。

超声波清洗机多工作在换能器串联谐振频率，可提高超声电源的功率输出。

换能器工作在并联谐振频率上，其输出功率可根据负载情况而自动调节，适合于超声焊接和粉碎。

以串联谐振频率工作的超声系统谐振频率应在串联谐振频率附近，以并联谐振频率工作的超声系统谐振频率应在并联谐振频率附近。

超声波电源的频率跟踪技术，采用电反馈法，在谐振频率因负载变化、换能器老化等原因漂移时，采集匹配电感抵消换能器容性后，换能器系统的电压和电流，根据其相位差，改变超声波频率，以达到定位在谐振频率附近的目的。

本发明采用声反馈，发明一种兼备声波发射和接受功能的换能器，直接采用机械振动产生的信号，让超声波频率定位在换能器最大振幅频率。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中机械谐振频率采集不方便的问题，提供了一种判断振动幅度信号简单，并能够判断换能器是否工作在振幅最大的谐振频率的一种具有声反馈功能的压电式超声波换能器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：