超声波换能器参数、知识

　　超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。本发明由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Ｃｙｍｂａｌ阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的ＰＺＴ－５压电材料制成，Ｃｙｍｂａｌ阵列接收器由８～１６只Ｃｙｍｂａｌ换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Ｃｙｍｂａｌ阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。本发明的作用距离大于３５ｍ，频带宽度达到１０ｋＨｚ，能检测高速移动的远距离目标。
　　超声波换能器，包括外壳（１）、匹配层即声窗（２）、压电陶瓷圆盘换能器（３）、背衬（４）、引出电缆（５），其特征在于它还包括Ｃｙｍｂａｌ阵列接收器，它由引出电缆（６）、８～１６只Ｃｙｍｂａｌ换能器（７）、金属圆环（８）、（９）和橡胶垫圈（１０）　组成；Ｃｙｍｂａｌ阵列接收器位于圆盘式压电换能器３之上；压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Ｃｙｍｂａｌ阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。

超声波换能器参数的测试及阻抗测试仪

用阻抗分析仪可以评定压电陶瓷片、压电换能器、整个振动系统（超声波换能器加上变幅杆、模具）等各种器件设备的性能优劣。用阻抗分析仪分析超声器件设备，重要的几个参数如下：
　　1. Fs：机械谐振频率，即振动系统的工作频率、设计中应尽可能接近期望值。
　　对于清洗机，振子的谐振频率一致性越高越好。
　　对于塑焊机或超声加工，变幅杆或模具设计不合理的情况下，振子的谐振频率会偏离工作点。
　　2. Gmax：谐振时的电导，振动系统工作时的电导值，它是动态电阻的倒数。在相同的支撑条件下越大越好，Gmax＝1／R1。一般对于清洗或焊接振子来说，一般在50ms～500ms之间。如果太小的话，一般来说，振子或振动系统工作会有问题，如电路不匹配或转换效率低、振子寿命短。
　　3. C0：超声波换能器压电器件等效电路中静态支路的电容量，C0＝CT－C1（其中：CT为1kHz下的自由电容，C1为压电器件等效电路中动态支路的电容量）。使用时要以电感对C0进行平衡。
　　在清洗机或超声加工机器的电路设计中，正确地平衡C0可以提高电源的功率因素，使用电感平衡有两种方法，并联调谐和串联调谐。
　　4. 超声波换能器机械品质因素，以电导曲线法确定，Qm＝Fs／（F2－F1），Qm越高越好，因为越高，振子的效率越高；但必须与电源匹配，Qm值太高时，电源无法匹配。
　　对于清洗振子来说，值越高越好，一般来说，清洗振子的Qm要达到500以上，太低的话，振子效率低。
　　对于超声波换能器超声加工来说，振子本身的Qm值一般在500左右，加上变幅杆之后，一般达到1000左右，再加上模具，一般达到1500～3000。太低的话，振动效率低，但是不能太高，因为Qm越高，工作带宽越窄，电源难以匹配，电源难以工作在谐振频率点，设备无法工作。
　　5. F2，F1：振子半功率点频率，对于超声加工的整个振动系统（包含变幅杆和模具）来说，F2－F1要大于10Hz 否则频带太窄，电源难以工作在谐振频率点，设备无法工作。 F2－F1与Qm值直接相关，Qm＝Fs／（F2－F1）。
　　6. Fp：反谐振频率，压电振子并联支路的谐振频率，在这个频率下，压电振子的阻抗大。
　　7. Zmax：反谐振阻抗，正常的情况下，一个换能器的反谐振阻抗都在几十千欧姆以上，如果反谐振阻抗比较低，往往振子的寿命比较短。
　　8. CT：超声波换能器自由电容，压电器件在1kHz频率下的电容值，此值和数字电容表测得的值是一致的。这个值减掉动态电容C1就可以得到真正的静电容C0，C0需要用外接电感平衡，C1在系统工作的时候参与能量转换，不必平衡。
　　9. R1：动态电阻，压电振子串联支路的电阻，在相同的支撑条件下越小越好。对于清洗或焊接振子来说，如果R1太大的话，说明振子有问题。
　　10. Keff：有效机电耦合系数，一般来说，Keff越高，说明转换效率越高